上帝掷骰子吗-量子物理史话-第18部分
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小球的 话，在麦克斯韦体系里是不稳定的，再说也违反相对论——它的表面旋转速度要高于光速 。 到了1925年秋天，自旋的假设又在荷兰莱顿大学的两个学生，乌仑贝克（George Eugene Uhlenbeck）和古德施密特（Somul Abraham Goudsmit）那里死灰复燃了。当然，两人不 知道克罗尼格曾经有过这样的意见，他们是在研究光谱的时候独立产生这一想法的。于是 两人找到导师埃仑费斯特（Paul Ehrenfest）征求意见。埃仑费斯特也不是很确定，他建 议两人先写一个小文章发表。于是两人当真写了一个短文交给埃仑费斯特，然后又去求教 于老资格的洛仑兹。洛仑兹帮他们算了算，结果在这个模型里电子表面的速度达到了光速 的10倍。两人大吃一惊，风急火燎地赶回大学要求撤销那篇短文，结果还是晚了，埃仑费 斯特早就给Nature杂志寄了出去。据说，两人当时懊恼得都快哭了，埃仑费斯特只好安慰 他们说：“你们还年轻，做点蠢事也没关系。” 还好，事情并没有想象的那么糟糕。玻尔首先对此表示赞同，海森堡用新的理论去算了算 结果后，也转变了反对的态度。到了1926年，海森堡已经在说：“如果没有古德施密特， 我们真不知该如何处理塞曼效应。”一些技术上的问题也很快被解决了，比如有一个系数 2，一直和理论所抵触，结果在玻尔研究所访问的美国物理学家托马斯发现原来人们都犯 了一个计算错误，而自旋模型是正确的。很快海森堡和约尔当用矩阵力学处理了自旋，结 果大获全胜，很快没有人怀疑自旋的正确性了。 哦，不过有一个例外，就是泡利，他一直对自旋深恶痛绝。在他看来，原本电子已经在数 学当中被表达得很充分了——现在可好，什么形状、轨道、大小、旋转……种种经验性的 概念又幽灵般地回来了。原子系统比任何时候都像个太阳系，本来只有公转，现在连自转 都有了。他始终按照自己的路子走，决不向任何力学模型低头。事实上，在某种意义上泡 利是对的，电子的自旋并不能想象成传统行星的那种自转，它具有1/2的量子数，也就是 说，它要转两圈才露出同一个面孔，这里面的意义只能由数学来把握。后来泡利真的从特 定的矩阵出发，推出了这一性质，而一切又被伟大的狄拉克于1928年统统包含于他那相对 论化了的量子体系中，成为电子内禀的自然属性。 但是，无论如何，1926年海森堡和约尔当的成功不仅是电子自旋模型的胜利，更是新生的 矩阵力学的胜利。不久海森堡又天才般地指出了解决有着两个电子的原子——氦原子的道 路，使得新体系的威力再次超越了玻尔的老系统，把它的疆域扩大到以前未知的领域中。 已经在迷雾和荆棘中彷徨了好几年的物理学家们这次终于可以扬眉吐气，把长久郁积的坏 心情一扫而空，好好地呼吸一下那新鲜的空气。 但是，人们还没有来得及歇一歇脚，欣赏一下周围的风景，为目前的成就自豪一下，我们 的快艇便又要前进了。物理学正处在激流之中，它飞流直下，一泻千里，带给人晕眩的速 度和刺激。自牛顿起250年来，科学从没有在哪个时期可以像如今这般翻天覆地，健步如 飞。量子的力量现在已经完全苏醒了，在接下来的3年间，它将改变物理学的一切，在人 类的智慧中刻下最深的烙印，并影响整个20世纪的面貌。 当乌仑贝克和古德施密特提出自旋的时候，玻尔正在去往莱登（Leiden）的路上。当他的 火车到达汉堡的时候，他发现泡利和斯特恩（Stern）站在站台上，只是想问问他关于自 旋的看法，玻尔不大相信，但称这很有趣。到达莱登以后，他又碰到了爱因斯坦和埃仑费 斯特，爱因斯坦详细地分析了这个理论，于是玻尔改变了看法。在回去的路上，玻尔先经 过哥廷根，海森堡和约尔当站在站台上。同样的问题：怎么看待自旋？最后，当玻尔的火 车抵达柏林，泡利又站在了站台上——他从汉堡一路赶到柏林，想听听玻尔一路上有了什 么看法的变化。 人们后来回忆起那个年代，简直像是在讲述一个童话。物理学家们一个个都被洪流冲击得 站不住脚：节奏快得几乎不给人喘息的机会，爆炸性的概念一再地被提出，每一个都足以 改变整个科学的面貌。但是，每一个人都感到深深的骄傲和自豪，在理论物理的黄金年代 ，能够扮演历史舞台上的那一个角色。人们常说，时势造英雄，在量子物理的大发展时代 ，英雄们的确留下了最最伟大的业绩，永远让后人心神向往。 回到我们的史话中来。现在，花开两朵，各表一支。我们去看看量子论是如何沿着另一条 完全不同的思路，取得同样伟大的突破的。
上帝掷骰子吗——量子物理史话（6…1） 版权所有：castor_v_pollux 原作 提交时间：2003…10…16 22：15：37 第六章 大一统 一 当年轻气盛的海森堡在哥廷根披荆斩棘的时候，埃尔文？薛定谔（Erwin Schrodinger）已 经是瑞士苏黎世大学的一位有名望的教授。当然，相比海森堡来说，薛定谔只能算是大器 晚成。这位出生于维也纳的奥地利人并没有海森堡那么好的运气，在一个充满了顶尖精英 人物的环境里求学，而几次在战争中的服役也阻碍了他的学术研究。但不管怎样，薛定谔 的物理天才仍然得到了很好的展现，他在光学、电磁学、分子运动理论、固体和晶体的动 力学方面都作出过突出的贡献，这一切使得苏黎世大学于1921年提供给他一份合同，聘其 为物理教授。而从1924年起，薛定谔开始对量子力学和统计理论感到兴趣，从而把研究方 向转到这上面来。 和玻尔还有海森堡他们不同，薛定谔并不想在原子那极为复杂的谱线迷宫里奋力冲突，撞 得头破血流。他的灵感，直接来自于德布罗意那巧妙绝伦的工作。我们还记得，1923年， 德布罗意的研究揭示出，伴随着每一个运动的电子，总是有一个如影随形的“相波”。这 一方面为物质的本性究竟是粒子还是波蒙上了更为神秘莫测的面纱，但同时也已经提供通 往最终答案的道路。 薛定谔还是从爱因斯坦的文章中得知德布罗意的工作的。他在1925年11月3日写给爱因斯 坦的信中说：“几天前我怀着最大的兴趣阅读了德布罗意富有独创性的论文，并最终掌握 了它。我是从你那关于简并气体的第二篇论文的第8节中第一次了解它的。”把每一个粒 子都看作是类波的思想对薛定谔来说极为迷人，他很快就在气体统计力学中应用这一理论 ，并发表了一篇题为《论爱因斯坦的气体理论》的论文。这是他创立波动力学前的最后一 篇论文，当时距离那个伟大的时刻已经只有一个月。从中可以看出，德布罗意的思想已经 最大程度地获取了薛定谔的信任，他开始相信，只有通过这种波的办法，才能够到达人们 所苦苦追寻的那个目标。 1925年的圣诞很快到来了，美丽的阿尔卑斯山上白雪皑皑，吸引了各地的旅游度假者。薛 定谔一如既往地来到了他以前常去的那个地方：海拔1700米高的阿罗萨（Arosa）。自从 他和安妮玛丽？伯特尔（Annemarie Bertel）在1920年结婚后，两人就经常来这里度假。 薛定谔的生活有着近乎刻板的规律，他从来不让任何事情干扰他的假期。而每次夫妇俩来 到阿罗萨的时候，总是住在赫维格别墅，这是一幢有着尖顶的，四层楼的小屋。 不过1925年，来的却只有薛定谔一个人，安妮留在了苏黎世。当时他们的关系显然极为紧 张，不止一次地谈论着分手以及离婚的事宜。薛定谔写信给维也纳的一位“旧日的女朋友 ”，让她来阿罗萨陪伴自己。这位神秘女郎的身份始终是个谜题，二战后无论是科学史专 家还是八卦新闻记者，都曾经竭尽所能地去求证她的真面目，却都没有成功。薛定谔当时 的日记已经遗失了，而从留下的蛛丝马迹来看，她又不像任何一位已知的薛定谔的情人。 但有一件事是肯定的：这位神秘女郎极大地激发了薛定谔的灵感，使得他在接下来的12个 月里令人惊异地始终维持着一种极富创造力和洞察力的状态，并接连不断地发表了六篇关 于量子力学的主要论文。薛定谔的同事在回忆的时候总是说，薛定谔的伟大工作是在他生 命中一段情欲旺盛的时期做出的。从某种程度上来说，科学还要小小地感谢一下这位不知 名的女郎。 回到比较严肃的话题上来。在咀嚼了德布罗意的思想后，薛定谔决定把它用到原子体系的 描述中去。我们都已经知道，原子中电子的能量不是连续的，它由原子的分立谱线而充分 地证实。为了描述这一现象，玻尔强加了一个“分立能级”的假设，海森堡则运用他那庞 大的矩阵，经过复杂的运算后导出了这一结果。现在轮到薛定谔了，他说，不用那么复杂 ，也不用引入外部的假设，只要把我们的电子看成德布罗意波，用一个波动方程去表示它 ，那就行了。 薛定谔一开始想从建立在相对论基础上的德布罗意方程出发，将其推广到束缚粒子中去。 为此他得出了一个方程，不过不太令人满意，因为没有考虑到电子自旋的情况。当时自旋 刚刚发现不久，薛定谔还对其一知半解。于是，他回过头来，从经典力学的哈密顿…雅可 比方程出发，利用变分法和德布罗意公式，最后求出了一个非相对论的波动方程，用希腊 字母ψ来代表波的函数，最终形式是这样的： △ψ ＇8（π^2）m/h^2＇ （E … V）ψ = 0 这便是名震整部20世纪物理史的薛定谔波函数。当然对于一般的读者来说并没有必要去探 讨数学上的详细意义，我们只要知道一些符号的含义就可以了。三角△叫做“拉普拉斯算 符”，代表了某种微分运算。h是我们熟知的普朗克常数。E是体系总能量，V是势能，在 原子里也就是…e^2/r。在边界条件确定的情况下求解这个方程，我们可以算出E的解来。 如果我们求解方程sin（x）＝0，答案将会是一组数值，x可以是0，π，2π；或者是nπ。 sin（x）的函数是连续的，但方程的解却是不连续的，依赖于整数n。同样，我们求解薛定 谔方程中的E，也将得到一组分立的答案，其中包含了量子化的特征：整数n。我们的解精 确地吻合于实验，原子的神秘光谱不再为矩阵力学所专美，它同样可以从波动方程中被自 然地推导出来。 现在，我们能够非常形象地理解为什么电子只能在某些特定的能级上运行了。电子有着一 个内在的波动频率，我们想象一下吉他上一根弦的情况：当它被拨动时，它便振动起来。 但因为吉他弦的两头是固定的，所以它只能形成整数个波节。如果一个波长是20厘米，那 么弦的长度显然只能是20厘米、40厘米、60厘米……而不可以是50厘米。因为那就包含了 半个波，从而和它被固定的两头互相矛盾。假如我们的弦形成了某种圆形的轨道，就像电 子轨道那样，那么这种“轨道”的大小显然也只能是某些特定值。如果一个波长20厘米， 轨道的周长也就只能是20厘米的整数倍，不然就无法头尾互相衔接了。 从数学上来说，这个函数叫做“本征函数”（Eigenfunction），求出的分立的解叫做“ 本征值”（Eigenvalue）。所以薛定谔的论文叫做《量子化是本征值问题》，从1926年1 月起到6月，他一连发了四篇以此为题的论文，从而彻底地建立了另一种全新的力学体系 ——波动力学。在这四篇论文中间，他还写了一篇《从微观力学到宏观力学的连续过渡》 的论文，证明古老的经典力学只是新生的波动力学的一种特殊表现，它完全地被包容在波 动力学内部。 薛定谔的方程一出台，几乎全世界的物理学家都为之欢呼。普朗克称其为“划时代的工作 ”，爱因斯坦说：“……您的想法源自于真正的天才。”“您的量子方程已经迈出了决定 性的一步。”埃仑费斯特说：“我为您的理论和其带来的全新观念所着迷。在过去的两个 礼拜里，我们的小组每天都要在黑板前花上几个小时，试图从一切角度去理解它。”薛定 谔的方程通俗形象，简明易懂，当人们从矩阵那陌生的迷宫里抬起头来，再次看到自己熟 悉的以微分方程所表达的系统时，他们都像闻到了故乡泥土的芬芳，有一种热泪盈眶的冲 动。但是，这种新体系显然也已经引起了矩阵方面的注意，哥廷根和哥本哈根的那些人， 特别是海森堡本人，显然对这种“通俗”的解释是不满意的。 海森堡在写给泡利的信中说： “我越是思考薛定谔理论的物理意义，就越感到厌恶。薛定谔对于他那理论的形象化的描 述是毫无意义的，换一种说法，那纯粹是一个Mist。”Mist这个德文，基本上相当于英语 里的bullshit或者crap。 薛定谔也毫不客气，在论文中他说： “我的理论是从德布罗意那里获得灵感的……我不知道它和海森堡有任何继承上的关系。 我当然知道海森堡的理论，它是一种缺乏形象化的，极为困难的超级代数方法。我即使不 完全排斥这种理论，至少也对此感到沮丧。” 矩阵力学，还是波动力学？全新的量子论诞生不到一年，很快已经面临内战。 上帝掷骰子吗——量子物理史话（6…2） 版权所有：castor_v_pollux 原作 提交时间：2003…10…18 00：49：37 第六章 大一统 二 回顾一下量子论在发展过程中所经历的两条迥异的道路是饶有趣味的。第一种办法的思路 是直接从观测到的原子谱线出发，引入矩阵的数学工具，用这种奇异的方块去建立起整个 新力学的大厦来。它强调观测到的分立性，跳跃性，同时又坚持以数学为唯一导向，不为 日常生活的直观经验所迷惑。但是，如果追究根本的话，它所强调的光谱线及其非连续性 的一面，始终可以看到微粒势力那隐约的身影。这个理论的核心人物自然是海森堡，波恩 ，约尔当，而他们背后的精神力量，那位幕后的“教皇”，则无疑是哥本哈根的那位伟大 的尼尔斯？玻尔。这些关系密切的科学家�
