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十大物理实验(八)暨量子力学史话(4)
送交者: ZNB 2003年10月27日17:46:59 于 [教育学术] 发送悄悄话

  他本指望趁此声威正旺之际将玻尔研究所的人一举制服。但是长期沉默的玻尔终于狮
子般地站了出来,他一直在寻找对ψ的合理解释,现在玻恩的理论一出来,他心里就起了
朦胧的念头:量子力学终于要出世了!!

  他认定当务之急就是要说服薛定谔接受几率观点。这下薛定谔可是要吃苦头了,因为
玻尔的“痴”是出了名的。

  尽管薛定谔曾经毫不畏惧地和一帮激动的年青人大声论战,但这一次仅玻尔一人就把
他整得服服帖帖,他不用什么尖刻的言语,也没有颇具说服力的实验,更没有特别完美的
数学理论,一切还来不及准备,但他整天一见到薛定谔就絮叨地说个不停,不管是吃饭,
还是散步。

  研究所里的人都在猜测,这次玻尔是八成找到方向了。他对那些五花八门的新理论向
来是不置可否的,但是这次显然是动真的了。玻尔这个人的物理直觉之强当世无匹,虽然
他向来反应迟钝,但是他认准的东西一般都是绝对正确的,即使包括泡利在内的所有人都
反对。

  薛定谔不得已只好故技重演,称病遁入旅馆,这几天真是把教授累坏了,他很快坠入
梦乡。没过多久他就听见窗户外面有异响,薛定谔大惊失色准备大喊有贼,可是刚开灯就
看见玻尔那闻名的大鼻子紧紧地贴在玻璃上,天知道他那肥胖的身躯是怎么爬上二层楼的


  没等玻尔开口说话,薛定谔那声在历史上留名的牢骚震动了全楼:“要是早知道我的
理论会变成今天这个样子,还不如当初就不发现它呢!”

  玻尔尽管在窗外冻得直哆嗦,但还是慢条斯理地回答道:“先生可千万别泄气,全人
类都会感谢你在量子力学上的贡献呢!”

  第二天的结果是打着喷嚏的玻尔和双目红肿的薛定谔双双携手走进了餐馆。大家都认
为两人要和解了,不禁都松了口气。连一直绷着脸的泡利也稍展了一下眉头,要是事情再
不解决自己真的要疯掉啦。两派宗师一但携手,量子力学彻底建立就指日可待了。

  薛定谔咽下最后一块奶酪,细心地擦净了嘴上的油渍,缓缓说道,今天我就要回去了
。玻尔一愣,以为对方终于屈服了,正准备开口诚心邀他加盟研究所时,却听薛定谔冷冷
地道:你们的几率观点我是怎么也接受不了的,虽然我也说服不了你们。多谢你们这几天
的款待。

  言毕,教授就卷起皮箱,扶正了眼镜,头也不回地迈步走了出去,夕阳在他身后划下
斜斜的影子,只留下玻尔还在那里张大了嘴发呆。

  研究所的人沉默了好几天,用海森堡后来的话说,当时真的都绝望了,他们都明白既
然说服不了薛定谔,那就别指望说服其他更多的人。

  更何况他们自己的理论还尚成不了体系,漏洞之多就更别提了。而且他们就仅有的一
点苗头来看,量子力学这个即将诞生的婴儿简直就是畸形。它所展现的世界就简直是歪曲
而不可理喻的。

  一次海森堡和玻尔一起默默地散步了很久,突然海森堡说道:“难道整个世界本来就
是如此荒诞不经的么?”

  玻尔先是摇头,又重重地点了两下。

  整个研究所的人进入最紧要的关头。饭固然是经常忘了吃,人们常常走路都是摇摇晃
晃的,说话也是前言不搭后语。按照海森堡的回忆,人们纵使跌倒在地都不会忙着爬起来
,而宁愿就这样躺着思考几个小时。

  不过,人们在苦闷之中总是要找些欢乐的,玻尔本人就是十分开朗达观的人。这时人
们在也不再挑剔他的笑话无趣了,玻尔也常常说,我们探讨的事物实在太严肃了,严肃到
只能和它开开玩笑。

  大腹便便的泡利总是奇迹般地发挥他的妙用,这当然不仅是他那锋锐的思想,而更是
在研究所内一号丑角的身份。每当海森堡一本正经地在黑板上讲述他的最新思想时,墙角
处就出现尖利的反驳声。于是在众人的惊愕中,身著宽大袍衫的泡利粉墨登场,他总是爱
引征浮士德里的诗句来阐明自己的看法。看上去他更象是歌德笔下那个灵魂出卖给魔鬼了
的哲人,只不过胖得有些匪夷所思。

  有时苦无出路的人们心中竟然升起这样的念头:如果真的能获得对量子力学真正的诠
释,纵使把灵魂出卖给靡菲斯特也是不妨的。

  几次人们隐隐找到希望,但泡利毫不费力地就戳破了。渐渐泡利成了人民公敌。一次
,当来自俄国年轻的波拉柴科在黑板上津津有味地讲述他的新想法时,泡利庞大的身影出
现在门口。可怜的小伙子立时缄口不言,泡利不紧不慢地在屋里踱来踱去,几次他都以为
泡利要从墙后消失却都又转了回来。

  事后满头大汗的波拉柴科在晚餐上向人们叙述自己的险情,大家纷纷点头,均是心有
戚戚焉。

  慢慢地事情有了转机,这还是最先由海森堡突破的。他的着眼点是那个荒诞的测不准
原理。

  让大家相信这样的一个理论当真勉为其难,如果在微观体系里连最基本的物理量都测
不准,还要我们这些物理学家干什么。更何况这个原理引申出的东西更是闻所未闻,它指
出我们不管测量什么东西,是永远不能测出真正的结果的,这和测量人本身的主观因素有
关。

  物理学自诞生以来就是纯粹客观的,当年为了把唯心主义从物理学中赶出去,从哥白
尼到牛顿,一代代伟人付出多少心血,更有布鲁诺甚至把生命都丢在了宗教裁判所。难道
一切都还要重新找回来?

  只有玻尔从心里支持海森堡的理论。但是海森堡一时也找不来证据,一直就这么僵持
着。

  这段时间拌嘴最多的莫过于海森堡和泡利这两员干将了。虽说仅是学术上的探讨,但
是都是年轻的小伙子,争来争去总会上火的。泡利的言语又是出了名的尖刻,一次竟然翻
起了海森堡的老底,说他在博士答辩时连显微镜的构造这类简单的问题都回答不上来。

  海森堡突然沉默了。

  泡利脸一红,知道这次说过了分,正想低头认个错。哪知海森堡头也不回就朝图书馆
奔去,边跑边喊:“泡利,这是我们两个拌嘴这么多年来你说的最有价值的话了!。”

  当晚的讨论会气氛沉闷,几乎每天都有新想法的海森堡一直坐在最后默默地想着什么
,大家的发言也是无精打彩,玻尔看看手表正准备宣布散会。

  这时海森堡突然站了起来,“且慢,先生们,我有话说。”

  他径直走到黑板跟前写上“测不准”几个字,大家本来都是精神一振,但是见此又皆
萎顿了下去,海森堡在这块黑板上不知把这几个字写过多少遍了,接下去不说也知道,无
非是花样繁多的公式推导,然后很快被泡利的法眼寻出破绽了事。

  可是这次海森堡在字下面画了一个大大的显微镜,没等大家反应过来,他就侃侃而谈


  假设一个抽去所有东西的真空的房间,我们用一个放大倍数极大的显微镜观察一束光
入射进来的情况。

  如果光撞到电子上会出现什么情况呢?我们观察电子是需要光才能看见的,如果我们
观察到电子的真实位置,那么它一定会在光的撞击下摇摆不定,也就是说我们无法测定它
的速度。

  为了减少光的影响,我们特意用频率较低的光,这样电子就会晃动的好一些,可以精
确测量它的速度,但是频率变低导致光的波动性见强,我们看到电子的位置在光的衍射之
下模糊不清。

  总之我们是绝对不能同时测准电子的位置和速度的,设备再先进也不行,不光位置和
速度是测不准的,时间和能量也满足这个奇妙的关系。

  然后海森堡又用复杂的几乎可怕的数学对自己的“实验”结论进行了证实,他的理论
可以计算出电子在空间任意一点的几率。

  连同泡利在内,大家都被海森堡的套拳打昏了头。但是这个“思想实验”无疑是精巧
完美的,颇具说服力。泡利垂下头想起几小时前的情形,哑然失笑,想不到自己最有力的
批判却是来自那最尖刻的话语。

  量子力学的中心思想既然被牢牢地揪住,那么整个理论的成熟就为期不远了。

  最后集大成的是玻尔,他不仅整理了研究所里的全部成果,而且更深刻地提出了著名
的互补原理。

  世界上的真理都是有两面的,只有把这两个性质截然不同的面结合起来看,我们才能
真正认识到这个事物的全部,单看任意一面都是不够的。

  玻尔把量子力学的根基建立在自己的互补哲学上,这引起的轩然大波却是始料未及。
在玻尔的哲学里,我们对这个世界的认识只能是几率性的,也就是说,我们只能预言任何
一个事件发生的几率,而不能百分之百地准确断言,这决不是我们的理论不够发展或者实
验条件不成熟的缘故。

  还记得拉普拉斯在拿破仑面前的豪言壮语吗?陛下,只要给够了宇宙的初始条件和边
界条件,我一定能够计算出宇宙任何一点任何一个时刻发生着什么事情。

  这是多么完美的一个目标呀。古今多少物理学上的勇士跋艰涉险,目标就是获得对这
个世界的确定性的完美诠释,尽管路途险狭,但是光明的前景始终召唤着人们。然而玻尔
将这美好梦想一举砸灭。

  难道我们始终还是在逆天行事,上帝的秘密终究不可破解?这对绝大多数物理学家来
说,如同是玷污了他们的神祗不可饶恕。

  玻尔他们费劲心力也没能说服薛定谔,但是总算将他“撵”出哥本哈根,因为他也实
在提不出什么有力的反证。

  不过玻尔也不算彻底地成功,他们虽然赶走了一只小豹,但迎来了另一只雄狮,那就
是爱因斯坦。

  爱因斯坦对哥本哈根那帮人自始至终都是持反对意见的,甚至是深恶痛绝的。

  从来没有一种理论象量子力学一般出世如此艰难,而且躺在婴儿床上就面临着被扼杀
的命运。

  最后出场这个人物也颇有传奇色彩,他的名字叫做狄拉克。

  当二十年代初,这个英国小伙子获得布里斯托尔电气工程学位后正准备雄心勃勃地找
份工作时,却发现自己失业了。当时正值全球经济危机猖狂蔓延的时候,别说是个他一个
刚出道的学生,就是连很多腰缠万贯的老板,也通常在一夜间变得家徒四壁。

  他不得不向剑桥大学的圣约翰学院请求一个博士学位,原指望躲过这几年大萧条的风
头的,可是他一旦转入物理学的研究,就发现自己难以自拔。

  狄拉克本身就是一个孤僻寡言的人,在大学里最喜欢的事情就是在沉思默想。他基本
上没有别的爱好,这和量子力学的其他建立者大有不同。

  玻尔生就是个运动健将,海森堡的钢琴更是出神入化,泡利虽为人滑稽,但是对歌德
的作品极有研究,德布罗意本身就有文学硕士学位,薛定谔不仅善于作诗,而且在生物学
上也造诣颇深。而狄拉克只能对着书本和公式发呆。他在学校里唯一参加过的协会名字叫
做“ψ协会”,是由物理爱好者组成的,但是他也没想到物理终究会成为一生的职业。

  他深厚的数学功底,敏捷的才思都是学界公认的。一次在哥本哈根的物理学会议上,
一个名叫西名的日本物理学家作报告。他不厌其烦地在黑板上列排了无数复杂的公式,连
素以数学见长的玻尔都看花了眼。

  人们沉闷地听了半天,突然狄拉克站起来,指出最后导出的公式中括号里的第四项符
号应为负号。西名大吃一惊,难道他事先推导过么,可是这个公式是自己第一次展示呀。
狄拉克很肯定地说,一定错了,你刚才在某个地方弄错了符号,而且是一共用错了奇数次


  事后一查当真如此。

  但是他本人自认为最重要的发现却成了最大的笑柄。那还是在他和一位教授太太闲谈
的过程中他一直盯着女士打毛衣的手。夫人抬起手来很惊讶的问,博士,您又有什么新发
现么?他半天不言语,然后一拍大腿叫道,我找到了另外一种织毛衣倒着用针的方法。当
夫人迷惑地看他用手比画了半天的之后,禁不住大笑起来,原来“顺织”和“反织”是妇
女中流传几百年的织法。

  狄拉克早期最重要的贡献是提出“狄拉克方程”,它第一次把量子力学和狭义相对论
统一了起来。不过这个方程导出一个很大的问题,就是在数学上预言出还存在一个和我们
这个世界完全相反的“负”世界,在这个负的世界里,所有的物质都具有负的质量和负的
能量。

  更奇怪的是在那个世界里如果我们想把物体朝前推,则必须向后使劲。两个物体如果
撞到一起,不仅不会各自弹开,反而会以更快的速度一起向前奔去。

  而且这些性质怪异的反物质不仅仅是存在于宇宙某个不为人知的角落里,而是就充斥
于这个世界的每一角落。按照狄拉克的说法,我们所在世界的所谓真空都是整整齐齐地布
满了反物质的组成元素之一正电子海,这就是所谓的狄拉克海。

  刚开始大家谁都没有把它当回事,这不过是狄拉克为他的理论所虚拟的假象而已。然
而在1931年,美国物理学家安德尔森在研究宇宙射线中的高能离子束,为了测得电子的运
动速度,他把电子引入一个强磁场中,结果电子一半顺时针旋转,一半逆时针旋转。这两
类电子性质完全相反,如果碰在一起就会瞬时湮灭成光。

  后来人们在能量极高的加速器中还观察到反质子,反中子,如此一来反物质的要素就
找全了。但是我们至今也不能在宇宙中确认哪个地方存在反物质,如果有的话,它和我们
这个空间接触的边缘一定会发生惊心动魄的大爆炸。试想正反物质一旦碰在一起就会是质
量就会象一减一等于零一般灭于无形的,根据爱因斯坦的公式“E=mc2”释放出的能量委
实可怖。

  但是现在宇宙中还没有发现这种爆炸,可能我们的观测范围是不够的,要么就是上帝
是个偏心眼,他没能创造出和真实世界等量的反物质来,不过这与千百年年来人们所习惯
并依赖的对称美是格格不入的。

  另外狄拉克方程的副产品是推演出电子的自旋。就象地球围绕太阳旋转的同时自身也
在旋转,电子本身也在象一个陀螺一样飞转。最早在1925年由乌伦贝克和高德斯密特提出
的这一观点,他们当时都不过是二十出头的小伙子。当他们的导师外出度假时,两人在一
起合计如何作点让老师惊喜的工作,找来找去最后落到了电子的自旋上。他们忙了几天终
于将稿子写好,并寄给了一本物理学期刊。

  然而导师回来耐心地听完二人的报告后,冷冷地说,你们的想法未免太过天真,难道
没有想过如果电子有那么大的自旋的话,那它的边缘上物质的运动速度就会超过光速了么


  二人恍然大悟,准备追回稿件,但是杂志社回话已经出版了。两人只能尴尬地对笑一
下。

  谁也没把这两人的工作当回事,可当胖子泡利懒懒地坐在躺椅上,随意浏览到这篇文
章时,登时慌着从椅子上跳了下来,原来他这几天一直在为自己的“泡利不相容原理”苦
恼,这篇文章帮了大忙。

  所谓“泡利不相容原理”是泡利研究电子运动时提出的一条神秘的定理:两个运动状
态完全一样的电子是不能处于同一轨道。如果电子仿佛在一条条轨道上飞奔的汽车,按照
泡利这位大肚子交警的规定,一条轨道上是不允许跑两辆小车的。可是偏偏有的电子不守
交通规则,照样两辆车挤在一起。泡利急得抓耳挠腮也没有办法。

  现在就好说了,因为电子有自旋,当然就有顺时针转的和逆时针转的,显然跑在同一
轨道上的电子旋转方向是不一样的,这样一来这两个电子就算不上是状态完全相同,跑在
一起也是不妨的。泡利的原理又得以自圆其说。

  泡利就得意洋洋地在研究所的一次会议上努力阐述他的理论,可是泡利平时就“积怨
”过深,而且那些人稍加分析就可以找到电子自旋的弊病。所以无论泡利怎么舌战群儒,
都丝毫不占上风。

  后来泡利干脆从风衣口袋里掏出一个儿童玩的陀螺,在讲台上转了起来,努起嘴道,
绝对没错,电子就是这个样子的。

  接着包括玻尔在内的一群聪明人都围在讲台上对着陀螺指指点点,有人用照相机记录
下这个珍贵的镜头,至今照片还保存在玻尔研究所里。

  上面可以清楚地看到泡利腆着肚子兀自争个不停,海森堡双目斜睨,一副不屑的神情
,而玻尔则一如既往瞪圆了双眼陷入深思。

  历史证明泡利是对的,我们不能简单地把电子简单看成转动的实体,而自旋更是电子
本身所固有的一种性质,就象它的电荷,质量一样。

  从那个时代到今天又是七八十年过去了,很多风行一时的理论早已烟消云散,又有很
多原被认为亘古不变的真理亦未得善终,但是泡利的不相容原理却始终站稳了脚跟。无怪
泡利一直把自己的不相容原理看成是生平的得意之作。

  到狄拉克这里自然就把自旋概念从方程里引进来了,至此电子自旋之争才算是告以段
落。

  狄拉克后来获得剑桥大学的卢卡斯教授的席位,这是牛顿当年设立并终身担任的,仅
此一点就可以想象狄拉克在英国物理学界泰山北斗般的地位。

  量子力学最后在他手里终于被极为美妙地形式化,成为一套逻辑清晰,结构缜密的一
套体系。他的那本经典著作《量子力学原理》更是对后世产生极为深远的影响。他写的书
最大的特点是简明深奥,要求读的人必须全神贯注。

  当后世的学生们能以最为迅捷明了的方式掌握量子力学时,实在是应该感谢这位大宗
师的。

  不管怎么说,一切关于量子力学的问题都将在1927年的深秋举行的第五次索尔维会议
上作个了断。

  出席这次会议的共有32位,他们中很多都是诺贝尔奖金的获得者,包括洛伦兹,普朗
克,爱因斯坦,玻尔,玻恩,德布罗意,薛定谔,索末菲,德拜,海森堡,泡利,狄拉克
等等。从二十岁到七十岁的都有。

  还是在第一次索尔维会议上,洛仑兹就吹响了向微观世界进军的号角。十六年过去了
,洛仑兹在有生之年看到新力学诞生的愿望达到了,但是老人出人意料地非常不满意:

  “在我看来,电子仅仅是个粒子,它在确定的时间,一定处在一个确定的位置,如果
有人企图用可笑的几率观点来解释它,那是绝对错误的。”

  出席会议的学者中和老洛仑兹持同一观点的人实是大有人在。他们不停地鼓掌。

  老人越说越激动,“我再也不会相信,现在所谓的科学还会与客观事实相符合。我也
不知道我为什么还活着,我只遗憾自己没在五年之前死去,那时这些讨厌的东西至少还没
在我眼前出现。”

  老人在为经典物理作最后几乎悲壮的辩护。

  玻尔沉默不语,他只瞥了一眼坐在左边的爱因斯坦。这时的爱因斯坦早已威名赫赫,
但他也是一言不发,只是不停地摆弄着手中的大烟斗。

  一直令玻尔惴惴不安的便是此君。在此以前他曾经几次征询过爱因斯坦对量子力学的
看法。即便驽钝如玻尔很快也明白爱因斯坦是这种新兴力学最大的敌人,他曾几次在公开
场合幽默地宣称:上帝是不掷骰子的。爱因斯坦是笃信上帝一定会给出确定性的解,而不
会含糊其词的。

  更令玻尔不安的是海森堡和泡利两员大将都还没到。他们出发已经足一个礼拜了呀。

  正迟疑间,忽见一高一胖的两个人影从侧门悄悄晃了过来。不用说就是他们两个了。
但是一见面玻尔还是吓了一跳,两人俱皆蓬头丐面,胡子也象很久没有刮过了。

  原来这二人在转车住旅馆时争论地忘了形,被小偷光顾,结果连手上的行李到随身的
车票和剃须刀都没保住。两人狼狈之极,偏偏在附近又没有认识的朋友,在火车站辗转流
浪了几天总算赶到了这里。

  他们刚坐定,正式的大辩论就开始了。所有的人都想站起来发言,现场的情形用混乱
不堪来形容是远远不够的。

  在遥远的菲律宾群岛上,有80种不同的语言,有时你跨过田埂就仿佛置身异地,有的
语言一共也就十几个人会讲,1927年的量子力学就是这个情形。

  这场辩论从会场一直持续到咖啡馆里。不管是店主还是服务员都惊讶地看着这群人或
者高声争辩,或者用手蘸着咖啡在桌子上画着些奇怪的符号。

  更有一位教授顺手掏出钢笔就在桌布上演算起来,昏暗的灯光下居然将偌大的桌布写
得密密麻麻,但尽管如此仍未说服他的对手。最后他只得徒然地直起腰,转眼瞥见店主望
着桌布痛惜的神情,走过去拍拍肩膀安慰道,老兄,留着这块桌布吧,这可是有很大的纪
念意义呢!

  当地的新闻记者们也都不明白这些人聚在这里为什么,公园球场里的冠军杯足球赛,
各大剧院上演的最新歌剧,更多地吸引了他们的目光。可是在报告厅里的每一个人,都抑
制不住心头的狂喜,一个全新的量子时代就要到?

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