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十大物理實驗(八)暨量子力學史話(3)
送交者: ZNB 2003年10月27日17:46:59 於 [教育學術] 發送悄悄話

  德布羅意踏入物理這行不過幾年,但是他身份特殊,他是法蘭西波旁王朝的王族中人
九百年來唯一走入物理學領域的人,雖然他這一支家族曾為法蘭西貢獻了一個總理,兩個
議長,兩個上將。德布羅意當時的稱謂是親王。這位親王決心用實際行動證明,這個皇室
的後人也會象泥瓦匠的後裔高斯,農場主的兒子盧瑟福一樣成為科學上的巨人的。

  事實證明他不僅是皇室中的王子,而且在當時的物理學界也確實扮演了王子的角色。

  在轟轟烈烈的一戰中,德布羅意也走上了戰場。不過他的職位還算安全,不過是個測
繪員。但是戰場上枯寂的日子也是很難打發的,他可不願和無聊的士兵們整天甩紙牌。

  他雖然取得過文學碩士學位,但在這段時間對物理學發生了濃厚的興趣,尤其是風行
一時的量子理論鑽研甚深。不過他總隱隱覺到這套理論有缺憾,具體在什麼地方一時也難
明了。

  一天晚上,他坐在土崗上一邊思考一邊望着夜空,突然一顆流星划過了天際,他的靈
感馬上被激發出來:

  我們費了那麼多勁來證實了光既是粒子也是一種波,幹嗎不把這進一步推廣出去呢?
比如說新發現的電子,我們以前總是把它當成點粒子,難道不能用波動觀點去看待它?事
實上,不光是電子,世界上萬事萬物都具有和光一樣的性質:波粒二象性。

  我們眼中的所有事物都是在象水波一樣地振動着的,還有比這更奇怪的麼?

  戰爭結束後的1924年,德布羅意把他的想法整理在博士論文《量子理論的研究》中。

  古老的索爾蓬納大學的答辯會上,人們交頭接耳,都在議論這個這個文學碩士如何應
對評委們尖銳的反詰的。

  德布羅意在黑板上寫下他那著名的公式:

  這是用來說明電子的波長的,p就是物體的動量(質量和速度的乘積),h則是微觀世
界的鑰匙普朗克常數,λ則是波長。如此簡明的公式蘊涵的意義是深遠的,所以儘管他的
論文沒有得到實驗的支持,而且還引起評審委員會的人一陣騷動,但是還是主持答辯的著
名物理學家郎之萬鼎力堅持下通過。

  郎之萬的評語是:

  “這個博士生的想法近似荒誕,但是其中物理思想展現的很是完美動人。”

  這個和愛因斯坦一樣深信自然的和諧與美的教授心裡儘管一百個贊成德布羅意的見解
,但嘴上還是要跟評委們敷衍過去的。

  當幾天后他把這個博士生的思想轉述給好友愛因斯坦聽時,巨人罕見地沉默了好久,
他送別郎之萬時意味深長地說了一句:“至此,一場偉大戲劇的帷幕被人掀開了一角。”

  無論如何,德布羅意的這篇論文是人類歷史上物理學上最出色的博士論文,1929年他
憑此獲得諾貝爾獎,這也開創了博士論文得諾貝爾獎的先例。

  很快德布羅意的思想得到愛因斯坦的欣賞的消息傳了出去,人們還是崇拜偉人的,所
以都認真地將他的文章讀了幾遍。這篇論文觀點倒是很有轟動性,很多人都覺得自己都曾
產生過類似的想法,只不過從來沒有人象德布羅意那樣如此清晰地表明而已。

  可是物理學究竟是一門實驗的科學,不能僅沉溺在思想的深刻和數學的美妙上。

  德布羅意提出了驗證的辦法,這跟當年康普頓證明光是粒子反過來,我們證明一下電
子也有波動的性質就完了。最簡單的是波動有衍射現象,即當電子準直地通過小孔時,並
不是簡單地在屏後打出一個亮點,而是和光一樣出現環行的衍射光斑。

  正如幾年前如果搞X光最拿手的是莫塞萊的話,那麼現在公認的搞電子的實驗大師是
亞歷山大·多維葉。德布羅意毫不猶豫地找到了他,向他講述了自己的計劃。不料多維葉
撇撇嘴,對此不屑一顧,他當時正在忙着顯象管上的電子掃描的工作。在他看來,德布羅
意簡直痴人說夢。

  結果雖然多維葉在電視的誕生上作出了貢獻,但他顯然失去了一次得到諾貝爾獎的機
會。

  而另一個倒霉的先生戴維遜早在幾年前他在把電子入射到鎳晶片時,就發現那些奇怪
的光斑,不過他是怎麼也不能解釋的。還是愛因斯坦說的好:“只有理論才能決定我們可
以觀察到什麼。”這句話聽起來似乎荒唐,但它處處得到了證實。

  上帝把這個榮譽交給了電子的發現者湯姆遜的兒子,G.P.湯姆遜。這個小湯姆遜成功
地觀察到電子衍射的圖案,並於1937年獲得諾貝爾獎。

  實驗證實還是幾年以後的事,但先在理論學界引起的風波稱得上是波瀾壯闊。

  首先是在瑞士的蘇黎世,在一次物理學的常規會議上,大家輪流作着報告,最後會議
主持人是德拜,就是當年那個曾經發誓也要解決巴爾末公式之謎的人。如果和索末菲分手
後他們再約定每當物理學有重大突破時就在那家餐廳里痛飲葡萄酒的話,那麼他和索末菲
要麼就要淪為十足的酒鬼,要麼兩個人都要破產。因為這些年物理學的進展實在是只能用
天翻地覆來形容的。

  他把目光盯在了最後一排的教授薛定諤身上,“教授,聽說德布羅意的物質波的思想
被廣泛討論,您是否能簡單作個報告?”

  薛定諤站起來就侃侃而談,他一直對這些方面很是關注。

  然後德拜就提出自己的意見,“教授您談了這麼多波動觀點,可是您怎麼不提出來一
個波動方程呢,這在經典物理里是屢見不鮮的呀。”

  兩個禮拜後,薛定諤再次站到講台上,他二話沒說先在黑板上寫下一行公式:

  然後轉過身來平靜地說道:“先生們,我找到了一個方程。”

  這個方程在量子力學中的地位不亞於經典力學中的牛頓定律,它就是著名的薛定諤方
程。

  量子力學的正式誕生的第一天的面目就顯得甚是詭異,人們尚不能明了它的規律,就
提出了它的方程。仿佛沒有見到人本身,就知道了他的長相。這也說明量子力學的建立並
不需要深厚的數學功底,但對沒有第一流物理思想的人來說是不可企及的。

  薛定諤發展這個方程看似偶然,卻也是煞費苦心。剛開始他總想把時髦的相對論引入
到方程中去,但是算得的結果總是面目全非。後來他乾脆先放棄相對論,開門見山地將經
典物理的方程直接轉換過來。他原本就是研究波動的大行家,什麼縱波,橫波,光波,電
磁波統通不在話下,很快他就模仿着寫出了自己的方程。

  這個方程無疑取得了巨大的成功,很多人通過計算解釋了以前不能解釋的量子現象,
甚至包括原子的發光問題。大家在數學上是不存在問題的,經典力學積攢了大量完美的公
式可用。

  不過所有人都困惑的是,方程中的ψ究竟是什麼東西。連薛定諤自己也搞不明白,注
意,這不是一時不明白,而是一世不明白,至少他的理解始終沒有得到物理學界主流的認
同。

  有人寫過一首四行詩打趣道:“

  薛定諤的普賽(指ψ),

  用處大的不得了,

  只有一事尚不明,

  普賽究竟為何物。”

  更令人吃驚的是一個年青的日爾曼人在此同時也提出了自己的量子力學。上帝是個蹩
足的導演,他要麼就不讓量子力學出台,要麼就一出來就是兩個。

  這時冒出來的明星,是後來被稱為“量子力學總司令”的海森堡。當海森堡十九歲那
年第一次聽玻爾的學術報告就尖銳地指出幾處錯誤時,玻爾就注意到了他。

  海森堡出身德國一個知識分子的家庭,他的父親是慕尼黑大學的古代語言和拜占庭歷
史學的教授。

  他自小聰穎過人,老師給他的評語是:“他既能抓住事物的本質,又不放過問題的細
節。”上中學時由於他認為一些基礎課程過分簡單,而轉學高等數學和物理。甚至16歲的
他還幫助一個要考博士的化學系女生複習高等數學,完後用他自己的話說,不知道她懂了
沒有,反正自己是徹底掌握了高等數學。

  他最喜歡是數學,尤其是數論。中學時就嘗試證明過費馬大定理和哥赫巴德猜想。這
兩者都是流傳百年的數學難題,後者在八十年代的中國因為陳景潤的神話在民間被簡單演
繹成了證明一加一如何等於二。

  他的鋼琴演奏地非常出色,和愛因斯坦的小提琴被認為是物理學界的一時瑜亮。

  1920年,他考入慕尼黑大學,本來他是渴望求師著名的數學教授林德曼的。但是當教
授不經意問起海森堡最近在看什麼書時,海森堡回答是在看一本名叫《時間,空間,物質
》的書。這位教授顯然是這類玄奧的哲學是深惡痛絕的,當即警告他說:“如果看這樣的
書,那你在數學方面註定是沒有前途的!”海森堡悻悻地退了出來,至此他決定全心投向
理論物理。

  這時他遇上了量子論的一個領袖人物,那個多年前和德拜打賭的那個索末菲。他是玻
爾理論的大力支持者之一,玻爾的原子軌道和能級的理論經他深化後,成為更基本的索末
菲量子化條件。這個工作如此乾脆漂亮,連玻爾本人亦是擊節讚嘆。

  索末菲的眼光很是了得,他一下子就從幾屆學生中找出海森堡和另一個叫泡利的新生
參加他的理論物理討論班。

  這個泡利是後來量子力學中必不可少的人物。他被學界公認是“上帝之鞭”,因為他
對物理中的各種理論幾乎有種天賦的準確判斷的能力。任何人把新理論拿到泡利面前都是
簌簌發抖的,他只瞄幾眼就能找到致命的錯誤,幾個月,幾年,甚至幾十年的辛勞幾分鐘
內就可能化為烏有。而且你的爭辯幾乎是無效的,很多學界名流都會寧願相信泡利這種屢
驗不爽的“超能力”,而不願相信幾十個高手的聯名擔保或者複雜然而精細的公式推導。

  這兩個人立刻形影不離,並將這種友誼持續了終生。他們看起來是多麼的不同呀:身
材纖細的海森堡總是瀟灑地穿着風衣,而肥胖的泡利總是晃動着他的碩大的腦袋。海森堡
更喜歡足蹬球鞋到處旅行,泡利則愛好在昏暗的劇院裡品着咖啡看歌劇。但是他們在探討
學術問題時都是分外的認真,不過經常是海森堡費勁心機提出的理論被泡利談笑間否決了


  一次,他們兩個人一起上測量弦振動頻率的實驗課。可是他們一邊合作着實驗,嘴裡
還在不停地爭論理論問題。泡利原指望象往常一般幾句尖銳的話語就將海森堡壓得啞口無
言,但這次海森堡不肯服輸,他們乾脆停下實驗好好辯論,結果到快下課時才發現實驗沒
有完成。

  海森堡使個眼色,在兩端固定緊的弦上輕輕彈了一下,泡利馬上湊過耳朵聽了一下就
寫下數據,而他們的“數據”居然矇混過了關。其實,老師也在納悶,平時這對笨手笨腳
的活寶這次的結果怎麼會和標準答案一樣呢?

  和大多傑出的理論物理學家一樣,他們兩個的實驗水平都很遜色。最古怪的還是泡利
,他的毛病是所有的儀器在他手裡一碰就壞,越是先進的越是如此,這幾乎和他永遠正確
的批判本領一樣百驗百中。

  所以即使他成名以後,還是成為各大實驗室不受歡迎的人,而泡利的脾氣向來是不請
自到,偏偏還喜歡親自鼓搗一下實驗室里最好的設備,最後只不過尷尬地說一聲對不起之
類的話。

  有一次玻爾研究所的實驗室里放在高柜上的一隻試管莫名其妙地爆炸了,一群聰明的
理論物理學家紛紛放下手頭上的工作猜測究竟是什麼原因,最後大家得到的一致結論這是
因為在試管爆破的這段時間裡,泡利在坐火車經過哥本哈根時在車站裡停留了5分鐘的緣
故。

  海森堡的博士論文險些沒有通過,這還是因為對實驗知道的太少了。當主考人問他最
簡單的顯微鏡和望遠鏡的分辨本領的問題時,他都瞠目結舌,後來乾脆連電池的工作原理
都搞忘了。幸虧索末菲奮力地替這位高足辯解,他才狼狽地通過考試,不過至此以後,他
就開始關注實驗了。

  然後海森堡來到了哥廷根大學,這所大學首先是以數學聞名的。赫赫有名的數學王子
高斯,大數學家克萊因,二十世紀公認的數學領袖希爾伯特均出此門。著名的理論物理學
教授玻恩門下也聚集了一批優秀的青年精銳,當然最出色的就是海森堡。

  玻恩和索末菲是兩類完全不同的人物。索末菲學識淵博,對物理學的各個分支都極有
研究,玻恩則以深厚的數學功底名動物理學界。索末菲最喜歡和學生們坐在咖啡館裡隨意
地探討深刻的物理問題,玻恩則寧願整日伏在寫字桌前苦思冥想。但是他們兩人無疑都是
第一流的學者,用海森堡自己的話說:在索末菲那裡學到了物理,在玻恩那裡學到了數學
,而在玻爾那裡學到了哲學。

  24歲的海森堡已經對量子力學的前景頗有見地。但是當他聽說薛定諤也搞出一套當然
大吃一驚,他倒不是擔心被人搶先了,而是兩個人的量子力學怎麼也扯不到一塊去,很可
能兩個人的解釋都要完蛋了。

  他決定在短暫的暑假裡把自己的工作好好整理出來。正好他得了急性麻疹,臉腫得猶
如馬蜂蟄過一般。玻恩毫不猶豫地讓海森堡去赫爾果蘭島上去療養一段時間。

  這是天賜的機緣,如果他仍留在學校里和同學們討論的話,一定會使頭腦更添混亂的
。在學術研究上固然討論不可缺少,但適期地將自己隔離也會取得意想不到的效果。

  這裡陽光明媚,空氣清新,晚上激盪的濤聲徹夜難消。島上海森堡遇到的不是憨厚的
漁夫,就是來旅遊的外地人,連話都聽不懂,更遑論學術交流了。

  一天夜裡,島上捲起了駭人的風暴,海森堡幾次想關上窗戶入睡窗戶都被刮開。後來
海森堡乾脆披起衣服決定幹個通宵。

  昏黃的燈泡被吹得搖搖擺擺,牆上海森堡的影子顯得分外高大。他奮筆急寫,很快就
要導出最後的結果。這時牙也咬緊了,頭髮緊張地都要豎起來。

  但是最後的結果還是把他嚇得幾乎從床上跌下去。稿紙上最後一行赫然寫着:

  “MN≠NM”

  更簡單的說法就是一乘以二不等於二乘以一,還能找到比這更荒謬的麼?

  第二天他就急忙回到學校問玻恩究竟是怎麼回事。玻恩在數學上浸淫多年,眼光何等
銳利。他當即就拍了一下海森堡的腦袋,喜形於色地說道:“你終於找到了,這就是矩陣
呀。”

  所謂矩陣就是把數字擺成方塊,它也有自己的加法,減法和乘法。離奇的是它不滿足
一般的交換性,比如一乘以二不等於二乘以一。

  海森堡接下去的推理的結果更是離奇,不過就此揭穿了量子力學最基本的性質,這就
是著名的“測不準原理”。比如微觀中的電子,你如果想精確描述它的位置的話,就休想
知道它的運動速度;反之,如果你精確測得它的速度的話,它的位置又變得不固定了。這
決不是實驗手段不夠先進,而是自然界的面目本來如此。

  海森堡思前想後還是決定把這篇論文交給老友泡利過目。他費了好大勁才抑止住自己
買盒高級巧克力“賄賂”泡利的想法。他當然深知老友的喜好了,他更知道如果過不了泡
利的那一關一切都是白搭。

  不過泡利這次不僅展示出難得的高姿態,而且素以悲觀主義著稱的他亦逢人就講,海
森堡的量子力學簡直給了自己生活下去的勇氣。

  海森堡的理論叫“矩陣力學”,和薛定諤的波動力學針鋒相對。不過他的矩陣運算過
於繁難,人們更傾向於解波動方程。然而是海森堡最先悟到量子力學的基本原理,可以說
和薛定諤打了個平手。看來形勢是一片大好。但我們仍聽到這樣的話:

  “量子力學很象這樣的一種勝利:它讓你先是笑上兩個月,然後再哭上一年。”

  另一個人哀嘆道:“如果真存在所謂的幾率解釋,我就絕對不能原諒自己搞過量子理
論!”

  第三個人在回憶錄中承認:“這只是剛開始,我們逐漸進入非常痛苦的境地,神經都
要崩潰了。”

  第四個人(乾脆說明這是愛因斯坦,用第一,第二這樣的代稱未免太不恭敬)搖頭道
:“我簡直象一隻鴕鳥,為了不看到量子那醜惡的面孔,寧願把頭扎入沙堆中。”

  說這些話的人都不是藉藉無名之輩,而當時公認的先鋒。說量子力學最終帶來痛苦的
是玻爾的首席助手克拉姆斯,哀嘆的人就是薛定諤本人,承認緊張的人則是海森堡。

  這時量子力學的第一前沿轉移到玻爾的研究所來了。

  海森堡一到玻爾研究所就深深喜歡上那裡。所里的學術空氣的自由氣氛是前所未遇的
。一群激昂的年青人有的站着,有的坐在桌子上高談闊論,而老成的玻爾規矩地坐在第一
排記筆記。他一般不率先不發表言論,連他自己都認為自己的思維太慢,跟不上他們的步
伐。

  雖然每一項的討論都是玻爾收底,然而還是有一些狂傲的學生指着這位諾貝爾獎金獲
得者的鼻子大聲說他絕對不了解自己的思想。

  玻爾毫不介懷,因為他明白,到明天早上所有的人都會領悟到只有自己最後提出來的
解決辦法才是唯一合理的。

  饒是如此,玻爾出名的駑鈍成為學生們茶後的談資。玻爾為了調劑學生們的生活經常
自己掏錢請大家看電影。可是和玻爾看電影是頂無趣的。在滿腦子哲學思想的玻爾眼裡所
謂最好的電影無非是“懶漢農場大戰”和“寂寞的守林人和印第安姑娘”之類的片子。大
家看了兩遍之後就膩透了,可是玻爾看到第四遍還在向邊上的人問諸如“這個人是不是那
個牧童的姐姐”,“是那個牧童開槍打死了那個想偷他姐夫牛群的印第安人麼”之類的問
題。

  大家在研究所里一般都工作的很晚,好心的玻爾囑咐茶房定時地送來咖啡,除此以外
,玻爾還自告奮勇地給大家講帶有哲學意味的笑話,結果通常使得本就疲勞的人們更是哈
欠連天。

  要麼就是找到報紙上的字謎遊戲和大家一起猜,一般人猜一會就沒了興趣,可玻爾在
這件事上也很認真,常常不解不休。

  一天深夜,大家都睡得迷迷糊糊,驀地玻爾的腦袋從門裡伸出來,高興地向人們歡呼
道,我找到了。大家頭腦中都浮現出當年的阿基米德從浴缸里裸身跑出的一幕,精神俱皆
一振,但是玻爾後頭壓低聲音說的話讓所有人都哭笑不得,原來他只不過是想說那個以ic
h三個字母結尾的單詞原來是英國工業城市Ipswich.

  玩笑歸玩笑。不過研究所的每一個人從內心來講都是對玻爾都是極端尊敬的。他慈祥
得象父親,隨意得象兄弟,到哪裡找的到這樣的夥伴領導呢。

  當時的物理學家們都有一種從天上落下的虛空之感,他們一直是踩在牛頓力學的堅實
土地上的,這一次當真是天翻地覆了。

  最忙碌的還是玻爾那裡的人了,他們被兩種性質完全不同的量子力學攪昏了腦袋。最
好還是讓兩種學說的創始人親自見一下面吧。

  鑑於海森堡本人就在研究所,玻爾向薛定諤本人發出了邀請信。

  1926年9月,薛定諤抵達哥本哈根。很多物理學家,還有一些業外人士都跑來看熱鬧
,這下就可以一證真偽了。

  在此之前,可以想象海森堡和薛定諤之間進行了怎樣一場口誅筆伐。海森堡說一提起
無聊的薛定諤方程就感到淺薄,而薛定諤指出海森堡那種複雜的矩陣理論不過是一種賣弄
,至於所謂的測不準原理簡直滑天下之大稽。

  海森堡原本指望找好友泡利上前助陣的,他本身就是一柄利劍。何況挑剔的泡利是從
不可能同時信仰兩種理論的。可是一貫正確的泡利在審查完薛定諤的理論後,唉聲嘆氣地
告訴海森堡自己委實愛莫能助。看來連泡利都快被整瘋了。

  但是海森堡這邊的勢力顯然是壓倒多數,研究所的兄弟們都支持他,包括威望了得的
玻爾;而薛定諤是單身一人來應戰的,陪他的只有那副戴了一生的寬邊眼鏡。

  可是很快就發展成戲劇性的結果。薛定諤被一群人瘋狂質問了兩天兩夜,始終沒有屈
服,但是雙拳難敵四腿,只好躲到旅館掛起了免戰牌。海森堡他們本以為幾天后這個倔人
就會投降了。可是經過薛定諤幾天在旅館裡徹夜不眠的計算後,他憑藉紮實的數學功底居
然證明了兩種表述居然是等價的。他和海森堡兩個人就象用兩個民族的語言描繪一件事而
已。

  海森堡和一幫支持者大大地泄氣了,而薛定諤則趾高氣揚地出入討論會,竭力地向大
家推廣他的新理論。

  很快另一個里程碑似的喜訊傳來,玻恩,海森堡的老師在哥廷根大學提出了著名的幾
率解釋。

  他找到長期困繞人們的ψ的根本意義,那就是ψ絕對值的平方代表了在空間那一點,
那個時刻電子出現的幾率,僅此而已。

  這篇幾百字的短文使他獲得1954年諾貝爾物理獎,可是這個觀點意義極為深刻,可以
說是整個量子力學的核心。

  薛定諤當然不能接受這個觀點,他向來認為ψ是一種實在的物質波,和電磁波沒有什
麼區別,而電子就在波上起伏,就象坐在馬鞍上的騎手一般。

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