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科学松鼠会

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走近量子纠缠(2)——男孩物理学   

2013-08-01 13:47:16|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:张 天蓉

2. ‘男孩物理学’

要正确地理解量子力学,追溯其发展历史是非常必要的。量子力学不同于相对论和牛顿力学,它更少有被罩上个别伟人的光环。它可说成是有史以来最出色和最富激情的一代物理学家集体努力的成果。综观量子力学发展史,真可谓是群星璀璨、光彩纷呈。因此,让我们先回头看看历史。

说到当时的‘那一代’物理学家,最令人瞩目的是他们的年龄。在这点上,量子论的发展可与近年来互联网公司的发展相提并论:都是一伙年轻人的天下!看看当年那一批争奇斗艳,光彩夺目的科学明星吧,当他们对量子力学作出重要贡献时,大多数是20-30岁的年龄。这也就是为什么在当时,量子力学被人们称为“男孩物理学”的原因。

Solvay_conference_1927

 【这张著名的合影,摄于1927年第五次索尔维会议,点击可放大。 图片出处:维基百科。关于索尔维会议和照片中的人物,还请维基百科为您讲述,请点击“索尔维会议”】

让我们细数‘男孩’们对量子力学的贡献:

爱因斯坦1905年提出光量子假说,26岁。

玻尔1913年提出原子结构理论,28岁。

德布罗意1923年提出德布罗意波,31岁。

海森堡1925年创立矩阵力学,1927年提出测不准原理,24-26岁。

还有更多的年轻人:泡利25岁,狄拉克23岁,乌仑贝克25岁,古德施密特23岁,约尔当23岁……

和他们比起来,36岁的薛定谔,43岁的波恩,42岁的普朗克,该算是老叔叔老爷爷了。

物理学家们将量子力学的诞生之日,定为1900年12月14日,普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文的那一天。在此之前,牛顿力学加上麦克斯韦方程建造的宏伟物理大厦虽然还巍然挺立,但天空已经阴云密布,一片‘山雨欲来风满楼’的气氛弥漫其间。42岁的‘老爷爷’普朗克战战兢兢地伸出脑袋看看天,身边是潘多拉的盒子,这妖精该不该放出来呢?也许它能驱除乌云,恢复蓝天,也许它将如同石头缝里蹦出的孙猴子,挥动金箍棒,将世界擾得地覆天翻?普朗克的直觉告诉他,结论会是后者。但是,妖精总是要出来的,天意不可违啊。于是,盒子被打开,量子力学这个怪物就此诞生了。

之后的100多年,尽管量子物理学一个里程碑又一个里程碑,成果斐然,但由于它惊世骇俗、不同凡响的本质,孙悟空难跳出如来佛的掌心,量子论每前进一步似乎都举步维艰。

其实,整个物理学在争论些什么呢?说穿了也很简单。那是最古老也最困惑人的问题:“光,到底是什么?物质,又是什么?”

用现代的语言,说得再具体一些:“光和物质,到底是粒子还是波?”这个粒子说波动说纠缠不清的问题,穿越时空几百年,引发了各种学说理论,伴随着越来越精确的实验验证,也招来了一场又一场连绵不断的口水战。

在量子力学诞生之前,对此问题的争论有过一段时期的平静。那就是上文所说的‘牛顿力学加上麦克斯韦方程建造的宏伟物理大厦’辉煌鼎盛之时。当时的物理学界以为一切完满天下太平,古老的问题已经不是问题,答案犹如铁板钉钉:“光是一种电磁波,符合美妙无比的麦克斯韦方程,其余的物质粒子,则符合放之四海而皆准的牛顿力学。”。

连躲在天国中的拉普拉斯妖也俯首下望,而且沾沾自喜地向世界宣称他的决定论:“一切都在控制之中。给我宇宙现在的状态,我将可以告诉你宇宙的过去和未来!”。

然而,科学家们对世界的探索永远不会停止,探索的结果使晴朗的天空飘起了两片不起眼的小乌云:那是迈克尔逊-莫雷实验和有关黑体辐射的研究。两片小乌云使物理学界陷入困境。一切想驱散乌云的努力都适得其反。乌云日积月累,越来越大,以至于发展到了压顶之势。

再后来,第一片乌云动摇了牛顿力学,引发了爱因斯坦的相对论革命,从第二片乌云中,则诞生了本文所讨论的量子理论。

黑体辐射问题到底给经典物理造成了些什么麻烦呢?物理学是以实验为基础的,当理论解释不了实验结果的时候,麻烦就来了。所谓黑体,是指对光不反射、只吸收,但却能辐射的物体。经典理论认为光是一种电磁波,然而,由经典物理、麦克斯韦方程推导而出的‘维恩公式’和‘瑞利-金斯公式’,却与黑体辐射的实验结果不相符合,甚至导致‘当辐射的频率趋于无穷大时,辐射能量发散’的所谓‘紫外灾难’这种荒谬结论。

当年的普朗克使用了一个巧妙而新颖的思想方法:假设黑体辐射时,能量不是连续的,而是一份一份地发射出来的话,就可以导出一个新的公式,这个公式在频率较小时自动回到瑞利-金斯公式,在频率大时又自动回到维恩公式。因此,新公式在所有的频率范围,都与实验符合得很好!这就是普朗克1900年论文的主要内容。

普朗克毕竟是一个传统而保守的德国物理学家,他只是按照科学方法办事,并未奢望要掀起一场革命,连自己都不知道自己已经把‘量子’这个妖精引进了物理学,这个妖精的标签是一个著名的普适常数,被称为普朗克常数。当他用战粟发抖的手,打开了潘多拉盒子之后,蹦出来的妖精第一棒就将他自己打晕了。因为在经典物理里,能量应该是连续的,而普朗克的新理论却假设能量只能是一份一份地被发射出来,这看上去不是不可思议吗?普朗克认为自己制造的这个‘量子妖精’破坏了物理学的完美,因此,他极力企图把它给收回到潘多拉盒子中去。普朗克曾经花费了15年的时光,试图找到一种经典物理方法,来导出同样的公式,以解决黑体辐射问题。但是这个试探却没有成功,‘量子妖精’放出来之后,便一发不可收拾,后来更是四方挥舞金箍棒,大闹天宫。

普朗克不喜欢这个妖精,也没有提出光量子的思想,直到1905年,26岁的爱因斯坦对光电效应的贡献才真正使人们看到了量子概念所闪现的光芒。

爱因斯坦比普朗克更进了一步,认为不仅仅场的能量是一份一份辐射出来的,而且光本身就是由不连续的光量子组成,每一个光量子的能量,它只与光的频率有关,而与强度无关。这儿的h便是普朗克常数,那个被普朗克释放到世上来的小妖精!

啊,光不就是一种电磁波吗?它能精确地被麦克斯韦方程所描述,如今怎么又变成一个一个的光量子了呢?这不就像是已经被打倒在地的阶级敌人-牛顿时代光的微粒说,又反攻倒算打回来了么?其实,岂止反攻倒算,而是已经鸟枪换大炮,装备精锐,完全改头换面而来!还好,早在爱因斯坦出生的那一年,爱因斯坦还是个7、8个月大的婴儿时,麦克斯韦就48岁英年早逝了,没有听到这个令他伤心的消息。麦克斯韦一生反对进化论,想必也接受不了‘量子论’这种古怪的妖精。不过,他对基督的虔诚胜于科学,临终时念念不忘的,不是他的电磁理论,而是他的老婆。他的临终遗言是:“我的天父,求你看顾我的妻子!”

光量子的概念好像也不符合我们的日常生活经验。‘波光粼粼’,多么富有诗意,谁能看出光是一粒一粒的呢!不过,这点倒不难理解,因为一个光量子的能量实在是太小了,比如,蓝光频率,普朗克常数。因此,一个蓝光子的能量焦耳。这个数值很小,使我们感觉不到一份一份光量子的存在。

1913年,28岁的波尔提出了他的量子化的原子结构理论。当时,卢瑟福将原子类比于太阳系的‘行星模型’,碰到了根本性的困难:在经典力学的框架下,这种结构将是不稳定的。为此,波尔在卢瑟福模型中引进了普朗克常数h,又是这个小妖精,又是使用这个公式。波尔认为,和行星围绕太阳旋转有所不同,原子中的电子轨道,不是连续而任意变化的,而是只能处于一个一个分立的能级中。也就是说,电子轨道是量子化的。

这个量子化的波尔原子理论,在当时取得了极大成功,成功地解释了原子稳定性,原子光谱谱线等问题,使人们再一次体会到这个量子妖精,蹦跳在微观物理世界中时产生的巨大力量。这时的量子力学,终于算是长成了一个调皮顽劣的大男孩,正在努力操练绝世武功,企图伺机大展身手咧。

但是,波尔的原子理论的基础仍然是建立在经典物理的大地上,不是彻底革命的量子理论。因此,在它诞生的那一刻,就种下了‘短命’的祸根,只迎来了10年左右的辉煌。

接着便到了1923年,31岁的德布罗意提出德布罗意波。1925年,24岁的海森堡创立矩阵力学,以及1926年,37岁的薛定谔建立薛定谔方程。

在这接踵而至的一大批‘男孩’们的努力下,‘男孩物理学’-- 量子力学,进入了它的成熟期。

参考资料

有关“男孩物理学”的说法来自于下列博文:

http://blog.sina.com.cn/s/blog_4bf87f3f0100md50.html

关于本文

本文授权转载于张天荣老师的个人博客,欲再转载者请联系原作者

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