量子物理史话-量子幽灵的诞生

Philosophyer
2018-04-28 18:58:31

决战量子之巅-索尔维会议参会人员合影 读过一本非常棒的书-《上帝掷骰子吗?量子物理史话》,它让我们有机会感受那个“物理学上最激动人心的篇章,我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌,却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。” 引子 爱因斯坦:波尔,亲爱的上帝不掷骰子! 波尔:爱因斯坦,别去指挥上帝该怎么做! 霍金:上帝不但掷骰子,他还把骰子掷到我们看不见的地方去了! 故事从一个验证了电磁波存在的实验说起,电磁场论由此彻底建立。伟大的法拉第为它打下了基础,伟大的麦克斯韦建造了它的主体,伟大的赫兹为这座大厦封了顶。不过,在这个非凡的实验中,赫兹还忠实的记录了下了一个他百思不得其解的现象,并写成了一篇论文。可想而知,它没有引起太多人的注意,也没有人领会它的真正意义。“连赫兹自己也不知道他已经亲手触摸到了量子这个还在出沉睡的幽灵,虽然还没能将其唤醒,却已给刚刚达到繁盛的电磁场论安排下了一个可怕的诅咒。”只不过它还要等待开启它的那两个人的到来。 1887年,基尔霍夫在柏林去世,亥姆霍兹推荐赫兹继任。认为柏林太过喧嚣的赫兹拒绝了他的老师。后者还写信勉励自己的学生:“一个希望与众多科学问题搏斗的人最好还是远离

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决战量子之巅-索尔维会议参会人员合影 读过一本非常棒的书-《上帝掷骰子吗?量子物理史话》,它让我们有机会感受那个“物理学上最激动人心的篇章,我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌,却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。” 引子 爱因斯坦:波尔,亲爱的上帝不掷骰子! 波尔:爱因斯坦,别去指挥上帝该怎么做! 霍金:上帝不但掷骰子,他还把骰子掷到我们看不见的地方去了! 故事从一个验证了电磁波存在的实验说起,电磁场论由此彻底建立。伟大的法拉第为它打下了基础,伟大的麦克斯韦建造了它的主体,伟大的赫兹为这座大厦封了顶。不过,在这个非凡的实验中,赫兹还忠实的记录了下了一个他百思不得其解的现象,并写成了一篇论文。可想而知,它没有引起太多人的注意,也没有人领会它的真正意义。“连赫兹自己也不知道他已经亲手触摸到了量子这个还在出沉睡的幽灵,虽然还没能将其唤醒,却已给刚刚达到繁盛的电磁场论安排下了一个可怕的诅咒。”只不过它还要等待开启它的那两个人的到来。 1887年,基尔霍夫在柏林去世,亥姆霍兹推荐赫兹继任。认为柏林太过喧嚣的赫兹拒绝了他的老师。后者还写信勉励自己的学生:“一个希望与众多科学问题搏斗的人最好还是远离大都市”。至理名言,怪不得国科大要来雁栖湖这里。顶替他去柏林的那个人命中注定会将会唤醒这个幽灵,而解决那个奇怪想象的人又注定将它带到整个欧洲上空进而涤荡一切! 1900年,开尔文男爵发表了著名的关于物理学中两朵乌云的演讲,乐观地认为“在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云”。可是第一朵乌云最终导致了相对论革命的爆发(那又是另一个激动人心的故事了),而第二朵导致了量子论革命的爆发。 那个顶替赫兹的人,正是普朗克,他将个那个幽灵从乌云中释放了出来。这朵乌云麻烦之处在于它使我们处于一个尴尬的境地,我们有两套公式来描述黑体辐射与温度的关系。然而它分别适用于短波与长波,并且这两个公式推导的前提是截然不同的-一个是微粒观点,一个波动观点。“长波还是短波,那是个问题。” 堆满了草稿的办公室里,为无法调和两个公式的普朗克决定先不管什么根本的假定与推导,先凑出一个满足所有波长的普适公式来,其他问题,以后再说。结果还真无意中凑出来了。经验证,公式与实验完全符合。可是,他又处于了尴尬的境地,没想到这个完全是侥幸拼凑出来的公式居然有这样强大的威力。当然,他知道,公式的成功绝不仅仅是侥幸,背后一定有普适的原则和假定支持着这个公式。而他必须把背后的物理意义找出来。 不过,饶是如此,当他终于理解了公式背后包含的意义之后,还是惊讶的不敢相信和接受所发现的一切。那一年的12月14日,普朗克在柏林宣读了黑体辐射的论文,量子论诞生,其年42岁。就在那一年,一个叫阿尔伯特•爱因斯坦的青年刚大学毕业,正为将来的生活发愁。丹麦,15岁的尼尔斯•波尔正在哥本哈根的中学里读书。比波尔小两岁的欧文•薛定谔正在维也纳一所著名的高级中学上学。马克思•波恩正梦想着成为一名天文学家。路易斯•德布罗意当时8岁。沃尔夫冈•恩斯特•泡利才出生8个月。再过12个月,一个叫海森堡的孩子才呱呱坠地。稍早前,罗马一位公务员把他的孩子命名为恩里科•费米。20个月后,保罗•狄拉克诞生于英国布里斯托尔港。汉诺威的帕斯库尔•约尔当紧随来到人间。谁,费曼?估计还是分子状态,散落在世界各地。这些人中的大部分将参与物理学中的那场华山论剑-决战于索尔维会议。 赫兹观察到的那个现象被后面研究者称为光电效应。这个诅咒让其他人觉得难以它与麦克斯韦理论相融,而麦克斯韦方程组就像黄金刻出的《圣经》,每个字母都是那么的神圣而不可窜改。没有最聪慧和最大胆的眼光是无法解决这个问题的。巧的是,科学史上最聪慧和最大胆的传奇人物恰恰生活在那个时代。1905年,请记住这个年份,爱因斯坦读到了普朗克早已被其他人冷落的论文,量子化的观点深深地打动了他。他天才般地将其运用到了光电效应中,提出光量子概念,还起了个谦虚的名字《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。这篇文章为他赢得了诺贝尔奖,也开创了量子论的全新时代。回到正题,光不是电磁波吗?光量子又是什么?由此又引使得第三次波粒战争一触即发。第一,第二次波粒战争,涉及到你所知道的几乎所有的那些科学家,时间跨度从古希腊到上个世纪,这场关于光本性问题的争论使我们看到了一代又一代最杰出的科学家们那种对真理不懈追求的纯粹精神,你会惊叹于一个又一个天才思维的碰撞。这场论战仿佛笑傲江湖中华山派剑宗和气宗高手间过招一般。爱因斯坦是那个风清扬吗?似乎有些像,最后索尔维会议上决战双方又分成了以爱因斯坦和波尔为首的两派。大名鼎鼎的薛定谔的猫就是那个会议上提出的。 1666年,在乡下老家躲避瘟疫的23岁的牛顿一个人独立完成了几项开天辟地的工作。人们只能用奇迹年来表示这一年。1905年的爱因斯坦写出了六篇论文:3月18日,成为量子论奠基石之一的光电效应的文章。4月30日,使他获得博士学位的测定分子大小的论文。5月11日和12月19日,成为分子论里程碑的两篇关于布朗运动的论文。6月30日,《论运动物体的电动力学》,即狭义相对论。9月27日,关于物体惯性和能量的论文,提出质能方程E=mc2。“单单这一年的工作,便至少配得上3个诺贝尔奖。相对论的意义是不是诺奖所能评价的还很难说。”这里插一句,诺奖并没有奖励爱因斯坦的其他更高的成就如相对论。而且,爱因斯坦是在1923年领的1922年授予他的1921年的诺贝尔奖金。那又是另一个关于相对论-可以和量子物理一样激动人心-的故事了。 大数学家费马提出费马大定理时,在旁边写下了这样的句子“我已经想到了一个绝妙的证明方法,可惜这里地方太小,写不下了”。这人忒可恨了,后面的无数数学家花了几百年都没能解决,直到数学家怀尔斯冒着很大的风险独自一人花了数十年的时间才得以证明。同样,量子论后面还有更精彩的故事,如德布罗意波的提出,海森堡矩阵力学、不确定性原理的提出,情人无数的薛定谔以及与情人度假获得灵感的故事,不愿和女人说话的狄拉克,爱因斯坦都怕的毒舌泡利,爱因斯坦这派与波尔为首的哥本哈根学派量子之巅的决战。可是这里地方太小了,写不下了。 谨以此文献给那些追求真理的人,那群最可爱的人。

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