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无真理
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8.量子物理史话
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无真理 于 2005/2/5 21:32:00 发布在 凯迪社区 > 开心科普
量子力学是我目前为止所找到的比较好的能够做为理论意识学的入门的科学。希望有兴趣的可以先把这些仔细的阅读研究一番。

http://book.sina.com.cn/nzt/liangzishihua/index.shtml
帝掷骰子吗? - 量子物理史话 序
castor_v_pollux  


  如果要评选物理学发展史上最伟大的那些年代,那么有两个时期是一定会入选的:17世纪末和20世纪初。前者以牛顿《自然哲学之数学原理》的出版为标志,宣告了现代经典物理学的正式创立;而后者则为我们带来了相对论和量子论,并最彻底地推翻和重建了整个物理学体系。所不同的是,今天当我们再谈论起牛顿的时代,心中更多的已经只是对那段光辉岁月的怀旧和祭奠;而相对论和量子论却仍然深深地影响和困扰着我们至今,就像两颗青涩的橄榄,嚼得越久,反而更加滋味无穷。


  我在这里先要给大家讲的是量子论的故事。这个故事更像一个传奇,由一个不起眼的线索开始,曲径通幽,渐渐地落英缤纷,乱花迷眼。正在没个头绪处,突然间峰回路转,天地开阔,如河出伏流,一泄汪洋。然而还未来得及一览美景,转眼又大起大落,误入白云深处不知归路……量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章之一,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。我们会看到最革命的思潮席卷大地,带来了让人惊骇的电闪雷鸣,同时却又展现出震撼人心的美丽。我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难地走来,却更加坚定了对胜利的信念。

  量子理论是一个复杂而又难解的谜题。她像一个神秘的少女,我们天天与她相见,却始终无法猜透她的内心世界。今天,我们的现代文明,从电脑,电视,手机到核能,航天,生物技术,几乎没有哪个领域不依赖于量子论。但量子论究竟带给了我们什么?这个问题至今却依然难以回答。在自然哲学观上,量子论带给了我们前所未有的冲击和震动,甚至改变了整个物理世界的基本思想。它的观念是如此地革命,乃至最不保守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意。现代文明的繁盛是理性的胜利,而量子论无疑是理性的最高成就之一。但是它被赋予的力量太过强大,以致有史以来第一次,我们的理性在胜利中同时埋下了能够毁灭它自身的种子。以致量子论的奠基人之一玻尔(Niels Bohr)都要说:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。”

  掐指算来,量子论创立至今已经超过100年,但它的一些基本思想却仍然不为普通的大众所熟知。那么,就让我们再次回到那个伟大的年代,再次回顾一下那场史诗般壮丽的革命,再次去穿行于那惊涛骇浪之间,领略一下晕眩的感觉吧。我们的快艇就要出发,当你感到恐惧或者震惊时,请务必抓紧舷边。但大家也要时刻记住,当年,物理史上最伟大的天才们也走过同样的航线,而他们的感觉,和我们是一模一样的。
第一章 黄金时代一
castor_v_pollux  


  上帝掷骰子吗--量子物理史话

  第一章黄金时代

  一


  我们的故事要从1887年的德国开始。位于莱茵河边的卡尔斯鲁厄是一座风景秀丽的城市,在它的城中心,矗立着著名的18世纪的宫殿。郁郁葱葱的森林和温暖的气候也使得这座小城成为了欧洲的一个旅游名胜。然而这些怡人的景色似乎没有分散海因里希?鲁道夫?赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)的注意力:现在他正在卡尔斯鲁厄大学的一间实验室里专心致志地摆弄他的仪器。那时候,赫兹刚刚30岁,也许不会想到他将在科学史上成为和他的老师赫耳姆霍兹(Hermann von Helmholtz)一样鼎鼎有名的人物,不会想到他将和卡尔?本茨(Carl Benz)一样成为这个小城的骄傲。现在他的心思,只是完完全全地倾注在他的那套装置上。

  赫兹的装置在今天看来是很简单的:它的主要部分是一个电火花发生器,有两个相隔很近的小铜球作为电容。赫兹全神贯注地注视着这两个相对而视的铜球,然后合上了电路开关。顿时,电的魔力开始在这个简单的系统里展现出来:无形的电流穿过装置里的感应线圈,并开始对铜球电容进行充电。赫兹冷冷地注视着他的装置,在心里面想象着电容两段电压不断上升的情形。在电学的领域攻读了那么久,赫兹对自己的知识是有充分信心的,他知道,随着电压的上升,很快两个小球之间的空气就会被击穿,然后整个系统就会形成一个高频的振荡回路(LC回路),但是,他现在想要观察的不是这个。

  果然,过了一会儿,随着细微的“啪”的一声,一束美丽的蓝色电花爆开在两个铜球之间,整个系统形成了一个完整的回路,细小的电流束在空气中不停地扭动,绽放出幽幽的荧光。

  赫兹反而更加紧张了,他盯着那串电火花,还有电火花旁边的空气,心里面想象了一幅又一幅的图景。他不是要看这个装置如何产生火花短路,他这个实验的目的,是为了求证那虚无飘渺的“电磁波”的存在。那是一种什么样的东西啊,它看不见,摸不着,到那时为止谁也没有见过,验证过它的存在。可是,赫兹是坚信它的存在的,因为它是麦克斯韦(Maxwell)理论的一个预言。而麦克斯韦理论……哦,它在数学上简直完美得像一个奇迹!仿佛是上帝的手写下的一首诗歌。这样的理论,很难想象它是错误的。赫兹吸了一口气,又笑了:不管理论怎样无懈可击,它毕竟还是要通过实验来验证的呀。他站在那里看了一会儿,在心里面又推想了几遍,终于确定自己的实验无误:如果麦克斯韦是对的话,那么在两个铜球之间就应该产生一个振荡的电场,同时引发一个向外传播的电磁波。赫兹转过头去,在实验室的另一边,放着一个开口的铜环,在开口处也各镶了一个小铜球。那是电磁波的接收器,如果麦克斯韦的电磁波真的存在的话,那么它就会穿越这个房间到达另外一端,在接收器那里感生一个振荡的电动势,从而在接收器的开口处也激发出电火花来。

  实验室里面静悄悄地,赫兹一动不动地站在那里,仿佛他的眼睛已经看见那无形的电磁波在空间穿越。铜环接受器突然显得有点异样,赫兹简直忍不住要大叫一声,他把自己的鼻子凑到铜环的前面,明明白白地看见似乎有微弱的火花在两个铜球之间的空气里闪烁。赫兹飞快地跑到窗口,把所有的窗帘都拉上,现在更清楚了:淡蓝色的电花在铜环的缺口不断地绽开,而整个铜环却是一个隔离的系统,既没有连接电池也没有任何的能量来源。赫兹注视了足足有一分钟之久,在他眼里,那些蓝色的火花显得如此地美丽。终于他揉了揉眼睛,直起腰来:现在不用再怀疑了,电磁波真真实实地存在于空间之中,正是它激发了接收器上的电火花。他胜利了,成功地解决了这个8年前由柏林普鲁士科学院提出悬赏的问题;同时,麦克斯韦的理论也胜利了,物理学的一个新高峰--电磁理论终于被建立起来。伟大的法拉第(Michael Faraday)为它打下了地基,伟大的麦克斯韦建造了它的主体,而今天,他--伟大的赫兹--为这座大厦封了顶。

  赫兹小心地把接受器移到不同的位置,电磁波的表现和理论预测的丝毫不爽。根据实验数据,赫兹得出了电磁波的波长,把它乘以电路的振荡频率,就可以计算出电磁波的前进速度。这个数值精确地等于30万公里/秒,也就是光速。麦克斯韦惊人的预言得到了证实:原来电磁波一点都不神秘,我们平时见到的光就是电磁波的一种,只不过它的频率限定在某一个范围内,而能够为我们所见到罢了。

  无论从哪一个意义上来说,这都是一个了不起的发现。古老的光学终于可以被完全包容于新兴的电磁学里面,而“光是电磁波的一种”的论断,也终于为争论已久的光本性的问题下了一个似乎是不可推翻的定论(我们马上就要去看看这场旷日持久的精彩大战)。电磁波的反射、衍射和干涉实验很快就做出来了,这些实验进一步地证实了电磁波和光波的一致性,无疑是电磁理论的一个巨大成就。

  赫兹的名字终于可以被闪光地镌刻在科学史的名人堂里,可是,作为一个纯粹的严肃的科学家,赫兹当时却没有想到他的发现里面所蕴藏的巨大的商业意义。在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里,他想的只是如何可以更加靠近大自然的终极奥秘,根本没有料到他的实验会带来一场怎么样的时代革命。赫兹英年早逝,还不到37岁就离开了这个他为之醉心的世界。然而,就在那一年,一位在伦巴底度假的20岁意大利青年读到了他的关于电磁波的论文;两年后,这个青年已经在公开场合进行了无线电的通讯表演,不久他的公司成立,并成功地拿到了专利证。到了1901年,赫兹死后的第7年,无线电报已经可以穿越大西洋,实现两地的实时通讯了。这个来自意大利的年轻人就是古格列尔莫?马可尼(Guglielmo Marconi),与此同时俄国的波波夫(Aleksandr Popov)也在无线通讯领域做了同样的贡献。他们掀起了一场革命的风暴,把整个人类带进了一个崭新的“信息时代”。不知赫兹如果身后有知,又会做何感想?

  但仍然觉得赫兹只会对此置之一笑。他是那种纯粹的科学家,把对真理的追求当作人生最大的价值。恐怕就算他想到了电磁波的商业前景,也会不屑去把它付诸实践的吧?也许,在美丽的森林和湖泊间散步,思考自然的终极奥秘,在秋天落叶的校园里,和学生探讨学术问题,这才是他真正的人生吧。今天,他的名字已经成为频率这个物理量的单位,被每个人不断地提起,可是,或许他还会嫌我们打扰他的安宁呢?
第一章 黄金时代二
castor_v_pollux  


  上帝掷骰子吗--量子物理史话

  第一章黄金时代

  二


  上次我们说到,1887年,赫兹的实验证实了电磁波的存在,也证实了光其实是电磁波的一种,两者具有共同的波的特性。这就为光的本性之争画上了一个似乎已经是不可更改的句号。

  说到这里,我们的故事要先回一回头,穿越时空去回顾一下有关于光的这场大战。这也许是物理史上持续时间最长,程度最激烈的一场论战。它几乎贯穿于整个现代物理的发展过程中,在历史上烧灼下了永不磨灭的烙印。

  光,是每个人见得最多的东西(“见得最多”在这里用得真是一点也不错)。自古以来,它就被理所当然地认为是这个宇宙最原始的事物之一。在远古的神话中,往往是“一道亮光”劈开了混沌和黑暗,于是世界开始了运转。光在人们的心目中,永远代表着生命,活力和希望。在《圣经》里,神要创造世界,首先要创造的就是光,可见它在这个宇宙中所占的独一无二的地位。

  可是,光究竟是一种什么东西?或者,它究竟是不是一种“东西”呢?

  远古时候的人们似乎是不把光作为一种实在的事物的,光亮与黑暗,在他们看来只是一种环境的不同罢了。只有到了古希腊,科学家们才开始好好地注意起光的问题来。有一样事情是肯定的:我们之所以能够看见东西,那是因为光在其中作用的结果。人们于是猜想,光是一种从我们的眼睛里发射出去的东西,当它到达某样事物的时候,这样事物就被我们所“看见”了。比如恩培多克勒(Empedocles)就认为世界是由水、火、气、土四大元素组成的,而人的眼睛是女神阿芙罗狄忒(Aphrodite)用火点燃的,当火元素(也就是光。古时候往往光、火不分)从人的眼睛里喷出到达物体时,我们就得以看见事物。

  但显而易见,这种解释是不够的。它可以说明为什么我们睁着眼可以看见,而闭上眼睛就不行;但它解释不了为什么在暗的地方,我们即使睁着眼睛也看不见东西。为了解决这个困难,人们引进了复杂得多的假设。比如认为有三种不同的光,分别来源于眼睛,被看到的物体和光源,而视觉是三者综合作用的结果。

  这种假设无疑是太复杂了。到了罗马时代,伟大的学者卢克莱修(Lucretius)在其不朽著作《物性论》中提出,光是从光源直接到达人的眼睛的,但是他的观点却始终不为人们所接受。对光成像的正确认识直到公元1000年左右才被一个波斯的科学家阿尔?哈桑(al-Haytham)所提出:原来我们之所以能够看到物体,只是由于光从物体上反射到我们眼睛里的结果。他提出了许多证据来证明这一点,其中最有力的就是小孔成像的实验,当我们亲眼看到光通过小孔后成了一个倒立的像,我们就无可怀疑这一说法的正确性了。

  关于光的一些性质,人们也很早就开始研究了。基于光总是走直线的假定,欧几里德(Euclid)在《反射光学》(Catoptrica)一书里面就研究了光的反射问题。托勒密(Ptolemy)、哈桑和开普勒(Johannes Kepler)都对光的折射作了研究,而荷兰物理学家斯涅耳(W.Snell)则在他们的工作基础上于1621年总结出了光的折射定律。最后,光的种种性质终于被有“业余数学之王”之称的费尔马(Pierre de Fermat)所归结为一个简单的法则,那就是“光总是走最短的路线”。光学终于作为一门物理学科被正式确立起来。

  但是,当人们已经对光的种种行为了如指掌的时候,却依然有一个最基本的问题没有得到解决,那就是:“光在本质上到底是一种什么东西?”这个问题看起来似乎并没有那么难回答,但人们大概不会想到,对于这个问题的探究居然会那样地旷日持久,而这一探索的过程,对物理学的影响竟然会是那么地深远和重大,其意义超过当时任何一个人的想象。

  古希腊时代的人们总是倾向于把光看成是一种非常细小的粒子流,换句话说光是由一粒粒非常小的“光原子”所组成的。这种观点一方面十分符合当时流行的元素说,另外一方面,当时的人们除了粒子之外对别的物质形式也了解得不是太多。这种理论,我们把它称之为光的“微粒说”。微粒说从直观上看来是很有道理的,首先它就可以很好地解释为什么光总是沿着直线前进,为什么会严格而经典地反射,甚至折射现象也可以由粒子流在不同介质里的速度变化而得到解释。但是粒子说也有一些显而易见的困难:比如人们当时很难说清为什么两道光束相互碰撞的时候不会互相弹开,人们也无法得知,这些细小的光粒子在点上灯火之前是隐藏在何处的,它们的数量是不是可以无限多,等等。

  当黑暗的中世纪过去之后,人们对自然世界有了进一步的认识。波动现象被深入地了解和研究,声音是一种波动的认识也逐渐为人们所接受。人们开始怀疑:既然声音是一种波,为什么光不能够也是波呢?十七世纪初,笛卡儿(Des Cartes)在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中率先提出了这样的可能:光是一种压力,在媒质里传播。不久后,意大利的一位数学教授格里马第(Francesco Maria Grimaldi)做了一个实验,他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上,发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像。格里马第马上联想起了水波的衍射(这个大家在中学物理的插图上应该都见过),于是提出:光可能是一种类似水波的波动,这就是最早的光波动说。

  波动说认为,光不是一种物质粒子,而是由于介质的振动而产生的一种波。我们想象一下水波,它不是一种实际的传递,而是沿途的水面上下振动的结果。光的波动说容易解释投影里的明暗条纹,也容易解释光束可以互相穿过互不干扰。关于直线传播和反射的问题,人们很快就认识到光的波长是很短的,在大多数情况下,光的行为就犹同经典粒子一样。而衍射实验则更加证明了这一点。但是波动说有一个基本的难题,那就是任何波动都需要有介质才能够传递,比如声音,在真空里就无法传播。而光则不然,它似乎不需要任何媒介就可以任意地前进。举一个简单的例子,星光可以穿过几乎虚无一物的太空来到地球,这对波动说显然是非常不利的。但是波动说巧妙地摆脱了这个难题:它假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播,这种介质有一个十分响亮而让人印象深刻的名字,叫做“以太”(Aether)。

  就在这样一种奇妙的气氛中,光的波动说登上了历史舞台。我们很快就会看到,这个新生力量似乎是微粒说的前世冤家,它命中注定要与后者开展一场长达数个世纪之久的战争。他们两个的命运始终互相纠缠在一起,如果没有了对方,谁也不能说自己还是完整的。到了后来,他们简直就是为了对手而存在着。这出精彩的戏剧从一开始的伏笔,经过两个起落,到达令人眼花缭乱的高潮。而最后绝妙的结局则更让我们相信,他们的对话几乎是一种可遇而不可求的缘分。17世纪中期,正是科学的黎明到来之前那最后的黑暗,谁也无法预见这两朵小火花即将要引发一场熊熊大火。

  ********

  饭后闲话:说说“以太”(Aether)。

  正如我们在上面所看到的,以太最初是作为光波媒介的假设而提出的。但“以太”一词的由来则早在古希腊:亚里士多德在《论天》一书里阐述了他对天体的认识。他认为日月星辰围绕着地球运转,但其组成却不同与地上的四大元素水火气土。天上的事物应该是完美无缺的,它们只能由一种更为纯洁的元素所构成,这就是亚里士多德所谓的“第五元素”--以太(希腊文的αηθηρ)。而自从这个概念被借用到科学里来之后,以太在历史上的地位可以说是相当微妙的,一方面,它曾经扮演过如此重要的角色,以致成为整个物理学的基础;另一方面,当它荣耀不再时,也曾受尽嘲笑。虽然它不甘心地再三挣扎,改换头面,赋予自己新的意义,却仍然逃不了最终被抛弃的命运,甚至有段时间几乎成了伪科学的专用词。但无论怎样,以太的概念在科学史上还是占有它的地位的,它曾经代表的光媒以及绝对参考系,虽然已经退出了舞台,但直到今天,仍然能够唤起我们对那段黄金岁月的怀念。它就像是一张泛黄的照片,记载了一个贵族光荣的过去。今天,以太(Ether)作为另外一种概念用来命名一种网络协议(Ethernet),看到这个词的时候,是不是也每每生出几许慨叹?

  向以太致敬。

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    第一章 黄金时代三
    castor_v_pollux  


      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第一章黄金时代

      三


      上次说到,关于光究竟是什么的问题,在十七世纪中期有了两种可能的假设:微粒说和波动说。

      然而在一开始的时候,双方的武装都是非常薄弱的。微粒说固然有着悠久的历史,但是它手中的力量是很有限的。光的直线传播问题和反射折射问题本来是它的传统领地,但波动方面军队在发展了自己的理论后,迅速就在这两个战场上与微粒平分秋色。而波动论作为一种新兴的理论,格里马第的光衍射实验是它发家的最大法宝,但它却拖着一个沉重的包袱,就是光以太的假设,这个凭空想象出来的媒介,将在很长一段时间里成为波动军队的累赘。

      两支力量起初并没有发生什么武装冲突。在笛卡儿的《方法论》那里,他们还依然心平气和地站在一起供大家检阅。导致“第一次微波战争”爆发的导火索是波义耳(Robert Boyle,中学里学过波马定律的朋友一定还记得这个讨厌的爱尔兰人?)在1663年提出的一个理论。他认为我们看到的各种颜色,其实并不是物体本身的属性,而是光照上去才产生的效果。这个论调本身并没有关系到微粒波动什么事,但是却引起了对颜色属性的激烈争论。

      在格里马第的眼里,颜色的不同,是因为光波频率的不同而引起的。他的实验引起了胡克(Robert Hooke)的兴趣。胡克本来是波义耳的实验助手,当时是英国皇家学会的会员,同时也兼任实验管理员。他重复了格里马第的工作,并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉。根据他的判断,光必定是某种快速的脉冲,于是他在1665年出版的《显微术》(Micrographia)一书中明确地支持波动说。《显微术》这本著作很快为胡克赢得了世界性的学术声誉,波动说由于这位大将的加入,似乎也在一时占了上风。

      然而不知是偶然,还是冥冥之中自有安排,一件似乎无关的事情改变了整个战局的发展。

      1672年,一位叫做艾萨克?牛顿的年轻人向皇家学会评议委员会递交了一篇论文,名字叫做《关于光与色的新理论》。牛顿当时才30岁,刚刚当选为皇家学会的会员。这是牛顿所发表的第一篇正式科学论文,其内容是关于他所做的光的色散实验的,这也是牛顿所做的最为有名的实验之一。实验的情景在一些科学书籍里被渲染得十分impressive:炎热难忍的夏天,牛顿却戴着厚重的假发呆在一间小屋里。四面窗户全都被封死了,屋子里面又闷又热,一片漆黑,只有一束亮光从一个特意留出的小孔里面射进来。牛顿不顾身上汗如雨下,全神贯注地在屋里走来走去,并不时地把手里的一个三棱镜插进那个小孔里。每当三棱镜被插进去的时候,原来的那束白光就不见了,而在屋里的墙上,映射出了一条长长的彩色宽带:颜色从红一直到紫。牛顿凭借这个实验,得出了白色光是由七彩光混合而成的结论。

      然而在这篇论文中,牛顿把光的复合和分解比喻成不同颜色微粒的混合和分开。胡克和波义耳正是当时评议会的成员,他们对此观点进行了激烈的抨击。胡克声称,牛顿论文中正确的部分(也就是色彩的复合)是窃取了他1665年的思想,而牛顿“原创”的微粒说则不值一提。牛顿大怒,马上撤回了论文,并赌气般地宣称不再发表任何研究成果。

      其实在此之前,牛顿的观点还是在微粒和波动之间有所摇摆的,并没有完全否认波动说。1665年,胡克发表他的观点时,牛顿还刚刚从剑桥三一学院毕业,也许还在苹果树前面思考他的万有引力问题呢。但在这件事之后,牛顿开始一面倒地支持微粒说。这究竟是因为报复心理,还是因为科学精神,今天已经无法得知了,想来两方面都有其因素吧。不过牛顿的性格是以小气和斤斤计较而闻名的,这从以后他和莱布尼兹关于微积分发明的争论中也可见一斑。

      但是,一方面因为胡克的名气,另一方面也因为牛顿的注意力更多地转移到了运动学和力学方面,牛顿暂时仍然没有正式地全面论证微粒说(只是在几篇论文中反驳了胡克)。而这时候,波动方面军开始了他们的现代化进程--用理论来装备自己。荷兰物理学家惠更斯(Christiaan Huygens)成为了波动说的主将。

      惠更斯在数学理论方面是具有十分高的天才的,他继承了胡克的思想,认为光是一种在以太里传播的纵波,并引入了“波前”的概念,成功地证明和推导了光的反射和折射定律。他的波动理论虽然还十分粗略,但是所取得的成功却是杰出的。当时随着光学研究的不断深入,新的战场不断被开辟:1665年,牛顿在实验中发现如果让光通过一块大曲率凸透镜照射到光学平玻璃板上,会看见在透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环条纹,也就是著名的“牛顿环”(对图象和摄影有兴趣的朋友一定知道)。到了1669年,丹麦的巴塞林那斯(E.Bartholinus)发现当光在通过方解石晶体时,会出现双折射现象。惠更斯将他的理论应用于这些新发现上面,发现他的波动军队可以容易地占领这些新辟的阵地,只需要作小小的改制即可(比如引进椭圆波的概念)。1690年,惠更斯的著作《光论》(Traite de la Lumiere)出版,标志着波动说在这个阶段到达了一个兴盛的顶点。

      不幸的是,波动方面暂时的得势看来注定要成为昙花一现的泡沫。因为在他们的对手那里站着一个光芒四射的伟大人物:艾萨克?牛顿先生(而且马上就要成为爵士)。这位科学巨人--不管他是出于什么理由--已经决定要给予波动说的军队以毫不留情的致命打击。为了避免再次引起和胡克之间的争执,导致不必要的误解,牛顿在战术上也进行了精心的安排。直到胡克去世后的第二年,也就是1704年,牛顿才出版了他的煌煌巨著《光学》(Opticks)。在这本划时代的作品中,牛顿详尽地阐述了光的色彩叠合与分散,从粒子的角度解释了薄膜透光,牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。他驳斥了波动理论,质疑如果光如同声波一样,为什么无法绕开障碍物前进。他也对双折射现象进行了研究,提出了许多用波动理论无法解释的问题。而粒子方面的基本困难,牛顿则以他的天才加以解决。他从波动对手那里吸收了许多东西,比如将波的一些有用的概念如振动,周期等引入微粒论,从而很好地解答了牛顿环的难题。在另一方面,牛顿把粒子说和他的力学体系结合在了一起,于是使得这个理论顿时呈现出无与伦比的力量。

      这完全是一次摧枯拉朽般的打击。那时的牛顿,已经再不是那个可以在评议会上被人质疑的青年。那时的牛顿,已经是出版了《数学原理》的牛顿,已经是发明了微积分的牛顿。那个时候,他已经是国会议员,皇家学会会长,已经成为科学史上神话般的人物。在世界各地,人们对他的力学体系顶礼膜拜,仿佛见到了上帝的启示。而波动说则群龙无首(惠更斯也早于1695年去世),这支失去了领袖的军队还没有来得及在领土上建造几座坚固一点的堡垒,就遭到了毁灭性的打击。他们惊恐万状,溃不成军,几乎在一夜之间丧失了所有的阵地。这一方面是因为波动自己的防御工事有不足之处,它的理论仍然不够完善,另一方面也实在是因为对手的实力过于强大:牛顿作为光学界的泰斗,他的才华和权威是不容质疑的。第一次微波战争就这样以波动的惨败而告终,战争的结果是微粒说牢牢占据了物理界的主流。波动被迫转入地下,在长达整整一个世纪的时间里都抬不起头来。然而,它却仍然没有被消灭,惠更斯等人所做的开创性工作使得它仍然具有顽强的生命力,默默潜伏着以待东山再起的那天。

      *********

      饭后闲话:胡克与牛顿

      胡克和牛顿在历史上也算是一对欢喜冤家。两个人都在力学,光学,仪器等方面有着伟大的贡献。两人互相启发,但是之间也存在着不少的争论。除了关于光本性的争论之外,他们之间还有一个争执,那就是万有引力的平方反比定律究竟是谁发现的问题。胡克在力学与行星运动方面花过许多心血,他深入研究了开普勒定律,于1964年提出了行星轨道因引力而弯曲成椭圆的观点。1674年他根据修正的惯性原理,提出了行星运动的理论。1679年,他在写给牛顿的信中,提出了引力大小与距离的平方成反比这个概念,但是说得比较模糊,并未加之量化(原文是:…my supposition is that the Attraction always is in a duplicate proportion to the distance from the center reciprocal)。在牛顿的《原理》出版之后,胡克要求承认他对这个定律的优先发现,但牛顿最后的回答却是把所有涉及胡克的引用都从《原理》里面给删掉了。

      应该说胡克也是一位伟大的科学家,他曾帮助波义耳发现波义耳定律,用自己的显微镜发现了植物的细胞,他在地质学方面的工作(尤其是对化石的观测)影响了这个学科整整30年,他发明和制造的仪器(如显微镜、空气唧筒、发条摆轮、轮形气压表等)在当时无与伦比。他所发现的弹性定律是力学最重要的定律之一。在那个时代,他在力学和光学方面是仅次于牛顿的伟大科学家,可是似乎他却永远生活在牛顿的阴影里。今天的牛顿名满天下,但今天的中学生只有从课本里的胡克定律(弹性定律)才知道胡克的名字,胡克死前已经变得愤世嫉俗,字里行间充满了挖苦。他死后连一张画像也没有留下来,据说是因为他“太丑了”。
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       第 3
    第一章 黄金时代四
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      第一章黄金时代

      四


      上次说到,在微粒与波动的第一次交锋中,以牛顿为首的微粒说战胜了波动,取得了在物理上被普遍公认的地位。

      转眼间,近一个世纪过去了。牛顿体系的地位已经是如此地崇高,令人不禁有一种目眩的感觉。而他所提倡的光是一种粒子的观念也已经是如此地深入人心,以致人们几乎都忘了当年它那对手的存在。

      然而1773年的6月13日,英国米尔沃顿(Milverton)的一个教徒的家庭里诞生了一个男孩,叫做托马斯?杨(Thomas Young)。这个未来反叛派领袖的成长史是一个典型的天才历程,他两岁的时候就能够阅读各种经典,6岁时开始学习拉丁文,14岁就用拉丁文写过一篇自传,到了16岁时他已经能够说10种语言,并学习了牛顿的《数学原理》以及拉瓦锡的《化学纲要》等科学著作。

      杨19岁的时候,受到他那当医生的叔父的影响,决定去伦敦学习医学。在以后的日子里,他先后去了爱丁堡和哥廷根大学攻读,最后还是回到剑桥的伊曼纽尔学院终结他的学业。在他还是学生的时候,杨研究了人体上眼睛的构造,开始接触到了光学上的一些基本问题,并最终形成了他的光是波动的想法。杨的这个认识,是来源于波动中所谓的“干涉”现象。

      我们都知道,普通的物质是具有累加性的,一滴水加上一滴水一定是两滴水,而不会一起消失。但是波动就不同了,一列普通的波,它有着波的高峰和波的谷底,如果两列波相遇,当它们正好都处在高峰时,那么叠加起来的这个波就会达到两倍的峰值,如果都处在低谷时,叠加的结果就会是两倍深的谷底。但是,等等,如果正好一列波在它的高峰,另外一列波在它的谷底呢?

      答案是它们会互相抵消。如果两列波在这样的情况下相遇(物理上叫做“反相”),那么在它们重叠的地方,将会波平如镜,既没有高峰,也没有谷底。这就像一个人把你往左边拉,另一个人用相同的力气把你往右边拉,结果是你会站在原地不动。

      托马斯?杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候,被这个关于波动的想法给深深打动了。为什么会形成一明一暗的条纹呢?一个思想渐渐地在杨的脑海里成型:用波来解释不是很简单吗?明亮的地方,那是因为两道光正好是“同相”的,它们的波峰和波谷正好相互增强,结果造成了两倍光亮的效果(就好像有两个人同时在左边或者右边拉你);而黑暗的那些条纹,则一定是两道光处于“反相”,它们的波峰波谷相对,正好互相抵消了(就好像两个人同时在两边拉你)。这一大胆而富于想象的见解使杨激动不已,他马上着手进行了一系列的实验,并于1801年和1803年分别发表论文报告,阐述了如何用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象。甚至通过他的实验数据,计算出了光的波长应该在1/36000至1/60000英寸之间。

      在1807年,杨总结出版了他的《自然哲学讲义》,里面综合整理了他在光学方面的工作,并在里面第一次描述了他那个名扬四海的实验:光的双缝干涉。后来的历史证明,这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列,而在今天,它已经出现在每一本中学物理的教科书上。

      杨的实验手段极其简单:把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面,这样就形成了一个点光源(从一个点发出的光源)。现在在纸后面再放一张纸,不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上,就会形成一系列明、暗交替的条纹,这就是现在众人皆知的干涉条纹。

      杨的著作点燃了革命的导火索,物理史上的“第二次微波战争”开始了。波动方面军在经过了百年的沉寂之后,终于又回到了历史舞台上来。但是它当时的日子并不是好过的,在微粒大军仍然一统天下的年代,波动的士兵们衣衫褴褛,缺少后援,只能靠游击战来引起人们对它的注意。杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺,被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”,在近20年间竟然无人问津。杨为了反驳专门撰写了论文,但是却无处发表,只好印成小册子,但是据说发行后“只卖出了一本”。

      不过,虽然高傲的微粒仍然沉醉在牛顿时代的光荣之中,一开始并不把起义的波动叛乱分子放在眼睛里。但他们很快就发现,这些反叛者虽然人数不怎么多,服装并不那么整齐,但是他们的武器却今非昔比。在受到了几次沉重的打击后,干涉条纹这门波动大炮的杀伤力终于惊动整个微粒军团。这个简单巧妙的实验所揭示出来的现象证据确凿,几乎无法反驳。无论微粒怎么样努力,也无法躲开对手的无情轰炸:它就是难以说明两道光叠加在一起怎么会反而造成黑暗。而波动的理由却是简单而直接的:两个小孔距离屏幕上某点的距离会有所不同。当这个距离是波长的整数值时,两列光波正好互相加强,就形成亮点。反之,当距离差刚好造成半个波长的相位差时,两列波就正好互相抵消,造成暗点。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。

      在节节败退后,微粒终于发现自己无法抵挡对方的进攻。于是它采取了以攻代守的战略。许多对波动说不利的实验证据被提出来以证明波动说的矛盾。其中最为知名的就是马吕斯(Etienne Louis Malus)在1809年发现的偏振现象,这一现象和已知的波动论有抵触的地方。两大对手开始相持不下,但是各自都没有放弃自己获胜的信心。杨在给马吕斯的信里说:“……您的实验只是证明了我的理论有不足之处,但没有证明它是虚假的。”

      决定性的时刻在1819年到来了。最后的决战起源于1818年法国科学院的一个悬赏征文竞赛。竞赛的题目是利用精密的实验确定光的衍射效应以及推导光线通过物体附近时的运动情况。竞赛评委会由许多知名科学家组成,这其中包括比奥(J.B.Biot)、拉普拉斯(Pierre Simon de Laplace)和泊松(S.D.Poission),都是积极的微粒说拥护者。组织这个竞赛的本意是希望通过微粒说的理论来解释光的衍射以及运动,以打击波动理论。

      但是戏剧性的情况出现了。一个不知名的法国年轻工程师--菲涅耳(Augustin Fresnel,当时他才31岁)向组委会提交了一篇论文《关于偏振光线的相互作用》。在这篇论文里,菲涅耳采用了光是一种波动的观点,但是革命性地认为光是一种横波(也就是类似水波那样,振子作相对传播方向垂直运动的波)而不像从胡克以来一直所认为的那样是一种纵波(类似弹簧波,振子作相对传播方向水平运动的波)。从这个观念出发,他以严密的数学推理,圆满地解释了光的衍射,并解决了一直以来困扰波动说的偏振问题。他的体系完整而无缺,以致委员会成员为之深深惊叹。泊松并不相信这一结论,对它进行了仔细的审查,结果发现当把这个理论应用于圆盘衍射的时候,在阴影中间将会出现一个亮斑。这在泊松看来是十分荒谬的,影子中间怎么会出现亮斑呢?这差点使得菲涅尔的论文中途夭折。但菲涅耳的同事阿拉果(Fran?ois Arago)在关键时刻坚持要进行实验检测,结果发现真的有一个亮点如同奇迹一般地出现在圆盘阴影的正中心,位置亮度和理论符合得相当完美。

      菲涅尔理论的这个胜利成了第二次微波战争的决定性事件。他获得了那一届的科学奖(Grand Prix),同时一跃成为了可以和牛顿,惠更斯比肩的光学界的传奇人物。圆盘阴影正中的亮点(后来被相当有误导性地称作“泊松亮斑”)成了波动军手中威力不下于干涉条纹的重武器,给了微粒势力以致命的一击。起义者的烽火很快就燃遍了光学的所有领域,把微粒从统治的地位赶了下来,后者在严厉的打击下捉襟见肘,节节溃退,到了19世纪中期,微粒说挽回战局的唯一希望就是光速在水中的测定结果了。因为根据粒子论,这个速度应该比真空中的光速要快,而根据波动论,这个速度则应该比真空中要慢才对。

      然而不幸的微粒军团终于在1819年的莫斯科严冬之后,又于1850年迎来了它的滑铁卢。这一年的5月6日,傅科(Foucault,他后来以“傅科摆”实验而闻名)向法国科学院提交了他关于光速测量实验的报告。在准确地得出光在真空中的速度之后,他也进行了水中光速的测量,发现这个值小于真空中的速度。这一结果彻底宣判了微粒说的死刑,波动论终于在100多年后革命成功,登上了物理学统治地位的宝座。在胜利者的一片欢呼声中,第二次微波战争随着微粒的战败而宣告结束。

      但是波动内部还是有一个小小的困难,就是以太的问题。光是一种横波的事实已经十分清楚,它传播的速度也得到了精确测量,这个数值达到了30万公里/秒,是一个惊人的高速。通过传统的波动论,我们必然可以得出它的传播媒介的性质:这种媒介必定是十分地坚硬,比最硬的物质金刚石还要硬上不知多少倍。然而事实是从来就没有任何人能够看到或者摸到这种“以太”,也没有实验测定到它的存在。星光穿越几亿亿公里的以太来到地球,然而这些坚硬无比的以太却不能阻挡任何一颗行星或者彗星的运动,哪怕是最微小的也不行!

      波动对此的解释是以太是一种刚性的粒子,但是它却是如此稀薄,以致物质在穿过它们时几乎完全不受到任何阻力,“就像风穿过一小片丛林”(托马斯?杨语)。以太在真空中也是绝对静止的,只有在透明物体中,可以部分地被拖曳(菲涅耳的部分拖曳假说)。

      这个观点其实是十分牵强的,但是波动说并没有为此困惑多久。因为更加激动人心的胜利很快就到来了。伟大的麦克斯韦于1856,1861和1865年发表了三篇关于电磁理论的论文,这是一个开天辟地的工作,它在牛顿力学的大厦上又完整地建立起了另一座巨构,而且其辉煌灿烂绝不亚于前者。麦克斯韦的理论预言,光其实只是电磁波的一种。这段文字是他在1861年的第二篇论文《论物理力线》里面特地用斜体字写下的。而我们在本章的一开始已经看到,这个预言是怎么样由赫兹在1887年用实验证实了的。波动说突然发现,它已经不仅仅是光领域的统治者,而是业已成为了整个电磁王国的最高司令官。波动的光辉到达了顶点,只要站在大地上,它的力量就像古希腊神话中的巨人那样,是无穷无尽而不可战胜的。而它所依靠的大地,就是麦克斯韦不朽的电磁理论。

      *********

      饭后闲话:阿拉果(Dominique Fran?ois Jean Arago)的遗憾

      阿拉果一向是光波动说的捍卫者,他和菲涅耳在光学上其实是长期合作的。菲涅耳关于光是横波的思想,最初还是来源于托马斯?杨写给阿拉果的一封信。而对于相互垂直的两束偏振光线的相干性的研究,是他和菲涅耳共同作出的,两人的工作明确了来自同一光源但偏振面相互垂直的两支光束,不能发生干涉。但在双折射和偏振现象上,菲涅耳显然更具有勇气和革命精神,在两人完成了《关于偏振光线的相互作用》这篇论文后,菲涅耳指出只有假设光是一种横波,才能完满地解释这些现象,并给出了推导。然而阿拉果对此抱有怀疑态度,认为菲涅耳走得太远了。他坦率地向菲涅耳表示,自己没有勇气发表这个观点,并拒绝在这部分论文后面署上自己的名字。于是最终菲涅耳以自己一个人的名义提交了这部分内容,引起了科学院的震动,而最终的实验却表明他是对的。

      这大概是阿拉果一生中最大的遗憾,他本有机会和菲涅耳一样成为在科学史上大名鼎鼎的人物。当时的菲涅耳还是无名小辈,而他在学界却已经声名显赫,被选入法兰西研究院时,得票甚至超过了著名的泊松。其实在光波动说方面,阿拉果做出了许多杰出的贡献,不在菲涅耳之下,许多还是两人互相启发而致的。在菲涅耳面临泊松的质问时,阿拉果仍然站在了菲涅耳一边,正是他的实验证实了泊松光斑的存在,使得波动说取得了最后的胜利。但关键时候的迟疑,却最终使得他失去了“物理光学之父”的称号。这一桂冠如今戴在菲涅耳的头上。


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       第 4
    第一章 黄金时代五
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      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第一章黄金时代

      五


      上次说到,随着麦克斯韦的理论为赫兹的实验所证实,光的波动说终于成为了一个板上钉钉的事实。

      波动现在是如此地强大。凭借着麦氏理论的力量,它已经彻底地将微粒打倒,并且很快就拓土开疆,建立起一个空前的大帝国来。不久后,它的领土就横跨整个电磁波的频段,从微波到X射线,从紫外线到红外线,从γ射线到无线电波……普通光线只是它统治下的一个小小的国家罢了。波动君临天下,振长策而御宇内,四海之间莫非王土。而可怜的微粒早已销声匿迹,似乎永远也无法翻身了。

      赫兹的实验也同时标志着经典物理的顶峰。物理学的大厦从来都没有这样地金壁辉煌,令人叹为观止。牛顿的力学体系已经是如此雄伟壮观,现在麦克斯韦在它之上又构建起了同等规模的另一幢建筑,它的光辉灿烂让人几乎不敢仰视。电磁理论在数学上完美得难以置信,著名的麦氏方程组刚一问世,就被世人惊为天物。它所表现出的深刻、对称、优美使得每一个科学家都陶醉在其中,玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)情不自禁地引用歌德的诗句说:“难道是上帝写的这些吗?”一直到今天,麦氏方程组仍然被公认为科学美的典范,即使在还没有赫兹的实验证实之前,已经广泛地为人们所认同。许多伟大的科学家都为它的魅力折服,并受它深深的影响,有着对于科学美的坚定信仰,甚至认为:对于一个科学理论来说,简洁优美要比实验数据的准确来得更为重要。无论从哪个意义上来说,电磁论都是一种伟大的理论。罗杰?彭罗斯(Roger Penrose)在他的名著《皇帝新脑》(The Emperor’s New Mind)一书里毫不犹豫地将它和牛顿力学,相对论和量子论并列,称之为“Superb”的理论。

      物理学征服了世界。在19世纪末,它的力量控制着一切人们所知的现象。古老的牛顿力学城堡历经岁月磨砺风雨吹打而始终屹立不倒,反而更加凸现出它的伟大和坚固来。从天上的行星到地上的石块,万物都必恭必敬地遵循着它制定的规则。1846年海王星的发现,更是它所取得的最伟大的胜利之一。在光学的方面,波动已经统一了天下,新的电磁理论更把它的光荣扩大到了整个电磁世界。在热的方面,热力学三大定律已经基本建立(第三定律已经有了雏形),而在克劳修斯(Rudolph Clausius)、范德瓦尔斯(J.D. Van der Waals)、麦克斯韦、玻尔兹曼和吉布斯(Josiah Willard Gibbs)等天才的努力下,分子运动论和统计热力学也被成功地建立起来了。更令人惊奇的是,这一切都彼此相符而互相包容,形成了一个经典物理的大同盟。经典力学、经典电动力学和经典热力学(加上统计力学)形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一块儿,构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。

      这是一段伟大而光荣的日子,是经典物理的黄金时代。科学的力量似乎从来都没有这样地强大,这样地令人神往。人们也许终于可以相信,上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了,再没有遗漏的地方。从当时来看,我们也许的确是有资格这样骄傲的,因为所知道的一切物理现象,几乎都可以从现成的理论里得到解释。力、热、光、电、磁……一切的一切,都在控制之中,而且用的是同一种手法。物理学家们开始相信,这个世界所有的基本原理都已经被发现了,物理学已经尽善尽美,它走到了自己的极限和尽头,再也不可能有任何突破性的进展了。如果说还有什么要做的事情,那就是做一些细节上的修正和补充,更加精确地测量一些常数值罢了。人们开始倾向于认为:物理学已经终结,所有的问题都可以用这个集大成的体系来解决,而不会再有任何真正激动人心的发现了。一位著名的科学家(据说就是伟大的开尔文勋爵)说:“物理学的未来,将只有在小数点第六位后面去寻找”。普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。

      19世纪末的物理学天空中闪烁着金色的光芒,象征着经典物理帝国的全盛时代。这样的伟大时期在科学史上是空前的,或许也将是绝后的。然而,这个统一的强大帝国却注定了只能昙花一现。喧嚣一时的繁盛,终究要像泡沫那样破灭凋零。

      今天回头来看,赫兹1887年的电磁波实验(准确地说,是他于1887-1888年进行的一系列的实验)的意义应该是复杂而深远的。它一方面彻底建立了电磁场论,为经典物理的繁荣添加了浓重的一笔;在另一方面,它却同时又埋藏下了促使经典物理自身毁灭的武器,孕育出了革命的种子。

      我们还是回到我们故事的第一部分那里去:在卡尔斯鲁厄大学的那间实验室里,赫兹铜环接收器的缺口之间不停地爆发着电火花,明白无误地昭示着电磁波的存在。

      但偶然间,赫兹又发现了一个奇怪的现象:当有光照射到这个缺口上的时候,似乎火花就出现得更容易一些。

      赫兹把这个发现也写成了论文发表,但在当时并没有引起很多的人的注意。当时,学者们在为电磁场理论的成功而欢欣鼓舞,马可尼们在为了一个巨大的商机而激动不已,没有人想到这篇论文的真正意义。连赫兹自己也不知道,量子存在的证据原来就在他的眼前,几乎是触手可得。不过,也许量子的概念太过爆炸性,太过革命性,命运在冥冥中安排了它必须在新的世纪中才可以出现,而把怀旧和经典留给了旧世纪吧。只是可惜赫兹走得太早,没能亲眼看到它的诞生,没能目睹它究竟将要给这个世界带来什么样的变化。

      终于,在经典物理还没有来得及多多体味一下自己的盛世前,一连串意想不到的事情在19世纪的最后几年连续发生了,仿佛是一个不祥的预兆。

      1895年,伦琴(Wilhelm Konrad Rontgen)发现了X射线。

      1896年,贝克勒尔(Antoine Herni Becquerel)发现了铀元素的放射现象。

      1897年,居里夫人(Marie Curie)和她的丈夫皮埃尔?居里研究了放射性,并发现了更多的放射性元素:钍、钋、镭。

      1897年,J.J.汤姆逊(Joseph John Thomson)在研究了阴极射线后认为它是一种带负电的粒子流。电子被发现了。

      1899年,卢瑟福(Ernest Rutherford)发现了元素的嬗变现象。

      如此多的新发现接连涌现,令人一时间眼花缭乱。每一个人都开始感觉到了一种不安,似乎有什么重大的事件即将发生。物理学这座大厦依然耸立,看上去依然那么雄伟,那么牢不可破,但气氛却突然变得异常凝重起来,一种山雨欲来的压抑感觉在人们心中扩散。新的世纪很快就要来到,人们不知道即将发生什么,历史将要何去何从。眺望天边,人们隐约可以看到两朵小小的乌云,小得那样不起眼。没人知道,它们即将带来一场狂风暴雨,将旧世界的一切从大地上彻底抹去。

      但是,在暴风雨到来之前,还是让我们抬头再看一眼黄金时代的天空,作为最后的怀念。金色的光芒照耀在我们的脸上,把一切都染上了神圣的色彩。经典物理学的大厦在它的辉映下,是那样庄严雄伟,溢彩流光,令人不禁想起神话中宙斯和众神在奥林匹斯山上那亘古不变的宫殿。谁又会想到,这震撼人心的壮丽,却是斜阳投射在庞大帝国土地上最后的余辉。

      (第一章完)


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       第 5
    第二章 乌云一
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      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第二章乌云

      一


      1900年的4月27日,伦敦的天气还是有一些阴冷。马路边的咖啡店里,人们兴致勃勃地谈论着当时正在巴黎举办的万国博览会。街上的报童在大声叫卖报纸,那上面正在讨论中国义和团运动最新的局势进展以及各国在北京使馆人员的状况。一位绅士彬彬有礼地扶着贵妇人上了马车,赶去听普契尼的歌剧《波希米亚人》。两位老太太羡慕地望着马车远去,对贵妇帽子的式样大为赞叹,但不久后,她们就找到了新的话题,开始对拉塞尔伯爵的离婚案评头论足起来。看来,即使是新世纪的到来,也不能改变这个城市古老而传统的生活方式。

      相比之下,在阿尔伯马尔街皇家研究所(Royal Institution, Albemarle Street)举行的报告会就没有多少人注意了。伦敦的上流社会好像已经把他们对科学的热情在汉弗来?戴维爵士(Sir Humphry Davy)那里倾注得一干二净,以致在其后几十年的时间里都表现得格外漠然。不过,对科学界来说,这可是一件大事。欧洲有名的科学家都赶来这里,聆听那位德高望重,然而却以顽固出名的老头子--开尔文男爵(Lord Kelvin)的发言。

      开尔文的这篇演讲名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》。当时已经76岁,白发苍苍的他用那特有的爱尔兰口音开始了发言,他的第一段话是这么说的:

      “动力学理论断言,热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了……”(‘The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds.’)

      这个“乌云”的比喻后来变得如此出名,以致于在几乎每一本关于物理史的书籍中都被反复地引用,成了一种模式化的陈述。联系到当时人们对物理学大一统的乐观情绪,许多时候这个表述又变成了“在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云”。这两朵著名的乌云,分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。再具体一些,指的就是人们在迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。

      迈克尔逊-莫雷实验的用意在于探测光以太对于地球的漂移速度。在人们当时的观念里,以太代表了一个绝对静止的参考系,而地球穿过以太在空间中运动,就相当于一艘船在高速行驶,迎面会吹来强烈的“以太风”。迈克尔逊在1881年进行了一个实验,想测出这个相对速度,但结果并不十分令人满意。于是他和另外一位物理学家莫雷合作,在1886年安排了第二次实验。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了:他们动用了最新的干涉仪,为了提高系统的灵敏度和稳定性,他们甚至多方筹措弄来了一块大石板,把它放在一个水银槽上,这样就把干扰的因素降到了最低。

      然而实验结果却让他们震惊和失望无比:两束光线根本就没有表现出任何的时间差。以太似乎对穿越于其中的光线毫无影响。迈克尔逊和莫雷不甘心地一连观测了四天,本来甚至想连续观测一年以确定地球绕太阳运行四季对以太风造成的差别,但因为这个否定的结果是如此清晰而不容质疑,这个计划也被无奈地取消了。

      迈克尔逊-莫雷实验是物理史上最有名的“失败的实验”。它当时在物理界引起了轰动,因为以太这个概念作为绝对运动的代表,是经典物理学和经典时空观的基础。而这根支撑着经典物理学大厦的梁柱竟然被一个实验的结果而无情地否定,那马上就意味着整个物理世界的轰然崩塌。不过,那时候再悲观的人也不认为,刚刚取得了伟大胜利,到达光辉顶峰的经典物理学会莫名其妙地就这样倒台,所以人们还是提出了许多折衷的办法,爱尔兰物理学家费兹杰惹(George FitzGerald)和荷兰物理学家洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz)分别独立地提出了一种假说,认为物体在运动的方向上会发生长度的收缩,从而使得以太的相对运动速度无法被测量到。这些假说虽然使得以太的概念得以继续保留,但业已经对它的意义提出了强烈的质问,因为很难想象,一个只具有理论意义的“假设物理量”究竟有多少存在的必要。开尔文所说的“第一朵乌云”就是在这个意义上提出来的,不过他认为长度收缩的假设无论如何已经使人们“摆脱了困境”,所要做的只是修改现有理论以更好地使以太和物质的相互作用得以自洽罢了。

      至于“第二朵乌云”,指的是黑体辐射实验和理论的不一致。它在我们的故事里将起到十分重要的作用,所以我们会在后面的章节里仔细地探讨这个问题。在开尔文发表演讲的时候,这个问题仍然没有任何能够得到解决的迹象。不过开尔文对此的态度倒也是乐观的,因为他本人就并不相信玻尔兹曼的能量均分学说,他认为要驱散这朵乌云,最好的办法就是否定玻尔兹曼的学说(而且说老实话,玻尔兹曼的分子运动理论在当时的确还是有着巨大的争议,以致于这位罕见的天才苦闷不堪,精神出现了问题。当年玻尔兹曼就尝试自杀而未成,但他终于在6年后的一片小森林里亲手结束了自己的生命,留下了一个科学史上的大悲剧)。

      年迈的开尔文站在讲台上,台下的听众对于他的发言给予热烈的鼓掌。然而当时,他们中间却没有一个人(包括开尔文自己)会了解,这两朵小乌云对于物理学来说究竟意味着什么。他们绝对无法想象,正是这两朵不起眼的乌云马上就要给这个世界带来一场前所未有的狂风暴雨,电闪雷鸣,并引发可怕的大火和洪水,彻底摧毁现在的繁华美丽。他们也无法知道,这两朵乌云很快就要把他们从豪华舒适的理论宫殿中驱赶出来,放逐到布满了荆棘和陷阱的原野里去过上几十年颠沛流离的生活。他们更无法预见,正是这两朵乌云,终究会给物理学带来伟大的新生,在烈火和暴雨中实现涅磐,并重新建造起两幢更加壮观美丽的城堡来。

      第一朵乌云,最终导致了相对论革命的爆发。

      第二朵乌云,最终导致了量子论革命的爆发。

      今天看来,开尔文当年的演讲简直像一个神秘的谶言,似乎在冥冥中带有一种宿命的意味。科学在他的预言下打了一个大弯,不过方向却是完全出乎开尔文意料的。如果这位老爵士能够活到今天,读到物理学在新世纪里的发展历史,他是不是会为他当年的一语成谶而深深震惊,在心里面打一个寒噤呢?

      *********

      饭后闲话:伟大的“意外”实验

      我们今天来谈谈物理史上的那些著名的“意外”实验。用“意外”这个词,指的是实验未能取得预期的成果,可能在某种程度上,也可以称为“失败”实验吧。

      我们在上面已经谈到了迈克尔逊-莫雷实验,这个实验的结果是如此地令人震惊,以致于它的实验者在相当的一段时期里都不敢相信自己结果的正确性。但正是这个否定的证据,最终使得“光以太”的概念寿终正寝,使得相对论的诞生成为了可能。这个实验的失败在物理史上却应该说是一个伟大的胜利,科学从来都是只相信事实的。

      近代科学的历史上,也曾经有过许多类似的具有重大意义的意外实验。也许我们可以从拉瓦锡(AL Laroisier)谈起。当时的人们普遍相信,物体燃烧是因为有“燃素”离开物体的结果。但是1774年的某一天,拉瓦锡决定测量一下这种“燃素”的具体重量是多少。他用他的天平称量了一块锡的重量,随即点燃它。等金属完完全全地烧成了灰烬之后,拉瓦锡小心翼翼地把每一粒灰烬都收集起来,再次称量了它的重量。

      结果使得当时的所有人都瞠目结舌。按照燃素说,燃烧后的灰烬应该比燃烧前要轻。退一万步,就算燃素完全没有重量,也应该一样重。可是拉瓦锡的天平却说:灰烬要比燃烧前的金属重,测量燃素重量成了一个无稽之谈。然而拉瓦锡在吃惊之余,却没有怪罪于自己的天平,而是将怀疑的眼光投向了燃素说这个庞然大物。在他的推动下,近代化学终于在这个体系倒台的轰隆声中建立了起来。

      到了1882年,实验上的困难同样开始困扰剑桥大学的化学教授瑞利(J.W.S Rayleigh)。他为了一个课题,需要精确地测量各种气体的比重。然而在氮的问题上,瑞利却遇到了麻烦。事情是这样的:为了保证结果的准确,瑞利采用了两种不同的方法来分离气体。一种是通过化学家们熟知的办法,用氨气来制氮,另一种是从普通空气中,尽量地除去氧、氢、水蒸气等别的气体,这样剩下的就应该是纯氮气了。然而瑞利却苦恼地发现两者的重量并不一致,后者要比前者重了千分之二。

      虽然是一个小差别,但对于瑞利这样的讲究精确的科学家来说是不能容忍的。为了消除这个差别,他想尽了办法,几乎检查了他所有的仪器,重复了几十次实验,但是这个千分之二的差别就是顽固地存在在那里,随着每一次测量反而更加精确起来。这个障碍使得瑞利几乎要发疯,在百般无奈下他写信给另一位化学家拉姆塞(William Ramsay)求救。后者敏锐地指出,这个重量差可能是由于空气里混有了一种不易察觉的重气体而造成的。在两者的共同努力下,氩气(Ar)终于被发现了,并最终导致了整个惰性气体族的发现,成为了元素周期表存在的一个主要证据。

      另一个值得一谈的实验是1896年的贝克勒尔(Antoine Herni Becquerel)做出的。当时X射线刚被发现不久,人们对它的来由还不是很清楚。有人提出太阳光照射荧光物质能够产生X射线,于是贝克勒尔对此展开了研究,他选了一种铀的氧化物作为荧光物质,把它放在太阳下暴晒,结果发现它的确使黑纸中的底片感光了,于是他得出初步结论:阳光照射荧光物质的确能产生X射线。

      但是,正当他要进一步研究时,意外的事情发生了。天气转阴,乌云一连几天遮蔽了太阳。贝克勒尔只好把他的全套实验用具,包括底片和铀盐全部放进了保险箱里。然而到了第五天,天气仍然没有转晴的趋势,贝克勒尔忍不住了,决定把底片冲洗出来再说。铀盐曾受了一点微光的照射,不管如何在底片上应该留下一些模糊的痕迹吧?

      然而,在拿到照片时,贝克勒尔经历了每个科学家都梦寐以求的那种又惊又喜的时刻。他的脑中一片晕眩:底片曝光得是如此彻底,上面的花纹是如此地清晰,甚至比强烈阳光下都要超出一百倍。这是一个历史性的时刻,元素的放射性第一次被人们发现了,虽然是在一个戏剧性的场合下。贝克勒尔的惊奇,终究打开了通向原子内部的大门,使得人们很快就看到了一个全新的世界。

      在量子论的故事后面,我们会看见更多这样的意外。这些意外,为科学史添加了一份绚丽的传奇色彩,也使人们对神秘的自然更加兴致勃勃。那也是科学给我们带来的快乐之一啊。


    第二章 乌云二
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      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第二章乌云

      二


      上次说到,开尔文在世纪之初提到了物理学里的两朵“小乌云”。其中第一朵是指迈克尔逊-莫雷实验令人惊奇的结果,第二朵则是人们在黑体辐射的研究中所遇到的困境。

      我们的故事终于就要进入正轨,而这一切的一切,都要从那令人困惑的“黑体”开始。

      大家都知道,一个物体之所以看上去是白色的,那是因为它反射所有频率的光波;反之,如果看上去是黑色的,那是因为它吸收了所有频率的光波的缘故。物理上定义的“黑体”,指的是那些可以吸收全部外来辐射的物体,比如一个空心的球体,内壁涂上吸收辐射的涂料,外壁上开一个小孔。那么,因为从小孔射进球体的光线无法反射出来,这个小孔看上去就是绝对黑色的,即是我们定义的“黑体”。

      19世纪末,人们开始对黑体模型的热辐射问题发生了兴趣。其实,很早的时候,人们就已经注意到对于不同的物体,热和辐射似乎有一定的对应关联。比如说金属,有过生活经验的人都知道,要是我们把一块铁放在火上加热,那么到了一定温度的时候,它会变得暗红起来(其实在这之前有不可见的红外线辐射),温度再高些,它会变得橙黄,到了极度高温的时候,如果能想办法不让它汽化了,我们可以看到铁块将呈现蓝白色。也就是说,物体的热辐射和温度有着一定的函数关系(在天文学里,有“红巨星”和“蓝巨星”,前者呈暗红色,温度较低,通常属于老年恒星;而后者的温度极高,是年轻恒星的典范)。

      问题是,物体的辐射能量和温度究竟有着怎样的函数关系呢?

      最初对于黑体辐射的研究是基于经典热力学的基础之上的,而许多著名的科学家在此之前也已经做了许多基础工作。美国人兰利(Samuel Pierpont Langley)发明的热辐射计是一个最好的测量工具,配合罗兰凹面光栅,可以得到相当精确的热辐射能量分布曲线。“黑体辐射”这个概念则是由伟大的基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhoff)提出,并由斯特藩(Josef Stefan)加以总结和研究的。到了19世纪80年代,玻尔兹曼建立了他的热力学理论,种种迹象也表明,这是黑体辐射研究的一个强大理论武器。总而言之,这一切就是当维尔赫姆?维恩(Wilhelm Wien)准备从理论上推导黑体辐射公式的时候,物理界在这一课题上的一些基本背景。

      维恩是东普鲁士一个地主的儿子,本来似乎命中注定也要成为一个农场主,但是当时的经济危机使他下定决心进入大学学习。在海德堡、哥廷根和柏林大学度过了他的学习生涯之后,维恩在1887年进入了德国帝国技术研究所(Physikalisch Technische Reichsanstalt,PTR),成为了赫尔姆霍兹实验室的主要研究员。就是在柏林的这个实验室里,他准备一展他在理论和实验物理方面的天赋,彻底地解决黑体辐射这个问题。

      维恩从经典热力学的思想出发,假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的,然后通过精密的演绎,他终于在1883年提出了他的辐射能量分布定律公式:

      u = b(λ^-5)(e^-a/λT)

      (其中λ^-5和e^-a/λT分别表示λ的-5次方以及e的-a/λT次方。u表示能量分布的函数,λ是波长,T是绝对温度,a,b是常数。当然,这里只是给大家看一看这个公式的样子,对数学和物理没有研究的朋友们大可以看过就算,不用理会它具体的意思)。

      这就是著名的维恩分布公式。很快,另一位德国物理学家帕邢(F.Paschen)在兰利的基础上对各种固体的热辐射进行了测量,结果很好地符合了维恩的公式,这使得维恩取得了初步胜利。

      然而,维恩却面临着一个基本的难题:他的出发点似乎和公认的现实格格不入,换句话说,他的分子假设使得经典物理学家们十分地不舒服。因为辐射是电磁波,而大家已经都知道,电磁波是一种波动,用经典粒子的方法去分析,似乎让人感到隐隐地有些不对劲,有一种南辕北辙的味道。

      果然,维恩在帝国技术研究所(PTR)的同事很快就做出了另外一个实验。卢梅尔(Otto Richard Lummer)和普林舍姆(Ernst Pringsheim)于1899年报告,当把黑体加热到1000多K的高温时,测到的短波长范围内的曲线和维恩公式符合得很好,但在长波方面,实验和理论出现了偏差。很快,PTR的另两位成员鲁本斯(Heinrich Rubens)和库尔班(Ferdinand Kurlbaum)扩大了波长的测量范围,再次肯定了这个偏差,并得出结论,能量密度在长波范围内应该和绝对温度成正比,而不是维恩所预言的那样,当波长趋向无穷大时,能量密度和温度无关。在19世纪的最末几年,PTR这个由西门子和赫尔姆霍兹所创办的机构似乎成为了热力学领域内最引人瞩目的地方,这里的这群理论与实验物理学家,似乎正在揭开一个物理内最大的秘密。

      维恩定律在长波内的失效引起了英国物理学家瑞利(还记得上次我们闲话里的那位苦苦探究氮气重量,并最终发现了惰性气体的爵士吗?)的注意,他试图修改公式以适应u和T在高温长波下成正比这一实验结论,最终得出了他自己的公式。不久后另一位物理学家金斯(J.H.Jeans)计算出了公式里的常数,最后他们得到的公式形式如下:

      u = 8π(υ^2)kT / c^3

      这就是我们今天所说的瑞利-金斯公式(Rayleigh-Jeans),其中υ是频率,k是玻尔兹曼常数,c是光速。同样,没有兴趣的朋友可以不必理会它的具体涵义,这对于我们的故事没有什么影响。

      这样一来,就从理论上证明了u和T在高温长波下成正比的实验结果。但是,也许就像俗话所说的那样,瑞利-金斯公式是一个拆东墙补西墙的典型。因为非常具有讽刺意义的是,它在长波方面虽然符合了实验数据,但在短波方面的失败却是显而易见的。当波长λ趋于0,也就是频率υ趋向无穷大时,大家可以从上面的公式里看出我们的能量辐射也将不可避免地趋向无穷大。换句话说,我们的黑体将在波长短到一定程度的时候释放出几乎是无穷的能量来。

      这个戏剧性的事件无疑是荒谬的,因为谁也没见过任何物体在任何温度下这样地释放能量辐射(如果真要这样的话,那么原子弹什么的就太简单了)。这个推论后来被加上了一个耸人听闻的,十分适合在科幻小说里出现的称呼,叫做“紫外灾变”。显然,瑞利-金斯公式也无法给出正确的黑体辐射分布。

      我们在这里遇到的是一个相当微妙而尴尬的处境。我们的手里现在有两套公式,但不幸的是,它们分别只有在短波和长波的范围内才能起作用。这的确让人们非常地郁闷,就像你有两套衣服,其中的一套上装十分得体,但裤腿太长;另一套的裤子倒是合适了,但上装却小得无法穿上身。最要命的是,这两套衣服根本没办法合在一起穿。

      总之,在黑体问题上,如果我们从经典粒子的角度出发去推导,就得到适用于短波的维恩公式。如果从类波的角度去推导,就得到适用于长波的瑞利-金斯公式。鱼与熊掌不能兼得,长波还是短波,那就是个问题。

      这个难题就这样困扰着物理学家们,有一种黑色幽默的意味。当开尔文在台上描述这“第二朵乌云”的时候,人们并不知道这个问题最后将得到一种怎么样的解答。

      然而,毕竟新世纪的钟声已经敲响,物理学的伟大革命就要到来。就在这个时候,我们故事里的第一个主角,一个留着小胡子,略微有些谢顶的德国人--马克斯?普朗克登上了舞台,物理学全新的一幕终于拉开了。


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    第二章 乌云三
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      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第二章乌云

      三


      上次说到,在黑体问题的研究上,我们有了两套公式。可惜,一套只能对长波范围内有效,而另一套只对短波有效。正当人们为这个Dilemma头痛不已的时候,马克斯?普朗克登上了历史舞台。命中注定,这个名字将要光照整个20世纪的物理史。

      普朗克(Max Carl Ernst Ludwig Planck)于1858年出生于德国基尔(Kiel)的一个书香门第。他的祖父和曾祖父都是神学教授,他的父亲则是一位著名的法学教授,曾经参予过普鲁士民法的起草工作。1867年,普朗克一家移居到慕尼黑,小普朗克便在那里上了中学和大学。在俾斯麦的帝国蒸蒸日上的时候,普朗克却保留着古典时期的优良风格,对文学和音乐非常感兴趣,也表现出了非凡的天才来。

      不过,很快他的兴趣便转到了自然方面。在中学的课堂里,他的老师形象地给学生们讲述一位工人如何将砖头搬上房顶,而工人花的力气储存在高处的势能里,一旦砖头掉落下来,能量便又随之释放出来……。能量这种神奇的转换与守恒极大地吸引了好奇的普朗克,使得他把目光投向了神秘的自然规律中去,这也成为了他一生事业的起点。德意志失去了一位音乐家,但是失之东隅收之桑榆,她却因此得到了一位开天辟地的科学巨匠。

      不过,正如我们在前一章里面所说过的那样,当时的理论物理看起来可不是一个十分有前途的工作。普朗克在大学里的导师祖利(Philipp von Jolly)劝他说,物理的体系已经建立得非常成熟和完整了,没有什么大的发现可以做出了,不必再花时间浪费在这个没有多大意义的工作上面。普朗克委婉地表示,他研究物理是出于对自然和理性的兴趣,只是想把现有的东西搞搞清楚罢了,并不奢望能够做出什么巨大的成就。讽刺地是,由今天看来,这个“很没出息”的表示却成就了物理界最大的突破之一,成就了普朗克一生的名望。我们实在应该为这一决定感到幸运。

      1879年,普朗克拿到了慕尼黑大学的博士学位,随后他便先后在基尔大学、慕尼黑大学和柏林大学任教,并接替了基尔霍夫的职位。普朗克的研究兴趣本来只是集中于经典热力学的领域,但是1896年,他读到了维恩关于黑体辐射的论文,并对此表现出了极大的兴趣。在普朗克看来,维恩公式体现出来的这种物体的内在规律--和物体本身性质无关的绝对规律--代表了某种客观的永恒不变的东西。它独立于人和物质世界而存在,不受外部世界的影响,是科学追求的最崇高的目标。普朗克的这种偏爱正是经典物理学的一种传统和风格,对绝对严格规律的一种崇尚。这种古典而保守的思想经过了牛顿、拉普拉斯和麦克斯韦,带着黄金时代的全部贵族气息,深深渗透在普朗克的骨子里面。然而,这位可敬的老派科学家却没有意识到,自己已经在不知不觉中走到了时代的最前沿,命运已经在冥冥之中,给他安排了一个离经叛道的角色。

      让我们言归正传。在那个风云变换的世纪之交,普朗克决定彻底解决黑体辐射这个困扰人们多时的问题。他的手上已经有了维恩公式,可惜这个公式只有在短波的范围内才能正确地预言实验结果。另一方面,虽然普朗克自己声称,他当时不清楚瑞利公式,但他无疑也知道,在长波范围内,u和T成简单正比关系这一事实。这是由他的一个好朋友,实验物理学家鲁本斯(Heinrich Rubens,上一章提到过)在1900年的10月7号的中午告诉他的。到那一天为止,普朗克在这个问题上已经花费了6年的时光(1894年,在他还没有了解到维恩的工作的时候,他就已经对这一领域开始了考察),但是所有的努力都似乎徒劳无功。

      现在,请大家肃静,让我们的普朗克先生好好地思考问题。摆在他面前的全部事实,就是我们有两个公式,分别只在一个有限的范围内起作用。但是,如果从根本上去追究那两个公式的推导,却无法发现任何问题。而我们的目的,在于找出一个普遍适用的公式来。

      10月的德国已经进入仲秋。天气越来越阴沉,厚厚的云彩堆积在天空中,黑夜一天比一天来得漫长。落叶缤纷,铺满了街道和田野,偶尔吹过凉爽的风,便沙沙作响起来。白天的柏林热闹而喧嚣,入夜的柏林静谧而庄重,但在这静谧和喧嚣中,却不曾有人想到,一个伟大的历史时刻即将到来。

      在柏林大学那间堆满了草稿的办公室里,普朗克为了那两个无法调和的公式而苦思冥想。终于有一天,他决定,不再去做那些根本上的假定和推导,不管怎么样,我们先尝试着凑出一个可以满足所有波段的公式出来。其他的问题,之后再说吧。

      于是,利用数学上的内插法,普朗克开始玩弄起他手上的两个公式来。要做的事情,是让维恩公式的影响在长波的范围里尽量消失,而在短波里“独家”发挥出来。普朗克尝试了几天,终于遇上了一个Bingo Moment,他凑出了一个公式,看上去似乎正符合要求。在长波的时候,它表现得就像正比关系一样。而在短波的时候,它则退化为维恩公式的原始形式。

      10月19号,普朗克在柏林德国物理学会(Deutschen Physikalischen Gesellschaft)的会议上,把这个新鲜出炉的公式公诸于众。当天晚上,鲁本斯就仔细比较了这个公式与实验的结果。结果,让他又惊又喜的是,普朗克的公式大获全胜,在每一个波段里,这个公式给出的数据都十分精确地与实验值相符合。第二天,鲁本斯便把这个结果通知了普朗克本人,在这个彻底的成功面前,普朗克自己都不由得一愣。他没有想到,这个完全是侥幸拼凑出来的经验公式居然有着这样强大的威力。

      当然,他也想到,这说明公式的成功绝不仅仅是侥幸而已。这说明了,在那个神秘的公式背后,必定隐藏着一些不为人们所知的秘密。必定有某种普适的原则假定支持着这个公式,这才使得它展现出无比强大的力量来。

      普朗克再一次地注视他的公式,它究竟代表了一个什么样的物理意义呢?他发现自己处在一个相当尴尬的地位,知其然,但不知其所以然。普朗克就像一个倒霉的考生,事先瞥了一眼参考书,但是答辩的时候却发现自己只记得那个结论,而完全不知道如何去证明和阐述它。实验的结果是确凿的,它毫不含糊地证明了理论的正确性,但是这个理论究竟为什么正确,它建立在什么样的基础上,它究竟说明了什么?却没有一个人可以回答。

      然而,普朗克却知道,这里面隐藏的是一个至关重要的东西,它关系到整个热力学和电磁学的基础。普朗克已经模糊地意识到,似乎有一场风暴即将袭来,对于这个不起眼的公式的剖析,将改变物理学的一些面貌。一丝第六感告诉他,他生命中最重要的一段时期已经到来了。

      多年以后,普朗克在给人的信中说:

      “当时,我已经为辐射和物质的问题而奋斗了6年,但一无所获。但我知道,这个问题对于整个物理学至关重要,我也已经找到了确定能量分布的那个公式。所以,不论付出什么代价,我必须找到它在理论上的解释。而我非常清楚,经典物理学是无法解决这个问题的……”

      (Letter to R. W. Wood, 1931)

      在人生的分水岭上,普朗克终于决定拿出他最大的决心和勇气,来打开面前的这个潘多拉盒子,无论那里面装的是什么。为了解开这个谜团,普朗克颇有一种破釜沉舟的气概。除了热力学的两个定律他认为不可动摇之外,甚至整个宇宙,他都做好了抛弃的准备。不过,饶是如此,当他终于理解了公式背后所包含的意义之后,他还是惊讶到不敢相信和接受所发现的一切。普朗克当时做梦也没有想到,他的工作绝不仅仅是改变物理学的一些面貌而已。事实上,整个物理学和化学都将被彻底摧毁和重建,一个新的时代即将到来。

      1900年的最后几个月,黑体这朵飘在物理天空中的乌云,内部开始翻滚动荡起来。

      *********

      饭后闲话:世界科学中心

      在我们的史话里,我们已经看见了许许多多的科学伟人,从中我们也可以清晰地看见世界性科学中心的不断迁移。

      现代科学创立之初,也就是17,18世纪的时候,英国是毫无争议的世界科学中心(以前是意大利)。牛顿作为一代科学家的代表自不用说,波义耳、胡克、一直到后来的戴维、卡文迪许、道尔顿、法拉第、托马斯杨,都是世界首屈一指的大科学家。但是很快,这一中心转到了法国。法国的崛起由伯努利(Daniel Bernoulli)、达朗贝尔(J.R.d'Alembert)、拉瓦锡、拉马克等开始,到了安培(Andre Marie Ampere)、菲涅尔、卡诺(Nicolas Carnot)、拉普拉斯、傅科、泊松、拉格朗日的时代,已经在欧洲独领风骚。不过进入19世纪的后半,德国开始迎头赶上,涌现出了一大批天才,高斯、欧姆、洪堡、沃勒(Friedrich Wohler)、赫尔姆霍兹、克劳修斯、玻尔兹曼、赫兹……虽然英国连出了法拉第、麦克斯韦、达尔文这样的伟人,也不足以抢回它当初的地位。到了20世纪初,德国在科学方面的成就到达了最高峰,成为了世界各地科学家心目中的圣地,柏林、慕尼黑和哥廷根成为了当时自然科学当之无愧的世界性中心。我们在以后的史话里,将会看到越来越多德国人的名字。不幸的是,纳粹上台之后,德国的科技地位一落千丈,大批科学家出逃外国,直接造成了美国的崛起,直到今日。

      只不知,下一个霸主又会是谁呢?


    第二章 乌云四
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      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第二章乌云

      四


      上次说到,普朗克在研究黑体的时候,偶尔发现了一个普适公式,但是,他却不知道这个公式背后的物理意义。

      为了能够解释他的新公式,普朗克已经决定抛却他心中的一切传统成见。他反复地咀嚼新公式的含义,体会它和原来那两个公式的联系以及不同。我们已经看到了,如果从玻尔兹曼运动粒子的角度来推导辐射定律,就得到维恩的形式,要是从纯麦克斯韦电磁辐射的角度来推导,就得到瑞利-金斯的形式。那么,新的公式,它究竟是建立在粒子的角度上,还是建立在波的角度上呢?

      作为一个传统的保守的物理学家,普朗克总是尽可能试图在理论内部解决问题,而不是颠覆这个理论以求得突破。更何况,他面对的还是有史以来最伟大的麦克斯韦电磁理论。但是,在种种尝试都失败了以后,普朗克发现,他必须接受他一直不喜欢的统计力学立场,从玻尔兹曼的角度来看问题,把熵和几率引入到这个系统里来。

      那段日子,是普朗克一生中最忙碌,却又最光辉的日子。20年后,1920年,他在诺贝尔得奖演说中这样回忆道:

      “……经过一生中最紧张的几个礼拜的工作,我终于看见了黎明的曙光。一个完全意想不到的景象在我面前呈现出来。”(…until after some weeks of the most intense work of my life clearness began to dawn upon me, and an unexpected view revealed itself in the distance)

      什么是“完全意想不到的景象”呢?原来普朗克发现,仅仅引入分子运动理论还是不够的,在处理熵和几率的关系时,如果要使得我们的新方程成立,就必须做一个假定,假设能量在发射和吸收的时候,不是连续不断,而是分成一份一份的。

      为了引起各位听众足够的注意力,我想我应该把上面这段话重复再写一遍。事实上我很想用初号的黑体字来写这段话,但可惜论坛不给我这个功能。

      “必须假定,能量在发射和吸收的时候,不是连续不断,而是分成一份一份的。”

      在了解它的具体意义之前,不妨先了解一个事实:正是这个假定,推翻了自牛顿以来200多年,曾经被认为是坚固不可摧毁的经典世界。这个假定以及它所衍生出的意义,彻底改变了自古以来人们对世界的最根本的认识。极盛一时的帝国,在这句话面前轰然土崩瓦解,倒坍之快之彻底,就像爱伦?坡笔下厄舍家那间不祥的庄园。

      好,回到我们的故事中来。能量不是连续不断的,这有什么了不起呢?

      很了不起。因为它和有史以来一切物理学家的观念截然相反(可能某些伪科学家除外,呵呵)。自从伽利略和牛顿用数学规则驯服了大自然之后,一切自然的过程就都被当成是连续不间断的。如果你的中学物理老师告诉你,一辆小车沿直线从A点行驶到B点,却不经过两点中间的C点,你一定会觉得不可思议,甚至开始怀疑该教师是不是和校长有什么裙带关系。自然的连续性是如此地不容置疑,以致几乎很少有人会去怀疑这一点。当预报说气温将从20度上升到30度,你会毫不犹豫地判定,在这个过程中间气温将在某个时刻到达25度,到达28度,到达29又1/2度,到达29又3/4度,到达29又9/10度……总之,一切在20度到30度之间的值,无论有理的还是无理的,只要它在那段区间内,气温肯定会在某个时刻,精确地等于那个值。

      对于能量来说,也是这样。当我们说,这个化学反应总共释放出了100焦耳的能量的时候,我们每个人都会潜意识地推断出,在反应期间,曾经有某个时刻,总体系释放的能量等于50焦耳,等于32.233焦耳,等于3.14159……焦耳。总之,能量的释放是连续的,它总可以在某个时刻达到范围内的任何可能的值。这个观念是如此直接地植入我们的内心深处,显得天经地义一般。

      这种连续性,平滑性的假设,是微积分的根本基础。牛顿、麦克斯韦那庞大的体系,便建筑在这个地基之上,度过了百年的风雨。当物理遇到困难的时候,人们纵有怀疑的目光,也最多盯着那巍巍大厦,追问它是不是在建筑结构上有问题,却从未有丝毫怀疑它脚下的土地是否坚实。而现在,普朗克的假设引发了一场大地震,物理学所赖以建立的根本基础开始动摇了。

      普朗克的方程倔强地要求,能量必须只有有限个可能态,它不能是无限连续的。在发射的时候,它必须分成有限的一份份,必须有个最小的单位。这就像一个吝啬鬼无比心痛地付帐,虽然他尽可能地试图一次少付点钱,但无论如何,他每次最少也得付上1个penny,因为没有比这个更加小的单位了。这个付钱的过程,就是一个不连续的过程。我们无法找到任何时刻,使得付帐者正好处于付了1.00001元这个状态,因为最小的单位就是0.01元,付的帐只能这样“一份一份”地发出。我们可以找到他付了1元的时候,也可以找到他付了1.01元的时候,但在这两个状态中间,不存在别的状态,虽然从理论上说,1元和1.01元之间,还存在着无限多个数字。

      普朗克发现,能量的传输也必须遵照这种货币式的方法,一次至少要传输一个确定的量,而不可以无限地细分下去。能量的传输,也必须有一个最小的基本单位。能量只能以这个单位为基础一份份地发出,而不能出现半个单位或者四分之一单位这种情况。在两个单位之间,是能量的禁区,我们永远也不会发现,能量的计量会出现小数点以后的数字。

      1900年12月14日,人们还在忙活着准备欢度圣诞节。这一天,普朗克在德国物理学会上发表了他的大胆假设。他宣读了那篇名留青史的《黑体光谱中的能量分布》的论文,其中改变历史的是这段话:

      为了找出N个振子具有总能量Un的可能性,我们必须假设Un是不可连续分割的,它只能是一些相同部件的有限总和……

      (die Wahrscheinlichkeit zu finden, dass die N Resonatoren ingesamt Schwingungsenergie Un besitzen, Un nicht als eine unbeschr?nkt teilbare, sondern al seine ganzen Zahl von endlichen gleichen Teilen aufzufassen…)

      这个基本部件,普朗克把它称作“能量子”(Energieelement),但随后很快,在另一篇论文里,他就改称为“量子”(Elementarquantum),英语就是quantum。这个字来自拉丁文quantus,本来的意思就是“多少”,“量”。量子就是能量的最小单位,就是能量里的一美分。一切能量的传输,都只能以这个量为单位来进行,它可以传输一个量子,两个量子,任意整数个量子,但却不能传输1又1/2个量子,那个状态是不允许的,就像你不能用现钱支付1又1/2美分一样。

      那么,这个最小单位究竟是多少呢?从普朗克的方程里可以容易地推算出这个常数的大小,它约等于6.55×10^-27尔格*秒,换算成焦耳,就是6.626×10^-34焦耳*秒。这个单位相当地小,也就是说量子非常地小,非常精细。因此由它们组成的能量自然也十分“细密”,以至于我们通常看起来,它就好像是连续的一样。这个值,现在已经成为了自然科学中最为重要的常数之一,以它的发现者命名,称为“普朗克常数”,用h来表示。

      请记住1900年12月14日这个日子,这一天就是量子力学的诞辰。量子的幽灵从普朗克的方程中脱胎出来,开始在欧洲上空游荡。几年以后,它将爆发出令人咋舌的力量,把一切旧的体系彻底打破,并与联合起来的保守派们进行一场惊天动地的决斗。我们将在以后的章节里看到,这个幽灵是如此地具有革命性和毁坏性,以致于它所过之处,最富丽堂皇的宫殿都在瞬间变成了断瓦残垣。物理学构筑起来的精密体系被毫不留情地砸成废铁,千百年来亘古不变的公理被扔进垃圾箱中不得翻身。它所带来的震撼力和冲击力是如此地大,以致于后来它的那些伟大的开创者们都惊吓不已,纷纷站到了它的对立面。当然,它也决不仅仅是一个破坏者,它更是一个前所未有的建设者,科学史上最杰出的天才们参予了它成长中的每一步,赋予了它华丽的性格和无可比拟的力量。人类理性最伟大的构建终将在它的手中诞生。

      一场前所未有的革命已经到来,一场最为反叛和彻底的革命,也是最具有传奇和史诗色彩的革命。暴风雨的种子已经在乌云的中心酿成,只等适合的时候,便要催动起史无前例的雷电和风暴,向世人昭示它的存在。而这一切,都是从那个叫做马克斯?普朗克的男人那里开始的。

      *********

      饭后闲话:连续性和悖论

      古希腊有个学派叫做爱利亚派,其创建人名叫巴门尼德(Parmenides)。这位哲人对运动充满了好奇,但在他看来,运动是一种自相矛盾的行为,它不可能是真实的,而一定是一个假相。为什么呢?因为巴门尼德认为世界上只有一个唯一的“存在”,既然是唯一的存在,它就不可能有运动。因为除了“存在”就是“非存在”,“存在”怎么可能移动到“非存在”里面去呢?所以他认为“存在”是绝对静止的,而运动是荒谬的,我们所理解的运动只是假相而已。

      巴门尼德有个学生,就是大名鼎鼎的芝诺(Zeno)。他为了为他的老师辩护,证明运动是不可能的,编了好几个著名的悖论来说明运动的荒谬性。我们在这里谈谈最有名的一个,也就是“阿喀琉斯追龟辩”,这里面便牵涉到时间和空间的连续性问题。

      阿喀琉斯是史诗《伊利亚特》里的希腊大英雄。有一天他碰到一只乌龟,乌龟嘲笑他说:“别人都说你厉害,但我看你如果跟我赛跑,还追不上我。”

      阿喀琉斯大笑说:“这怎么可能。我就算跑得再慢,速度也有你的10倍,哪会追不上你?”

      乌龟说:“好,那我们假设一下。你离我有100米,你的速度是我的10倍。现在你来追我了,但当你跑到我现在这个位置,也就是跑了100米的时候,我也已经又向前跑了10米。当你再追到这个位置的时候,我又向前跑了1米,你再追1米,我又跑了1/10米……总之,你只能无限地接近我,但你永远也不能追上我。”

      阿喀琉斯怎么听怎么有道理,一时丈二和尚摸不着头脑。

      这个故事便是有着世界性声名的“芝诺悖论”(之一),哲学家们曾经从各种角度多方面地阐述过这个命题。这个命题令人困扰的地方,就在于它采用了一种无限分割空间的办法,使得我们无法跳过这个无限去谈问题。虽然从数学上,我们可以知道无限次相加可以限制在有限的值里面,但是数学从本质上只能告诉我们怎么做,而不能告诉我们能不能做到。

      但是,自从量子革命以来,学者们越来越多地认识到,空间不一定能够这样无限分割下去。量子效应使得空间和时间的连续性丧失了,芝诺所连续无限次分割的假设并不能够成立。这样一来,芝诺悖论便不攻自破了。量子论告诉我们,“无限分割”的概念是一种数学上的理想,而不可能在现实中实现。一切都是不连续的,连续性的美好蓝图,其实不过是我们的一种想象。


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    第二章 乌云五
    castor_v_pollux  


      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第二章乌云

      五


      我们的故事说到这里,如果给大家留下这么一个印象,就是量子论天生有着救世主的气质,它一出世就像闪电划破夜空,引起众人的惊叹及欢呼,并摧枯拉朽般地打破旧世界的体系。如果是这样的话,那么笔者表示抱歉,因为事实远远并非如此。

      我们再回过头来看看物理史上的伟大理论:牛顿的体系闪耀着神圣不可侵犯的光辉,从诞生的那刻起便有着一种天上地下唯我独尊的气魄。麦克斯韦的方程组简洁深刻,倾倒众生,被誉为上帝谱写的诗歌。爱因斯坦的相对论虽然是平民出身,但骨子却继承着经典体系的贵族优雅气质,它的光芒稍经发掘后便立即照亮了整个时代。这些理论,它们的成功都是近乎压倒性的,天命所归,不可抗拒。而伟人们的个人天才和魅力,则更加为其抹上了高贵而骄傲的色彩。但量子论却不同,量子论的成长史,更像是一部艰难的探索史,其中的每一步,都充满了陷阱、荆棘和迷雾。量子的诞生伴随着巨大的阵痛,它的命运注定了将要起伏而多舛。量子论的思想是如此反叛和躁动,以至于它与生俱来地有着一种对抗权贵的平民风格;而它显示出来的潜在力量又是如此地巨大而近乎无法控制,这一切都使得所有的人都对它怀有深深的惧意。

      而在这些怀有戒心的人们中间,最有讽刺意味的就要算量子的创始人:普朗克自己了。作为一个老派的传统物理学家,普朗克的思想是保守的。虽然在那个决定命运的1900年,他鼓起了最大的勇气做出了量子的革命性假设,但随后他便为这个离经叛道的思想而深深困扰。在黑体问题上,普朗克孤注一掷想要得到一个积极的结果,但最后导出的能量不连续性的图象却使得他大为吃惊和犹豫,变得畏缩不前起来。

      如果能量是量子化的,那么麦克斯韦的理论便首当其冲站在应当受置疑的地位,这在普朗克看来是不可思议,不可想象的。事实上,普朗克从来不把这当做一个问题,在他看来,量子的假设并不是一个物理真实,而纯粹是一个为了方便而引入的假设而已。普朗克压根也没有想到,自己的理论在历史上将会有着多么大的意义,当后来的一系列事件把这个意义逐渐揭露给他看时,他简直都不敢相信自己的眼睛,并为此惶恐不安。有人戏称,普朗克就像是童话里的那个渔夫,他亲手把魔鬼从封印的瓶子里放了出来,自己却反而被这个魔鬼吓了个半死。

      有十几年的时间,量子被自己的创造者所抛弃,不得不流浪四方。普朗克不断地告诫人们,在引用普朗克常数h的时候,要尽量小心谨慎,不到万不得已千万不要胡思乱想。这个思想,一直要到1915年,当玻尔的模型取得了空前的成功后,才在普朗克的脑海中扭转过来。量子论就像神话中的英雄海格力斯(Hercules),一出生就被抛弃在荒野里,命运更为他安排了重重枷锁。他的所有荣耀,都要靠自己那非凡的力量和一系列艰难的斗争来争取。作为普朗克本人来说,他从一个革命的创始者而最终走到了时代的反面,没能在这段振奋人心的历史中起到更多的积极作用,这无疑是十分遗憾的。在他去世前出版的《科学自传》中,普朗克曾回忆过他那企图调和量子与经典理论的徒劳努力,并承认量子的意义要比那时他所能想象的重要得多。

      不过,我们并不能因此而否认普朗克在量子论所做出的伟大而决定性的贡献。有一些观点可能会认为普朗克只是凭借了一个巧合般地猜测,一种胡乱的拼凑,一个纯粹的运气才发现了他的黑体方程,进而假设了量子的理论。他只是一个幸运儿,碰巧猜到了那个正确的答案而已。而这个答案究竟意味着什么,这个答案的内在价值却不是他能够回答和挖掘的。但是,几乎所有的关于普朗克的传记和研究都会告诉我们,虽然普朗克的公式在很大程度上是经验主义的,但是一切证据都表明,他已经充分地对这个答案做好了准备。1900年,普朗克在黑体研究方面已经浸淫了6年,做好了理论上突破的一切准备工作。其实在当时,他自己已经很清楚,经典的电磁理论已经无法解释实验结果,必须引入热力学解释。而这样一来,辐射能量的不连续性已经是一个不可避免的结果。这个概念其实早已在他的脑海中成形,虽然可能普朗克本人没有清楚地意识到这一点,或者不肯承认这一点,但这个思想在他的潜意识中其实已经相当成熟,呼之欲出了。正因为如此,他才能在导出方程后的短短时间里,以最敏锐的直觉指出蕴含在其中的那个无价的假设。普朗克以一种那个时代非常难得的开创性态度来对待黑体的难题,他为后来的人打开了一扇通往全新未知世界的大门。无论从哪个角度来看,这样的伟大工作,其意义都是不能低估的。

      而普朗克的保守态度也并不是偶然的。实在是量子的思想太惊人,太过于革命。从量子论的成长历史来看,有着这样一个怪圈:科学巨人们参予了推动它的工作,却终于因为不能接受它惊世骇俗的解释而纷纷站到了保守的一方去。在这个名单上,除了普朗克,更有闪闪发光的瑞利、汤姆逊、爱因斯坦、德布罗意,乃至薛定谔。这些不仅是物理史上最伟大的名字,好多更是量子论本身的开创者和关键人物。量子就在同它自身创建者的斗争中成长起来,每一步都迈得艰难而痛苦不堪。我们会在以后的章节中,详细地去观察这些激烈的思想冲击和观念碰撞。不过,正是这样的磨砺,才使得一部量子史话显得如此波澜壮阔,激动人心,也使得量子论本身更加显出它的不朽光辉来。量子论不像牛顿力学或者爱因斯坦相对论,它的身上没有天才的个人标签,相反,整整一代精英共同促成了它的光荣。

      作为老派科学家的代表,普朗克的科学精神和人格力量无疑是可敬的。在纳粹统治期间,正是普朗克的努力,才使得许多犹太裔的科学家得到保护,得以继续工作。但是,量子论这个精灵蹦跳在时代的最前缘,它需要最有锐气的头脑和最富有创见的思想来激活它的灵气。20世纪初,物理的天空中已是黑云压城,每一升空气似乎都在激烈地对流和振荡。一个伟大的时代需要伟大的人物,有史以来最出色和最富激情的一代物理学家便在这乱世的前夕成长起来。

      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,宣告了量子的诞生。那一年他42岁。

      就在那一年,一个名叫阿尔伯特?爱因斯坦(Albert Einstein)的青年从苏黎世联邦工业大学(ETH)毕业,正在为将来的生活发愁。他在大学里旷了无穷多的课,以致他的教授闵可夫斯基(Minkowski)愤愤地骂他是“懒狗”。没有一个人肯留他在校做理论或者实验方面的工作,一个失业的黯淡前途正等待着这位不修边幅的年轻人。

      在丹麦,15岁的尼尔斯?玻尔(Niels Bohr)正在哥本哈根的中学里读书。玻尔有着好动的性格,每次打架或争论,总是少不了他。学习方面,他在数学和科学方面显示出了非凡的天才,但是他的笨拙的口齿和惨不忍睹的作文却是全校有名的笑柄。特别是作文最后的总结(conclusion),往往使得玻尔头痛半天,在他看来,这种总结是无意义的重复而已。有一次他写一篇关于金属的论文,最后总结道:In conclusion, I would like to mention uranium(总而言之,我想说的是铀)。

      埃尔文?薛定谔(Erwin Schrodinger)比玻尔小两岁,当时在维也纳的一间著名的高级中学Akademisches Gymnasium上学。这间中学也是物理前辈玻尔兹曼,著名剧作家施尼茨勒(Arthur Schnitzler)和齐威格(Stefanie Zweig)的母校。对于刚入校的学生来说,拉丁文是最重要的功课,每周要占8个小时,而数学和物理只用3个小时。不过对薛定谔来说一切都是小菜一碟,他热爱古文、戏剧和历史,每次在班上都是第一。小埃尔文长得非常帅气,穿上礼服和紧身裤,俨然一个翩翩小公子,这也使得他非常受到欢迎。

      马克斯?波恩(Max Born)和薛定谔有着相似的教育背景,经过了家庭教育,高级中学的过程进入了布雷斯劳大学(这也是当时德国和奥地利中上层家庭的普遍做法)。不过相比薛定谔来说,波恩并不怎么喜欢拉丁文,甚至不怎么喜欢代数,尽管他对数学的看法后来在大学里得到了改变。他那时疯狂地喜欢上了天文,梦想着将来成为一个天文学家。

      路易斯?德布罗意(Louis de Broglie)当时8岁,正在他那显赫的贵族家庭里接受良好的幼年教育。他对历史表现出浓厚的兴趣,并乐意把自己的时间花在这上面。

      沃尔夫冈?恩斯特?泡利(Wolfgang Ernst Pauli)才出生8个月,可怜的小家伙似乎一出世就和科学结缘。他的middle name,Ernst,就是因为他父亲崇拜著名的科学家恩斯特?马赫(Ernst Mach)才给他取的。

      而再过12个月,维尔兹堡(Wurzberg)的一位著名希腊文献教授就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海森堡(Werner Karl Heisenberg)呱呱坠地。稍早前,罗马的一位公务员把他的孩子命名为恩里科?费米(Enrico Fermi)。20个月后,保罗?狄拉克(Paul Dirac)也将出生在英国的布里斯托尔港。

      好,演员到齐。那么,好戏也该上演了。

      (第二章完)


    回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2005/2/5 21:46:00   
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    第三章 火流星一
    castor_v_pollux  


      /*为了庆祝考试完毕,闭门重温曹操传一个礼拜,不闻窗外事。突然发现信箱里有许多朋友发来的支持本系列的言语,不得不硬着头皮继续赶文债,呵呵。俺本是懒的,写来为了好玩,现在的规模有点失控,要完整地写下来怕是要超过10万字,有点怕。本来也有别的事做,再说暑假本是背个包和MM们走四方的时候,恐怕要俺静下心来老实写东西有点勉为其难。不过不管怎么样,有空了是一定会继续写这篇东东的,多谢大家支持。*/


      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第三章火流星

      一

      在量子初生的那些日子里,物理学的境遇并没有得到明显的改善。这个叛逆的小精灵被他的主人所抛弃,不得不在荒野中颠沛流离,积蓄力量以等待让世界震惊的那一天。在这段长达四年多的惨淡岁月里,人们带着一种鸵鸟心态来使用普朗克的公式,却掩耳盗铃般地不去追究那公式背后的意义。然而在他们的头上,浓厚的乌云仍然驱之不散,反而有越来越逼人的气势,一场荡涤世界的暴雨终究无可避免。

      而预示这种巨变到来的,如同往常一样,是一道劈开天地的闪电。在混沌中,电火花擦出了耀眼的亮光,代表了永恒不变的希望。光和电这两种令神袛也敬畏的力量纠缠在一起,便在瞬间开辟出一整个新时代来。

      说到这里,我们还是要不厌其烦地回到第一章的开头,再去看一眼赫兹那个意义非凡的实验。正如我们已经提到过的那样,赫兹接收器上电火花的爆跃,证实了电磁波的存在,但他同时也发现,一旦有光照射到那个缺口上,那么电火花便出现得容易一些。

      赫兹在论文里对这个现象进行了描述,但没有深究其中的原因。在那个激动人心的伟大时代,要做的事情太多了,而且以赫兹的英年早逝,他也没有闲暇来追究每一个遇到的问题。但是别人随即在这个方面进行了深入的研究,不久事实就很清楚了,原来是这样的:当光照射到金属上的时候,会从它的表面打出电子来。原本束缚在金属表面原子里的电子,不知是什么原因,当暴露在一定光线之下的时候,便如同惊弓之鸟纷纷往外逃窜,就像见不得光线的吸血鬼家族。对于光与电之间存在的这种饶有趣味的现象,人们给它取了一个名字,叫做“光电效应”(The Photoelectric Effect)。

      很快,关于光电效应的一系列实验就在各个实验室被作出。虽然在当时来说,这些实验都是非常粗糙和原始的,但种种结果依然都表明了光和电之间这种现象的一些基本性质。人们不久便知道了两个基本的事实:首先,对于某种特定的金属来说,光是否能够从它的表面打击出电子来,这只和光的频率有关。频率高的光线(比如紫外线)便能够打出能量较高的电子,而频率低的光(比如红光、黄光)则一个电子也打不出来。其次,能否打击出电子,这和光的强度无关。再弱的紫外线也能够打击出金属表面的电子,而再强的红光也无法做到这一点。增加光线的强度,能够做到的只是增加打击出电子的数量。比如强烈的紫光相对微弱的紫光来说,可以从金属表面打击出更多的电子来。

      总而言之,对于特定的金属,能不能打出电子,由光的频率说了算。而打出多少电子,则由光的强度说了算。

      但科学家们很快就发现,他们陷入了一个巨大的困惑中。因为……这个现象没有道理,它似乎不应该是这样的啊。

      我们都已经知道,光是一种波动。对于波动来说,波的强度便代表了它的能量。我们都很容易理解,电子是被某种能量束缚在金属内部的,如果外部给予的能量不够,便不足以将电子打击出来。但是,照道理说,如果我们增加光波的强度,那便是增加它的能量啊,为什么对于红光来说,再强烈的光线都无法打击出哪怕是一个电子来呢?而频率,频率是什么东西呢?无非是波振动的频繁程度而已。如果频率高的话,便是说波振动得频繁一点,那么照理说频繁振动的光波应该打击出更多数量的电子才对啊。然而所有的实验都指向相反的方向:光的强度决定电子数目,光的频率决定能否打出电子。这不是开玩笑吗?

      想象一个猎人去打兔子,兔子都躲在地下的洞里,轻易不肯出来。猎人知道,对于狡猾的兔子来说,可能单单敲锣打鼓不足以把它吓出来,而一定要采用比如说水淹的手法才行。就是说,采用何种手法决定了能不能把兔子赶出来的问题。再假设本地有一千个兔子洞,那么猎人有多少助手,可以同时向多少洞穴行动这个因素便决定了能够吓出多少只兔子的问题。但是,在实际打猎中,这个猎人突然发现,兔子出不出来不在于采用什么手法,而是有多少助手同时下手。如果只对一个兔子洞行动,哪怕天打五雷轰都没有兔子出来。而相反,有多少兔子被赶出来,这和我们的人数没关系,而是和采用的手法有关系。哪怕我有一千个人同时对一千个兔子洞敲锣打鼓,最多只有一个兔子跳出来。而只要我对一个兔子洞灌水,便会有一千只兔子四处乱窜。要是画漫画的话,这个猎人的头上一定会冒出一颗很大的汗珠。

      科学家们发现,在光电效应问题上,他们面临着和猎人一样的尴尬处境。麦克斯韦的电磁理论在光电上显得一头雾水,不知怎么办才好。实验揭露出来的事实是简单而明了的,多次的重复只有更加证实了这个基本事实而已,但这个事实却和理论恰好相反。那么,问题出在哪里了呢?是理论错了,还是我们的眼睛在和我们开玩笑?

      问题绝不仅仅是这些而已。种种迹象都表明,光的频率和打出电子的能量之间有着密切的关系。每一种特定频率的光线,它打出的电子的能量有一个对应的上限。打个比方说,如果紫外光可以激发出能量达到20电子伏的电子来,换了紫光可能就最多只有10电子伏。这在波动看来,是非常不可思议的。而且,根据麦克斯韦理论,一个电子的被击出,如果是建立在能量吸收上的话,它应该是一个连续的过程,这能量可以累积。也就是说,如果用很弱的光线照射金属的话,电子必须花一定的时间来吸收,才能达到足够的能量从而跳出表面。这样的话,在光照和电子飞出这两者之间就应该存在着一个时间差。但是,实验表明,电子的跃出是瞬时的,光一照到金属上,立即就会有电子飞出,哪怕再暗弱的光线,也是一样,区别只是在于飞出电子的数量多少而已。

      咄咄怪事。

      对于可怜的物理学家们来说,万事总是不遂他们的愿。好不容易有了一个基本上完美的理论,实验总是要搞出一些怪事来搅乱人们的好梦。这个该死的光电效应正是一个令人丧气和扫兴的东西。高雅而尊贵的麦克斯韦理论在这个小泥塘前面大大地犯难,如何跨越过去而不弄脏自己那华丽的衣裳,着实是一桩伤脑筋的事情。

      然而,更加不幸的是,人们总是小看眼前的困难。有着洁癖的物理学家们还在苦思冥想着怎样可以把光电现象融入麦克斯韦理论之中去而不损害它的完美,他们却不知道这件事情比他们想象得要严重得多。很快人们就会发现,这根本不是袍子干不干净的问题,这是一个牵涉到整个物理体系基础的根本性困难。不过在当时,对于这一点,没有最天才、最大胆和最富有锐气的眼光,是无法看出来的。

      不过话又说回来,科学上有史以来最天才、最大胆和最富有锐气的人物,恰恰生活在那个时代。

      1905年,在瑞士的伯尔尼专利局,一位26岁的小公务员,三等技师职称,留着一头乱蓬蓬头发的年轻人把他的眼光在光电效应的这个问题上停留了一下。这个人的名字叫做阿尔伯特?爱因斯坦。

      于是在一瞬间,闪电划破了夜空。

      暴风雨终于就要到来了。


    第三章 火流星二
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      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第三章火流星

      二


      位于伯尔尼的瑞士专利局如今是一个高效和现代化的机构,为人们提供专利、商标的申请和查询服务。漂亮的建筑和完善的网络体系使得它也和别的一些大公司一样,呈现出一种典型的现代风格。作为纯粹的科学家来说,一般很少会和专利局打交道,因为科学无国界,也没有专利可以申请。科学的大门,终究是向全世界开放的。

      不过对于科学界来说,伯尔尼的专利局却意味着许多。它在现代科学史上的意义,不啻于伊斯兰文化中的麦加城,有一种颇为神圣的光辉在里边。这都是因为在100年前,这个专利局“很有眼光”地雇佣了一位小职员,他的名字就叫做阿尔伯特?爱因斯坦。这个故事再一次告诉我们,小庙里面有时也会出大和尚。

      1905年,对于爱因斯坦来讲,坏日子总算都已经过去得差不多了。那个为了工作和生计到处奔波彷徨的年代已经结束,不用再为自己的一无所成而自怨自艾不已。专利局提供给了他一个稳定的职位和收入,虽然只是三等技师--而他申请的是二等--好歹也是个正式的公务员了。三年前父亲的去世给爱因斯坦不小的打击,但他很快从妻子那里得到了安慰和补偿。塞尔维亚姑娘米列娃?玛利奇(Mileva Marec)在第二年(1903)答应嫁给这个常常显得心不在焉的冒失鬼,两人不久便有了一个儿子,取名叫做汉斯。

      现在,爱因斯坦每天在他的办公室里工作8个小时,摆弄那堆形形色色的专利图纸,然后他赶回家,推着婴儿车到伯尔尼的马路上散步。空下来的时候,他和朋友们聚会,大家兴致勃勃地讨论休谟,斯宾诺莎和莱辛。心血来潮的时候,爱因斯坦便拿出他的那把小提琴,给大家表演或是伴奏。当然,更多的时候,他还是钻研最感兴趣的物理问题,陷入沉思的时候,往往废寝忘食。

      1905年是一个相当神秘的年份。在这一年,人类的天才喷薄而出,像江河那般奔涌不息,卷起最震撼人心的美丽浪花。以致于今天我们回过头去看,都不禁要惊叹激动,为那样的奇迹咋舌不已。这一年,对于人类的智慧来说,实在要算是一个极致的高峰,在那段日子里谱写出来的美妙的科学旋律,直到今天都让我们心醉神摇,不知肉味。而这一切大师作品的创作者,这个攀上天才顶峰的人物,便是我们这位伯尔尼专利局里的小公务员。

      还是让我们言归正传,1905年3月18日,爱因斯坦在《物理学纪事》(Annalen der Physik)杂志上发表了一篇论文,题目叫做《关于光的产生和转化的一个启发性观点》(A Heuristic Interpretation of the Radiation and Transformation of Light),作为1905年一系列奇迹的一个开始。这篇文章是爱因斯坦有生以来发表的第六篇正式论文(第一篇是1901年发表的关于毛细现象的东东,用他自己的话来说,“毫无价值”),而这篇论文将给他带来一个诺贝尔奖,也开创了属于量子论的一个新时代。

      爱因斯坦是从普朗克的量子假设那里出发的。大家都还记得,普朗克假设,黑体在吸收和发射能量的时候,不是连续的,而是要分成“一份一份”,有一个基本的能量单位在那里。这个单位,他就称作“量子”,其大小则由普朗克常数h来描述。如果我们从普朗克的方程出发,我们很容易推导一个特定辐射频率的“量子”究竟包含了多少能量,最后的公式是简单明了的:

      E = hν

      其中E是能量,h是普朗克常数,ν是频率。哪怕小学生也可以利用这个简单的公式来做一些计算。比如对于频率为10的15次方的辐射,对应的量子能量是多少呢?那么就简单地把10^15乘以h=6.6×10^-34,算出结果等于6.6×10^19焦耳。这个数值很小,所以我们平时都不会觉察到非连续性的存在。

      爱因斯坦阅读了普朗克的那些早已被大部分权威和他本人冷落到角落里去的论文,量子化的思想深深地打动了他。凭着一种深刻的直觉,他感到,对于光来说,量子化也是一种必然的选择。虽然有天神一般的麦克斯韦理论高高在上,但爱因斯坦叛逆一切,并没有为之而止步不前。相反,他倒是认为麦氏的理论只能对于一种平均情况有效,而对于瞬间能量的发射、吸收等等问题,麦克斯韦是和实验相矛盾的。从光电效应中已经可以看出端倪来。

      让我们再重温一下光电效应和电磁理论的不协调之处:

      电磁理论认为,光作为一种波动,它的强度代表了它的能量,增强光的强度应该能够打击出更高能量的电子。但实验表明,增加光的强度只能打击出更多数量的电子,而不能增加电子的能量。要打击出更高能量的电子,则必须提高照射光线的频率。

      提高频率,提高频率。爱因斯坦突然灵光一闪,E = hν,提高频率,不正是提高单个量子的能量吗?更高能量的量子能够打击出更高能量的电子,而提高光的强度,只是增加量子的数量罢了,所以相应的结果是打击出更多数量的电子。一切在突然之间,显得顺理成章起来。

      爱因斯坦写道:“……根据这种假设,从一点所发出的光线在不断扩大的空间中的传播时,它的能量不是连续分布的,而是由一些数目有限的,局限于空间中某个地点的“能量子”(energy quanta)所组成的。这些能量子是不可分割的,它们只能整份地被吸收或发射。”

      组成光的能量的这种最小的基本单位,爱因斯坦后来把它们叫做“光量子”(light quanta)。一直到了1926年,美国物理学家刘易斯(G.N.Lewis)才把它换成了今天常用的名词,叫做“光子”(photon)。

      从光量子的角度出发,一切变得非常简明易懂了。频率更高的光线,比如紫外光,它的单个量子要比频率低的光线含有更高的能量(E = hν),因此当它的量子作用到金属表面的时候,就能够激发出拥有更多动能的电子来。而量子的能量和光线的强度没有关系,强光只不过包含了更多数量的光量子而已,所以能够激发出更多数量的电子来。但是对于低频光来说,它的每一个量子都不足以激发出电子,那么,含有再多的光量子也无济于事。

      我们把光电效应想象成一场有着高昂入场费的拍卖。每个量子是一个顾客,它所携带的能量相当于一个人拥有的资金。要进入拍卖现场,每个人必须先缴纳一定数量的入场费,而在会场内,一个人只能买一件物品。

      一个光量子打击到金属表面的时候,如果它带的钱足够(能量足够高),它便有资格进入拍卖现场(能够打击出电子来)。至于它能够买到多好的物品(激发出多高能量的电子),那要取决于它付了入场费后还剩下多少钱(剩余多少能量)。频率越高,代表了一个人的钱越多,像紫外线这样的大款,可以在轻易付清入场费后还买的起非常贵的货物,而频率低一点的光线就没那么阔绰了。

      但是,一个人有多少资金,这和一个“代表团”能够买到多少物品是没有关系的。能够买到多少数量的东西,这只和“代表团”的人数有关系(光的强度),而和每一个人有多少钱(光的频率)没关系。如果我有一个500人的代表团,每个人都有足够的钱入场,那么我就能买到500样货品回来,而你一个人再有钱,你也只能买一样东西(因为一个人只能买一样物品,规矩就是这样的)。至于买到的东西有多好,那是另一回事情。话又说回来,假如你一个代表团里每个人的钱太少,以致付不起入场费,那哪怕你人数再多,也是一样东西都买不到的,因为规矩是你只能以个人的身份入场,没有连续性和积累性,大家的钱不能凑在一起用。

      爱因斯坦推导出的方程和我们的拍卖是一个意思:

      1/2 mv^2 = hν- P

      1/2 mv^2是激发出电子的最大动能,也就是我们说的,能买到“多好”的货物。hν是单个量子的能量,也就是你总共有多少钱。P是激发出电子所需要的最小能量,也就是“入场费”。所以这个方程告诉我们的其实很简单:你能买到多好的货物取决于你的总资金减掉入场费用。

      这里面关键的假设就是:光以量子的形式吸收能量,没有连续性,不能累积。一个量子激发出一个对应的电子。于是实验揭示出来的效应的瞬时性难题也迎刃而解:量子作用本来就是瞬时作用,没有积累的说法。

      但是,大家从这里面嗅到了些什么没有?光量子,光子,光究竟是一种什么东西呢?难道我们不是已经清楚地下了结论,光是一种波动吗?光量子是一个什么概念呢?

      仿佛宿命一般,历史在转了一个大圈之后,又回到起点。关于光的本性问题,干戈再起,“第三次微波战争”一触即发。而这次,导致的后果是全面的世界大战,天翻地覆,一切在毁灭后才得到重生。

      *********

      饭后闲话:奇迹年

      如果站在一个比较高的角度来看历史,一切事物都是遵循特定的轨迹的,没有无缘无故的事情,也没有不合常理的发展。在时代浪尖里弄潮的英雄人物,其实都只是适合了那个时代的基本要求,这才得到了属于他们的无上荣耀。

      但是,如果站在庐山之中,把我们的目光投射到具体的那个情景中去,我们也能够理解一个伟大人物为时代所带来的光荣和进步。虽然不能说,失去了这些伟大人物,人类的发展就会走向歧途,但是也不能否认英雄和天才们为这个世界所作出的巨大贡献。

      在科学史上,就更是这样。整个科学史可以说就是以天才的名字来点缀的灿烂银河,而有几颗特别明亮的星辰,它们所发射出的光芒穿越了整个宇宙,一直到达时空的尽头。他们的智慧在某一个时期散发出如此绚烂的辉煌,令人叹为观止。一直到今天,我们都无法找出更加适合的字句来加以形容,而只能冠以“奇迹”的名字。

      科学史上有两个年份,便符合“奇迹”的称谓,而它们又是和两个天才的名字紧紧相连的。这两年分别是1666年和1905年,那两个天才便是牛顿和爱因斯坦。

      1666年,23岁的牛顿为了躲避瘟疫,回到乡下的老家度假。在那段日子里,他一个人独立完成了几项开天辟地的工作,包括发明了微积分(流数),完成了光分解的实验分析,以及万有引力的开创性工作。在那一年,他为数学、力学和光学三大学科分别打下了基础,而其中的任何一项工作,都足以让他名列有史以来最伟大的科学家之列。很难想象,一个人的思维何以能够在如此短的时间内涌动出如此多的灵感,人们只能用一个拉丁文annus mirabilis来表示这一年,也就是“奇迹年”(当然,有人会争论说1667年其实也是奇迹年)。

      1905年的爱因斯坦也是这样。在专利局里蜗居的他在这一年发表了6篇论文,3月18日,是我们上面提到过的关于光电效应的文章,这成为了量子论的奠基石之一。4月30日,发表了关于测量分子大小的论文,这为他赢得了博士学位。5月11日和后来的12月19日,两篇关于布朗运动的论文,成了分子论的里程碑。6月30日,发表题为《论运动物体的电动力学》的论文,这个不起眼的题目后来被加上了一个如雷贯耳的名称,叫做“狭义相对论”,它的意义就不用我多说了。9月27日,关于物体惯性和能量的关系,这是狭义相对论的进一步说明,并且在其中提出了著名的质能方程E=mc2。

      单单这一年的工作,便至少配得上3个诺贝尔奖。相对论的意义是否是诺贝尔奖所能评价的,还难说得很。而这一切也不过是在专利局的办公室里,一个人用纸和笔完成的而已。的确很难想象,这样的奇迹还会不会再次发生,因为实在是太过于不可思议了。在科学高度细化的今天,已经无法想象,一个人能够在如此短时间内作出如此巨大的贡献。100年前的庞加莱已经被称为数学界的“最后一位全才”,而爱因斯坦的相对论,也可能是最后一个富有个人英雄主义传奇色彩的理论了吧?这是我们的幸运,还是不幸呢?

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    第三章 火流星三
    castor_v_pollux  


      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第三章火流星

      三


      上次说到,爱因斯坦提出了光量子的假说,用来解释光电效应中无法用电磁理论说通的现象。

      然而,光量子的概念却让别的科学家们感到非常地不理解。光的问题不是已经被定性了吗?难道光不是已经被包括在麦克斯韦理论之内,作为电磁波的一种被清楚地描述了吗?这个光量子又是怎么一回事情呢?

      事实上,光量子是一个非常大胆的假设,它是在直接地向经典物理体系挑战。爱因斯坦本人也意识到这一点,在他看来,这可是他最有叛逆性的一篇论文了。在写给好友哈比希特(C.Habicht)的信中,爱因斯坦描述了他划时代的四篇论文,只有在光量子上,他才用了“非常革命”的字眼,而甚至相对论都没有这样的描述。

      光量子和传统的电磁波动图象显得格格不入,它其实就是昔日微粒说的一种翻版,假设光是离散的,由一个个小的基本单位所组成的。自托马斯?杨的时代又已经过去了一百年,冥冥中天道循环,当年被打倒在地的霸主以反叛的姿态再次登上舞台,向已经占据了王位的波动说展开挑战。这两个命中注定的对手终于要进行一场最后的决战,从而领悟到各自存在的终极意义:如果没有了你,我独自站在这里,又是为了什么。

      不过,光量子的处境和当年起义的波动一样,是非常困难和不为人所接受的。波动如今所占据的地位,甚至要远远超过100年前笼罩在牛顿光环下的微粒王朝。波动的王位,是由麦克斯韦钦点,而又有整个电磁王国作为同盟的。这场决战,从一开始就不再局限于光的领地之内,而是整个电磁谱的性质问题。而我们很快将要看到,十几年以后,战争将被扩大,整个物理世界都将被卷入进去,从而形成一场名副其实的世界大战。

      当时,对于光量子的态度,连爱因斯坦本人都是非常谨慎的,更不用说那些可敬的老派科学绅士们了。一方面,这和经典的电磁图象不相容;另一方面,当时关于光电效应的实验没有一个能够非常明确地证实光量子的正确性。微粒的这次绝地反击,一直要到1915年才真正引起人们的注意,而起因也是非常讽刺的:美国人密立根(R.A.Millikan)想用实验来证实光量子图象是错误的,但是多次反复实验之后,他却啼笑皆非地发现,自己已经在很大的程度上证实了爱因斯坦方程的正确性。实验数据相当有说服力地展示,在所有的情况下,光电现象都表现出量子化特征,而不是相反。

      如果说密立根的实验只是微粒革命军的一次反围剿成功,其意义还不足以说服所有的物理学家的话,那么1923年,康普顿(A.H.Compton)则带领这支军队取得了一场决定性的胜利,把他们所潜藏着的惊人力量展现得一览无余。经此一役后,再也没有人怀疑,起来对抗经典波动帝国的,原来是一支实力不相上下的正规军。

      这次战役的战场是X射线的地域。康普顿在研究X射线被自由电子散射的时候,发现一个奇怪的现象:散射出来的X射线分成两个部分,一部分和原来的入射射线波长相同,而另一部分却比原来的射线波长要长,具体的大小和散射角存在着函数关系。

      如果运用通常的波动理论,散射应该不会改变入射光的波长才对。但是怎么解释多出来的那一部分波长变长的射线呢?康普顿苦苦思索,试图从经典理论中寻找答案,却撞得头破血流。终于有一天,他作了一个破釜沉舟的决定,引入光量子的假设,把X射线看作能量为hν的光子束的集合。这个假定马上让他看到了曙光,眼前豁然开朗:那一部分波长变长的射线是因为光子和电子碰撞所引起的。光子像普通的小球那样,不仅带有能量,还具有冲量,当它和电子相撞,便将自己的能量交换一部分给电子。这样一来光子的能量下降,根据公式E = hν,E下降导致ν下降,频率变小,便是波长变大,over。

      在粒子的基础上推导出波长变化和散射角的关系式,和实验符合得一丝不苟。这是一场极为漂亮的歼灭战,波动的力量根本没有任何反击的机会便被缴了械。康普顿总结道:“现在,几乎不用再怀疑伦琴射线(注:即X射线)是一种量子现象了……实验令人信服地表明,辐射量子不仅具有能量,而且具有一定方向的冲量。”

      上帝造了光,爱因斯坦指出了什么是光,而康普顿,则第一个在真正意义上“看到”了这光。

      “第三次微波战争”全面爆发了。卷土重来的微粒军团装备了最先进的武器:光电效应和康普顿效应。这两门大炮威力无穷,令波动守军难以抵挡,节节败退。但是,波动方面军近百年苦心经营的阵地毕竟不是那么容易突破的,麦克斯韦理论和整个经典物理体系的强大后援使得他们仍然立于不败之地。波动的拥护者们很快便清楚地意识到,不能再后退了,因为身后就是莫斯科!波动理论的全面失守将意味着麦克斯韦电磁体系的崩溃,但至少现在,微粒这一雄心勃勃的计划还难以实现。

      波动在稳住了阵脚之后,迅速地重新评估了自己的力量。虽然在光电问题上它无能为力,但当初它赖以建国的那些王牌武器却依然没有生锈和失效,仍然有着强大的杀伤力。微粒的复兴虽然来得迅猛,但终究缺乏深度,它甚至不得不依靠从波动那里缴获来的军火来作战。比如我们已经看到的光电效应,对于光量子理论的验证牵涉到频率和波长的测定,而这却仍然要靠光的干涉现象来实现。波动的立国之父托马斯?杨,他的精神是如此伟大,以至在身后百年仍然光耀着波动的战旗,震慑一切反对力量。在每一间中学的实验室里,通过两道狭缝的光依然不依不饶地显示出明暗相间的干涉条纹来,不容置疑地向世人表明他的波动性。菲涅尔的论文虽然已经在图书馆里蒙上了灰尘,但任何人只要有兴趣,仍然可以重复他的实验,来确认泊松亮斑的存在。麦克斯韦芳华绝代的方程组仍然在每天给出预言,而电磁波也仍然温顺地按照他的预言以30万公里每秒的速度行动,既没有快一点,也没有慢一点。

      战局很快就陷入僵持,双方都屯兵于自己得心应手的阵地之内,谁也无力去占领对方的地盘。光子一陷入干涉的沼泽,便显得笨拙而无法自拔;光波一进入光电的丛林,也变得迷茫而不知所措。粒子还是波?在人类文明达到高峰的20世纪,却对宇宙中最古老的现象束手无策。

      不过在这里,我们得话分两头。先让微粒和波动这两支军队对垒一阵子,我们跳出光和电磁波的世界,回过头去看看量子论是怎样影响了实实在在的物质--原子核和电子的。来自丹麦的王子粉墨登场,在他的头上,一颗大大的火流星划过这阴云密布的天空,虽然只是一闪即逝,但却在地上点燃了燎原大火,照亮了无边的黑暗。


    第三章 火流星四
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      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第三章火流星

      四


      1911年9月,26岁的尼尔斯?玻尔渡过英吉利海峡,踏上了不列颠岛的土地。年轻的玻尔不会想到,32年后,他还要再一次来到这个岛上,但却是藏在一架蚊式轰炸机的弹仓里,冒着高空缺氧的考验和随时被丢进大海里的风险,九死一生后才到达了目的地。那一次,是邱吉尔首相亲自签署命令,从纳粹的手中转移了这位原子物理界的泰山北斗,使得盟军在原子弹的竞争方面成功地削弱了德国的优势。这也成了玻尔一生中最富有传奇色彩,为人所津津乐道的一段故事。

      当然在1911年,玻尔还只是一个有着远大志向和梦想,却是默默无闻的青年。他走在剑桥的校园里,想象当年牛顿和麦克斯韦在这里走过的样子,欢欣鼓舞地像一个孩子。在草草地安定下来之后,玻尔做的第一件事情就是去拜访大名鼎鼎的J.J.汤姆逊(Joseph John Thomson),后者是当时富有盛名的物理学家,卡文迪许实验室的头头,电子的发现者,诺贝尔奖得主。J.J.十分热情地接待了玻尔,虽然玻尔的英语烂得可以,两人还是谈了好长一阵子。J.J.收下了玻尔的论文,并把它放在自己的办公桌上。

      一切看来都十分顺利,但可怜的尼尔斯并不知道,在漠视学生的论文这一点上,汤姆逊是“恶名昭著”的。事实上,玻尔的论文一直被闲置在桌子上,J.J.根本没有看过一个字。剑桥对于玻尔来说,实在不是一个让人激动的地方,他的project也进行得不是十分顺利。总而言之,在剑桥的日子里,除了在一个足球队里大显身手之外,似乎没有什么是让玻尔觉得值得一提的。失望之下,玻尔决定寻求一些改变,他把眼光投向了曼彻斯特。相比剑桥,曼彻斯特那污染的天空似乎没有什么吸引力,但对一个物理系的学生来说,那里却有一个闪着金光的名字:恩内斯特?卢瑟福(Ernest Rutherford)。

      说起来,卢瑟福也是J.J.汤姆逊的学生。这位出身于新西兰农场的科学家身上保持着农民那勤俭朴实的作风,对他的助手和学生们永远是那样热情和关心,提供所有力所能及的帮助。再说,玻尔选择的时机真是再恰当也不过了,1912年,那正是一个黎明的曙光就要来临,科学新的一页就要被书写的年份。人们已经站在了通向原子神秘内部世界的门槛上,只等玻尔来迈出这决定性的一步了。

      这个故事还要从前一个世纪说起。1897年,J.J.汤姆逊在研究阴极射线的时候,发现了原子中电子的存在。这打破了从古希腊人那里流传下来的“原子不可分割”的理念,明确地向人们展示:原子是可以继续分割的,它有着自己的内部结构。那么,这个结构是怎么样的呢?汤姆逊那时完全缺乏实验证据,他于是展开自己的想象,勾勒出这样的图景:原子呈球状,带正电荷。而带负电荷的电子则一粒粒地“镶嵌”在这个圆球上。这样的一幅画面,也就是史称的“葡萄干布丁”模型,电子就像布丁上的葡萄干一样。

      但是,1910年,卢瑟福和学生们在他的实验室里进行了一次名留青史的实验。他们用α粒子(带正电的氦核)来轰击一张极薄的金箔,想通过散射来确认那个“葡萄干布丁”的大小和性质。但是,极为不可思议的情况出现了:有少数α粒子的散射角度是如此之大,以致超过90度。对于这个情况,卢瑟福自己描述得非常形象:“这就像你用十五英寸的炮弹向一张纸轰击,结果这炮弹却被反弹了回来,反而击中了你自己一样”。

      卢瑟福发扬了亚里士多德前辈“吾爱吾师,但吾更爱真理”的优良品格,决定修改汤姆逊的葡萄干布丁模型。他认识到,α粒子被反弹回来,必定是因为它们和金箔原子中某种极为坚硬密实的核心发生了碰撞。这个核心应该是带正电,而且集中了原子的大部分质量。但是,从α粒子只有很少一部分出现大角度散射这一情况来看,那核心占据的地方是很小的,不到原子半径的万分之一。

      于是,卢瑟福在次年(1911)发表了他的这个新模型。在他描述的原子图象中,有一个占据了绝大部分质量的“原子核”在原子的中心。而在这原子核的四周,带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行。这很像一个行星系统(比如太阳系),所以这个模型被理所当然地称为“行星系统”模型。在这里,原子核就像是我们的太阳,而电子则是围绕太阳运行的行星们。

      但是,这个看来完美的模型却有着自身难以克服的严重困难。因为物理学家们很快就指出,带负电的电子绕着带正电的原子核运转,这个体系是不稳定的。两者之间会放射出强烈的电磁辐射,从而导致电子一点点地失去自己的能量。作为代价,它便不得不逐渐缩小运行半径,直到最终“坠毁”在原子核上为止,整个过程用时不过一眨眼的工夫。换句话说,就算世界如同卢瑟福描述的那样,也会在转瞬之间因为原子自身的坍缩而毁于一旦。原子核和电子将不可避免地放出辐射并互相中和,然后把卢瑟福和他的实验室,乃至整个英格兰,整个地球,整个宇宙都变成一团混沌。

      不过,当然了,虽然理论家们发出如此阴森恐怖的预言,太阳仍然每天按时升起,大家都活得好好的。电子依然快乐地围绕原子打转,没有一点失去能量的预兆。而丹麦的年轻人尼尔斯?玻尔照样安安全全地抵达了曼彻斯特,并开始谱写物理史上属于他的华彩篇章。

      玻尔没有因为卢瑟福模型的困难而放弃这一理论,毕竟它有着α粒子散射实验的强力支持。相反,玻尔对电磁理论能否作用于原子这一人们从未涉足过的层面,倒是抱有相当的怀疑成分。曼彻斯特的生活显然要比剑桥令玻尔舒心许多,虽然他和卢瑟福两个人的性格是如此不同,后者是个急性子,永远精力旺盛,而他玻尔则像个害羞的大男孩,说一句话都显得口齿不清。但他们显然是绝妙的一个团队,玻尔的天才在卢瑟福这个老板的领导下被充分地激发出来,很快就在历史上激起壮观的波澜。

      1912年7月,玻尔完成了他在原子结构方面的第一篇论文,历史学家们后来常常把它称作“曼彻斯特备忘录”。玻尔在其中已经开始试图把量子的概念结合到卢瑟福模型中去,以解决经典电磁力学所无法解释的难题。但是,一切都只不过是刚刚开始而已,在那片还没有前人涉足的处女地上,玻尔只能一步步地摸索前进。没有人告诉他方向应该在哪里,而他的动力也不过是对于卢瑟福模型的坚信和年轻人特有的巨大热情。玻尔当时对原子光谱的问题一无所知,当然也看不到它后来对于原子研究的决定性意义,不过,革命的方向已经确定,已经没有什么能够改变量子论即将崭露头角这个事实了。

      在浓云密布的天空中,出现了一线微光。虽然后来证明,那只是一颗流星,但是这光芒无疑给已经僵硬而老化的物理世界注入了一种新的生机,一种有着新鲜气息和希望的活力。这光芒点燃了人们手中的火炬,引导他们去寻找真正的永恒的光明。

      终于,7月24日,玻尔完成了他在英国的学习,动身返回祖国丹麦。在那里,他可爱的未婚妻玛格丽特正在焦急地等待着他,而物理学的未来也即将要向他敞开心扉。在临走前,玻尔把他的论文交给卢瑟福过目,并得到了热切的鼓励。只是,卢瑟福有没有想到,这个青年将在怎样的一个程度上,改变人们对世界的终极看法呢?

      是的,是的,时机已到。伟大的三部曲即将问世,而真正属于量子的时代,也终于到来。

      *********

      饭后闲话:诺贝尔奖得主的幼儿园

      卢瑟福本人是一位伟大的物理学家,这是无需置疑的。但他同时更是一位伟大的物理导师,他以敏锐的眼光去发现人们的天才,又以伟大的人格去关怀他们,把他们的潜力挖掘出来。在卢瑟福身边的那些助手和学生们,后来绝大多数都出落得非常出色,其中更包括了为数众多的科学大师们。

      我们熟悉的尼尔斯?玻尔,20世纪最伟大的物理学家之一,1922年诺贝尔物理奖得主,量子论的奠基人和象征。在曼彻斯特跟随过卢瑟福。

      保罗?狄拉克(Paul Dirac),量子论的创始人之一,同样伟大的科学家,1933年诺贝尔物理奖得主。他的主要成就都是在剑桥卡文迪许实验室做出的(那时卢瑟福接替了J.J.汤姆逊成为这个实验室的主任)。狄拉克获奖的时候才31岁,他对卢瑟福说他不想领这个奖,因为他讨厌在公众中的名声。卢瑟福劝道,如果不领奖的话,那么这个名声可就更响了。

      中子的发现者,詹姆斯?查德威克(James Chadwick)在曼彻斯特花了两年时间在卢瑟福的实验室里。他于1935年获得诺贝尔物理奖。

      布莱克特(Patrick M. S. Blackett)在一次大战后辞去了海军上尉的职务,进入剑桥跟随卢瑟福学习物理。他后来改进了威尔逊云室,并在宇宙线和核物理方面作出了巨大的贡献,为此获得了1948年的诺贝尔物理奖。

      1932年,沃尔顿(E.T.S Walton)和考克劳夫特(John Cockcroft)在卢瑟福的卡文迪许实验室里建造了强大的加速器,并以此来研究原子核的内部结构。这两位卢瑟福的弟子在1951年分享了诺贝尔物理奖金。

      这个名单可以继续开下去,一直到长得令人无法忍受为止:英国人索迪(Frederick Soddy),1921年诺贝尔化学奖。瑞典人赫维西(Georg von Hevesy),1943年诺贝尔化学奖。德国人哈恩(Otto Habn),1944年诺贝尔化学奖。英国人鲍威尔(Cecil Frank Powell),1950年诺贝尔物理奖。美国人贝特(Hans Bethe),1967年诺贝尔物理奖。苏联人卡皮查(P.L.Kapitsa),1978年诺贝尔化学奖。

      除去一些稍微疏远一点的case,卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主(还不算他自己本人)。当然,在他的学生中还有一些没有得到诺奖,但同样出色的名字,比如汉斯?盖革(Hans Geiger,他后来以发明了盖革计数器而著名)、亨利?莫斯里(Henry Mosely,一个被誉为有着无限天才的年轻人,可惜死在了一战的战场上)、恩内斯特?马斯登(Ernest Marsden,他和盖革一起做了α粒子散射实验,后来被封为爵士)……等等,等等。

      卢瑟福的实验室被后人称为“诺贝尔奖得主的幼儿园”。他的头像出现在新西兰货币的最大面值--100元上面,作为国家对他最崇高的敬意和纪念。
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    第三章火流星

      五


      1912年8月1日,玻尔和玛格丽特在离哥本哈根不远的一个小镇上结婚,随后他们前往英国展开蜜月。当然,有一个人是万万不能忘记拜访的,那就是玻尔家最好的朋友之一,卢瑟福教授。

      虽然是在蜜月期,原子和量子的图景仍然没有从玻尔的脑海中消失。他和卢瑟福就此再一次认真地交换了看法,并加深了自己的信念。回到丹麦后,他便以百分之二百的热情投入到这一工作中去。揭开原子内部的奥秘,这一梦想具有太大的诱惑力,令玻尔完全无法抗拒。

      为了能使大家跟得上我们史话的步伐,我们还是再次描述一下当时玻尔面临的处境。卢瑟福的实验展示了一个全新的原子面貌:有一个致密的核心处在原子的中央,而电子则绕着这个中心运行,像是围绕着太阳的行星。然而,这个模型面临着严重的理论困难,因为经典电磁理论预言,这样的体系将会无可避免地释放出辐射能量,并最终导致体系的崩溃。换句话说,卢瑟福的原子是不可能稳定存在超过1秒钟的。

      玻尔面临着选择,要么放弃卢瑟福模型,要么放弃麦克斯韦和他的伟大理论。玻尔勇气十足地选择了放弃后者。他以一种深刻的洞察力预见到,在原子这样小的层次上,经典理论将不再成立,新的革命性思想必须被引入,这个思想就是普朗克的量子以及他的h常数。

      应当说这是一个相当困难的任务。如何推翻麦氏理论还在其次,关键是新理论要能够完美地解释原子的一切行为。玻尔在哥本哈根埋头苦干的那个年头,门捷列夫的元素周期律已经被发现了很久,化学键理论也已经被牢固地建立。种种迹象都表明在原子内部,有一种潜在的规律支配着它们的行为,并形成某种特定的模式。原子世界像一座蕴藏了无穷财宝的金字塔,但如何找到进入其内部的通道,却是一个让人挠头不已的难题。

      然而,像当年的贝尔佐尼一样,玻尔也有着一个探险家所具备的最宝贵的素质:洞察力和直觉,这使得他能够抓住那个不起眼,但却是唯一的,稍纵即逝的线索,从而打开那扇通往全新世界的大门。1913年初,年轻的丹麦人汉森(Hans Marius Hansen)请教玻尔,在他那量子化的原子模型里如何解释原子的光谱线问题。对于这个问题,玻尔之前并没有太多地考虑过,原子光谱对他来说是陌生和复杂的,成千条谱线和种种奇怪的效应在他看来太杂乱无章,似乎不能从中得出什么有用的信息。然而汉森告诉玻尔,这里面其实是有规律的,比如巴尔末公式就是。他敦促玻尔关心一下巴尔末的工作。

      突然间,就像伊翁(Ion)发现了藏在箱子里的绘着戈耳工的麻布,一切都豁然开朗。山重水复疑无路,柳暗花明又一村。在谁也没有想到的地方,量子得到了决定性的突破。1954年,玻尔回忆道:当我一看见巴尔末的公式,一切就都清楚不过了。

      要从头回顾光谱学的发展,又得从伟大的本生和基尔霍夫说起,而那势必又是一篇规模宏大的文字。鉴于篇幅,我们只需要简单地了解一下这方面的背景知识,因为本史话原来也没有打算把方方面面都事无巨细地描述完全。概括来说,当时的人们已经知道,任何元素在被加热时都会释放出含有特定波长的光线,比如我们从中学的焰色实验中知道,钠盐放射出明亮的黄光,钾盐则呈紫色,锂是红色,铜是绿色……等等。将这些光线通过分光镜投射到屏幕上,便得到光谱线。各种元素在光谱里一览无余:钠总是表现为一对黄线,锂产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线,钾则是一条紫线。总而言之,任何元素都产生特定的唯一谱线。

      但是,这些谱线呈现什么规律以及为什么会有这些规律,却是一个大难题。拿氢原子的谱线来说吧,这是最简单的原子谱线了。它就呈现为一组线段,每一条线都代表了一个特定的波长。比如在可见光区间内,氢原子的光谱线依次为:656,484,434,410,397,388,383,380……纳米。这些数据无疑不是杂乱无章的,1885年,瑞士的一位数学教师巴尔末(Johann Balmer)发现了其中的规律,并总结了一个公式来表示这些波长之间的关系,这就是著名的巴尔末公式。将它的原始形式稍微变换一下,用波长的倒数来表示,则显得更加简单明了:

      ν=R(1/2^2 - 1/n^2)

      其中的R是一个常数,称为里德伯(Rydberg)常数,n是大于2的正整数(3,4,5……等等)。

      在很长一段时间里,这是一个十分有用的经验公式。但没有人可以说明,这个公式背后的意义是什么,以及如何从基本理论将它推导出来。但是在玻尔眼里,这无疑是一个晴天霹雳,它像一个火花,瞬间点燃了玻尔的灵感,所有的疑惑在那一刻变得顺理成章了,玻尔知道,隐藏在原子里的秘密,终于向他嫣然展开笑颜。

      我们来看一下巴耳末公式,这里面用到了一个变量n,那是大于2的任何正整数。n可以等于3,可以等于4,但不能等于3.5,这无疑是一种量子化的表述。玻尔深呼了一口气,他的大脑在急速地运转,原子只能放射出波长符合某种量子规律的辐射,这说明了什么呢?我们回忆一下从普朗克引出的那个经典量子公式:E = hν。频率(波长)是能量的量度,原子只释放特定波长的辐射,说明在原子内部,它只能以特定的量吸收或发射能量。而原子怎么会吸收或者释放能量的呢?这在当时已经有了一定的认识,比如斯塔克(J.Stark)就提出,光谱的谱线是由电子在不同势能的位置之间移动而放射出来的,英国人尼科尔森(J.W.Nicholson)也有着类似的想法。玻尔对这些工作无疑都是了解的。

      一个大胆的想法在玻尔的脑中浮现出来:原子内部只能释放特定量的能量,说明电子只能在特定的“势能位置”之间转换。也就是说,电子只能按照某些“确定的”轨道运行,这些轨道,必须符合一定的势能条件,从而使得电子在这些轨道间跃迁时,只能释放出符合巴耳末公式的能量来。

      我们可以这样来打比方。如果你在中学里好好地听讲过物理课,你应该知道势能的转化。一个体重100公斤的人从1米高的台阶上跳下来,他/她会获得1000焦耳的能量,当然,这些能量会转化为落下时的动能。但如果情况是这样的,我们通过某种方法得知,一个体重100公斤的人跳下了若干级高度相同的台阶后,总共释放出了1000焦耳的能量,那么我们关于每一级台阶的高度可以说些什么呢?

      明显而直接的计算就是,这个人总共下落了1米,这就为我们台阶的高度加上了一个严格的限制。如果在平时,我们会承认,一个台阶可以有任意的高度,完全看建造者的兴趣而已。但如果加上了我们的这个条件,每一级台阶的高度就不再是任意的了。我们可以假设,总共只有一级台阶,那么它的高度就是1米。或者这个人总共跳了两级台阶,那么每级台阶的高度是0.5米。如果跳了3次,那么每级就是1/3米。如果你是间谍片的爱好者,那么大概你会推测每级台阶高1/39米。但是无论如何,我们不可能得到这样的结论,即每级台阶高0.6米。道理是明显的:高0.6米的台阶不符合我们的观测(总共释放了1000焦耳能量)。如果只有一级这样的台阶,那么它带来的能量就不够,如果有两级,那么总高度就达到了1.2米,导致释放的能量超过了观测值。如果要符合我们的观测,那么必须假定总共有一又三分之二级台阶,而这无疑是荒谬的,因为小孩子都知道,台阶只能有整数级。

      在这里,台阶数“必须”是整数,就是我们的量子化条件。这个条件就限制了每级台阶的高度只能是1米,或者1/2米,而不能是这其间的任何一个数字。

      原子和电子的故事在道理上基本和这个差不多。我们还记得,在卢瑟福模型里,电子像行星一样绕着原子核打转。当电子离核最近的时候,它的能量最低,可以看成是在“平地”上的状态。但是,一旦电子获得了特定的能量,它就获得了动力,向上“攀登”一个或几个台阶,到达一个新的轨道。当然,如果没有了能量的补充,它又将从那个高处的轨道上掉落下来,一直回到“平地”状态为止,同时把当初的能量再次以辐射的形式释放出来。

      关键是,我们现在知道,在这一过程中,电子只能释放或吸收特定的能量(由光谱的巴尔末公式给出),而不是连续不断的。玻尔做出了合理的推断:这说明电子所攀登的“台阶”,它们必须符合一定的高度条件,而不能像经典理论所假设的那样,是连续而任意的。连续性被破坏,量子化条件必须成为原子理论的主宰。

      我们不得不再一次用到量子公式E = hν,还请各位多多包涵。史蒂芬?霍金在他那畅销书《时间简史》的Acknowledgements里面说,插入任何一个数学公式都会使作品的销量减半,所以他考虑再三,只用了一个公式E = mc2。我们的史话本是戏作,也不考虑那么多,但就算列出公式,也不强求各位看客理解其数学意义。唯有这个E = hν,笔者觉得还是有必要清楚它的含义,这对于整部史话的理解也是有好处的,从科学意义上来说,它也决不亚于爱因斯坦的那个E = mc2。所以还是不厌其烦地重复一下这个方程的描述:E代表能量,h是普朗克常数,ν是频率。

      回到正题,玻尔现在清楚了,氢原子的光谱线代表了电子从一个特定的台阶跳跃到另外一个台阶所释放的能量。因为观测到的光谱线是量子化的,所以电子的“台阶”(或者轨道)必定也是量子化的,它不能连续而取任意值,而必须分成“底楼”,“一楼”,“二楼”等,在两层“楼”之间,是电子的禁区,它不可能出现在那里。正如一个人不能悬在两级台阶之间漂浮一样。如果现在电子在“三楼”,它的能量用W3表示,那么当这个电子突发奇想,决定跳到“一楼”(能量W1)的期间,它便释放出了W3-W1的能量。我们要求大家记住的那个公式再一次发挥作用,W3-W1 = hν。所以这一举动的直接结果就是,一条频率为ν的谱线出现在该原子的光谱上。

      玻尔所有的这些思想,转化成理论推导和数学表达,并以三篇论文的形式最终发表。这三篇论文(或者也可以说,一篇大论文的三个部分),分别题名为《论原子和分子的构造》(On the Constitution of Atoms and Molecules),《单原子核体系》(Systems Containing Only a Single Nucleus)和《多原子核体系》(Systems Containing Several Nuclei),于1913年3月到9月陆续寄给了远在曼彻斯特的卢瑟福,并由后者推荐发表在《哲学杂志》(Philosophical Magazine)上。这就是在量子物理历史上划时代的文献,亦即伟大的“三部曲”。

      这确确实实是一个新时代的到来。如果把量子力学的发展史分为三部分,1900年的普朗克宣告了量子的诞生,那么1913年的玻尔则宣告了它进入了青年时代。一个完整的关于量子的理论体系第一次被建造起来,虽然我们将会看到,这个体系还留有浓重的旧世界的痕迹,但它的意义却是无论如何不能低估的。量子第一次使全世界震惊于它的力量,虽然它的意识还有一半仍在沉睡中,虽然它自己仍然置身于旧的物理大厦之内,但它的怒吼已经无疑地使整个旧世界摇摇欲坠,并动摇了延绵几百年的经典物理根基。神话中的巨人已经开始苏醒,那些藏在古老城堡里的贵族们,颤抖吧!

      (第三章完)
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    第四章 白云深处
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      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第四章白云深处

      一


      应该说,玻尔关于原子结构的新理论出台后,是并不怎么受到物理学家们的欢迎的。这个理论,在某些人的眼中,居然怀有推翻麦克斯韦体系的狂妄意图,本身就是大逆不道的。瑞利爵士(我们前面提到过的瑞利-金斯线的发现者之一)对此表现得完全不感兴趣,J.J.汤姆逊,玻尔在剑桥的导师,拒绝对此发表评论。另一些不那么德高望重的人就直白多了,比如一位物理学家在课堂上宣布:“如果这些要用量子力学才能解释的话,那么我情愿不予解释。”另一些人则声称,要是量子模型居然是真实的话,他们从此退出物理学界。即使是思想开放的人,比如爱因斯坦和波恩,最初也觉得完全接受这一理论太勉强了一些。

      但是量子的力量超乎任何人的想象。胜利来得如此之快之迅猛,令玻尔本人都几乎茫然而不知所措。首先,玻尔的推导完全符合巴耳末公式所描述的氢原子谱线,而从W2-W1 = hν这个公式,我们可以倒过来推算ν的表述,从而和巴耳末的原始公式ν=R(1/2^2 - 1/n^2)对比,计算出里德伯常数R的理论值来。而事实上,玻尔理论的预言和实验值仅相差千分之一,这无疑使得他的理论顿时具有了坚实的基础。

      不仅如此,玻尔的模型更预测了一些新的谱线的存在,这些预言都很快为实验物理学家们所证实。而在所谓“皮克林线系”(Pickering line series)的争论中,玻尔更是以强有力的证据取得了决定性的胜利。他的原子体系异常精确地说明了一些氦离子的光谱,准确性相比旧的方程,达到了令人惊叹的地步。而亨利?莫斯里(我们前面提到过的年轻天才,可惜死在战场上的那位)关于X射线的工作,则进一步证实了原子有核模型的正确。人们现在已经知道,原子的化学性质,取决于它的核电荷数,而不是传统认为的原子量。基于玻尔理论的电子壳层模型,也一步一步发展起来。只有几个小困难需要解决,比如人们发现,氢原子的光谱并非一根线,而是可以分裂成许多谱线。这些效应在电磁场的参予下又变得更为古怪和明显(关于这些现象,人们用所谓的“斯塔克效应”和“塞曼效应”来描述)。但是玻尔体系很快就予以了强有力的回击,在争取到爱因斯坦相对论的同盟军以及假设电子具有更多的自由度(量子数)的条件下,玻尔和别的一些科学家如索末菲(A.Sommerfeld)证明,所有的这些现象,都可以顺利地包容在玻尔的量子体系之内。虽然残酷的世界大战已经爆发,但是这丝毫也没有阻挡科学在那个时期前进的伟大步伐。

      每一天,新的报告和实验证据都如同雪花一样飞到玻尔的办公桌上。而几乎每一份报告,都在进一步地证实玻尔那量子模型的正确性。当然,伴随着这些报告,铺天盖地而来的还有来自社会各界的祝贺,社交邀请以及各种大学的聘书。玻尔俨然已经成为原子物理方面的带头人。出于对祖国的责任感,他拒绝了卢瑟福为他介绍的在曼彻斯特的职位,虽然无论从财政还是学术上说,那无疑是一个更好的选择。玻尔现在是哥本哈根大学的教授,并决定建造一所专门的研究所以用作理论物理方面的进一步研究。这个研究所,正如我们以后将要看到的那样,将会成为欧洲一颗令人瞩目的明珠,它的光芒将吸引全欧洲最出色的年轻人到此聚集,并发射出更加璀璨的思想光辉。

      在这里,我们不妨还是回顾一下玻尔模型的一些基本特点。它基本上是卢瑟福行星模型的一个延续,但是在玻尔模型中,一系列的量子化条件被引入,从而使这个体系有着鲜明的量子化特点。

      首先,玻尔假设,电子在围绕原子核运转时,只能处于一些“特定的”能量状态中。这些能量状态是不连续的,称为定态。你可以有E1,可以有E2,但是不能取E1和E2之间的任何数值。正如我们已经描述过的那样,电子只能处于一个定态中,两个定态之间没有缓冲地带,那里是电子的禁区,电子无法出现在那里。

      但是,玻尔允许电子在不同的能量态之间转换,或者说,跃迁。电子从能量高的E2状态跃迁到E1状态,就放射出E2-E1的能量来,这些能量以辐射的方式释放,根据我们的基本公式,我们知道这辐射的频率为ν,从而使得E2-E1 = hν。反过来,当电子吸收了能量,它也可以从能量低的状态攀升到一个能量较高的状态,其关系还是符合我们的公式。我们必须注意,这种能量的跃迁是一个量子化的行为,如果电子从E2跃迁到E1,这并不表示,电子在这一过程中经历了E2和E1两个能量之间的任何状态。如果你还是觉得困惑,那表示连续性的幽灵还在你的脑海中盘旋。事实上,量子像一个高超的魔术师,它在舞台的一端微笑着挥舞着帽子登场,转眼间便出现在舞台的另一边。而在任何时候,它也没有经过舞台的中央部分!

      每一个可能的能级,都代表了一个电子的运行轨道,这就好比离地面500公里的卫星和离地面800公里的卫星代表了不同的势能一样。当电子既不放射也不吸收能量的时候,它就稳定地在一条轨道上运动。当它吸收了一定的能量,它就从原先的那个轨道消失,神秘地出现在离核较远的一条能量更高的轨道上。反过来,当它绝望地向着核坠落,就放射出它在高能轨道上所搜刮的能量来。

      人们很快就发现,一个原子的化学性质,主要取决于它最外层的电子数量,并由此表现出有规律的周期性来。但是人们也曾经十分疑惑,那就是对于拥有众多电子的重元素来说,为什么它的一些电子能够长期地占据外层的电子轨道,而不会失去能量落到靠近原子核的低层轨道上去。这个疑问由年轻的泡利在1925年做出了解答:他发现,没有两个电子能够享有同样的状态,而一层轨道所能够包容的不同状态,其数目是有限的,也就是说,一个轨道有着一定的容量。当电子填满了一个轨道后,其他电子便无法再加入到这个轨道中来。

      一个原子就像一幢宿舍,每间房间都有一个四位数的门牌号码。底楼只有两间房间,分别是1001和1002。而二楼则有8间房间,门牌分别是2001,2002,2101,2102,2111,2112,2121和2122。越是高层的楼,它的房间数量就越多。脾气暴躁的管理员泡利在大门口张贴了一张布告,宣布没有两个电子房客可以入住同一间房屋。于是电子们争先恐后地涌入这幢大厦,先到的两位占据了底楼那两个价廉物美的房间,后来者因为底楼已经住满,便不得不退而求其次,开始填充二楼的房间。二楼住满后,又轮到三楼、四楼……一直到租金离谱的六楼、七楼、八楼。不幸住在高处的电子虽然入不敷出,却没有办法,因为楼下都住满了人,没法搬走。叫苦不迭的他们把泡利那蛮横的规定称作“不相容原理”。

      但是,这一措施的确能够更好地帮助人们理解“化学社会”的一些基本行为准则。比如说,喜欢合群的电子们总是试图让一层楼的每个房间都住满房客。我们设想一座“钠大厦”,在它的三楼,只有一位孤零零的房客住在3001房。而在相邻的“氯大厦”的三楼,则正好只有一间空房没人入主(3122)。出于电子对热闹的向往,钠大厦的那位孤独者顺理成章地决定搬迁到氯大厦中去填满那个空白的房间,而他也受到了那里房客们的热烈欢迎。这一举动也促成了两座大厦的联谊,形成了一个“食盐社区”。而在某些高层大厦里,由于空房间太多,没法找到足够的孤独者来填满一层楼,那么,即使仅仅填满一个侧翼(wing),电子们也表示满意。

      所有的这一切,当然都是形象化和笼统的说法。实际情况要复杂得多,比如每一层楼的房间还因为设施的不同分成好几个等级。越高越贵也不是一个普遍原则,比如六楼的一间总统套房就很可能比七楼的普通间贵上许多。但这都不是问题,关键在于,玻尔的电子轨道模型非常有说服力地解释了原子的性质和行为,它的预言和实验结果基本上吻合得丝丝入扣。在不到两年的时间里,玻尔理论便取得了辉煌的胜利,全世界的物理学家们都开始接受玻尔模型。甚至我们的那位顽固派--拒绝承认量子实际意义的普朗克--也开始重新审视自己当初那伟大的发现。

      玻尔理论的成就是巨大的,而且非常地深入人心,他本人为此在1922年获得了诺贝尔奖金。但是,这仍然不能解决它和旧体系之间的深刻矛盾。麦克斯韦的方程可不管玻尔轨道的成功与否,它仍然还是要说,一个电子围绕着原子核运动,必定释放出电磁辐射来。对此玻尔也感到深深的无奈,他还没有这个能力去推翻整个经典电磁体系,用一句流行的话来说,“封建残余力量还很强大哪”。作为妥协,玻尔转头试图将他的原子体系和麦氏理论调和起来,建立一种两种理论之间的联系。他力图向世人证明,两种体系都是正确的,但都只在各自适用的范围内才能成立。当我们的眼光从原子范围逐渐扩大到平常的世界时,量子效应便逐渐消失,经典的电磁论得以再次取代h常数成为世界的主宰。在这个过程中,无论何时,两种体系都存在着一个确定的对应状态。这就是他在1918年发表的所谓“对应原理”。

      对应原理本身具有着丰富的含义,直到今天还对我们有着借鉴意义。但是也无可否认,这种与经典体系“暧昧不清”的关系是玻尔理论的一个致命的先天不足。他引导的是一场不彻底的革命,虽然以革命者的面貌出现,却最终还要依赖于传统势力的支持。玻尔的量子还只能靠着经典体系的力量行动,它的自我意识仍在深深沉睡之中而没有苏醒。当然,尽管如此,它的成就已经令世人惊叹不已,可这并不能避免它即将在不久的未来,拖曳着长长的尾光坠落到地平线的另一边去,成为一颗一闪而逝的流星。

      当然了,这样一个具有伟大意义的理论居然享寿如此之短,这只说明一件事:科学在那段日子里的前进步伐不是我们所能够想象的。那是一段可遇不可求的岁月,理论物理的黄金年代。如今回首,只有皓月清风,伴随大江东去。

      *********

      饭后闲话:原子和星系

      卢瑟福的模型一出世,便被称为“行星模型”或者“太阳系模型”。这当然是一种形象化的叫法,但不可否认,原子这个极小的体系和太阳系这个极大的体系之间居然的确存在着许多相似之处。两者都有一个核心,这个核心占据着微不足道的体积(相对整个体系来说),却集中了99%以上的质量和角动量。人们不禁要联想,难道原子本身是一个“小宇宙”?或者,我们的宇宙,是由千千万万个“小宇宙”所组成的,而它反过来又和千千万万个别的宇宙组成更大的“宇宙”?这令人想起威廉?布莱克(William Blake)那首著名的小诗:

      To see a world in a grain of sand. *从一粒沙看见世界

      And a heaven in a wild flower *从一朵花知道天宸

      Hold infinity in the palm of your hand *用一只手把握无限

      And eternity in an hour *用一刹那留住永恒

      我们是不是可以“从一粒沙看见世界”呢?原子和太阳系的类比不能给我们太多的启迪,因为行星之间的实际距离相对电子来说,可要远的多了(当然是从比例上讲)。但是,最近有科学家提出,宇宙的确在不同的尺度上,有着惊人的重复性结构。比如原子和银河系的类比,原子和中子星的类比,它们都在各个方面--比如半径、周期、振动等--展现出了十分相似的地方。如果你把一个原子放大10^17倍,它所表现出来的性质就和一个白矮星差不多。如果放大10^30倍,据信,那就相当于一个银河系。当然,相当于并不是说完全等于,我的意思是,如果原子体系放大10^30倍,它的各种力学和结构常数就非常接近于我们观测到的银河系。还有人提出,原子应该在高能情况下类比于同样在高能情况下的太阳系。也就是说,原子必须处在非常高的激发态下(大约主量子数达到几百),那时,它的各种结构就相当接近我们的太阳系。

      这种观点,即宇宙在各个层次上展现出相似的结构,被称为“分形宇宙”(Fractal Universe)模型。在它看来,哪怕是一个原子,也包含了整个宇宙的某些信息,是一个宇宙的“全息胚”。所谓的“分形”,是混沌动力学里研究的一个饶有兴味的课题,它给我们展现了复杂结构是如何在不同的层面上一再重复。宇宙的演化,是否也遵从某种混沌动力学原则,如今还不得而知,所谓的“分形宇宙”也只是一家之言罢了。这里当作趣味故事,博大家一笑而已。


    第四章 白云深处二
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      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第四章白云深处

      二


      曾几何时,玻尔理论的兴起为整个阴暗的物理天空带来了绚丽的光辉,让人们以为看见了极乐世界的美景。不幸地是,这一虚假的泡沫式繁荣没能持续太多的时候。旧的物理世界固然已经在种种冲击下变得疮痍满目,玻尔原子模型那宏伟的宫殿也没能抵挡住更猛烈的革命冲击,在混乱中被付之一炬,只留下些断瓦残垣,到今日供我们凭吊。最初的暴雨已经过去,大地一片苍凉,天空中仍然浓云密布。残阳似血,在天际投射出余辉,把这废墟染成金红一片,衬托出一种更为沉重的气氛,预示着更大的一场风暴的来临。

      玻尔王朝的衰败似乎在它诞生的那一天就注定了。这个理论,虽然借用了新生量子的无穷力量,它的基础却仍然建立在脆弱的旧地基上。量子化的思想,在玻尔理论里只是一支雇佣军,它更像是被强迫附加上去的,而不是整个理论的出发点和基础。比如,玻尔假设,电子只能具有量子化的能级和轨道,但为什么呢?为什么电子必须是量子化的?它的理论基础是什么呢?玻尔在这上面语焉不详,顾左右而言他。当然,苛刻的经验主义者会争辩说,电子之所以是量子化的,因为实验观测到它们就是量子化的,不需要任何其他的理由。但无论如何,如果一个理论的基本公设令人觉得不太安稳,这个理论的前景也就不那么乐观了。在对待玻尔量子假设的态度上,科学家无疑地联想起了欧几里德的第五公设(这个公理说,过线外一点只能有一条直线与已知直线平行。人们后来证明这个公理并不是十分可靠的)。无疑,它最好能够从一些更为基本的公理所导出,这些更基本的公理,应该成为整个理论的奠基石,而不仅仅是华丽的装饰。

      后来的历史学家们在评论玻尔的理论时,总是会用到“半经典半量子”,或者“旧瓶装新酒”之类的词语。它就像一位变脸大师,当电子围绕着单一轨道运转时,它表现出经典力学的面孔,一旦发生轨道变化,立即又转为量子化的样子。虽然有着技巧高超的对应原理的支持,这种两面派做法也还是为人所质疑。不过,这些问题还都不是关键,关键是,玻尔大军在取得一连串重大胜利后,终于发现自己已经到了强弩之末,有一些坚固的堡垒,无论如何是攻不下来的了。

      比如我们都已经知道的原子谱线分裂的问题,虽然在索末菲等人的努力下,玻尔模型解释了磁场下的塞曼效应和电场下的斯塔克效应。但是,大自然总是有无穷的变化令人头痛。科学家们不久就发现了谱线在弱磁场下的一种复杂分裂,称作“反常塞曼效应”。这种现象要求引进值为1/2的量子数,玻尔的理论对之无可奈何,一声叹息。这个难题困扰着许多的科学家,简直令他们寝食难安。据说,泡利在访问玻尔家时,就曾经对玻尔夫人的问好回以暴躁的抱怨:“我当然不好!我不能理解反常塞曼效应!”这个问题,一直要到泡利提出他的不相容原理后,才算最终解决。

      另外玻尔理论沮丧地发现,自己的力量仅限于只有一个电子的原子模型。对于氢原子,氘原子,或者电离的氦原子来说,它给出的说法是令人信服的。但对于哪怕只有两个核外电子的普通氦原子,它就表现得无能为力。甚至对于一个电子的原子来说,玻尔能够说清的,也只不过是谱线的频率罢了,至于谱线的强度、宽度或者偏振问题,玻尔还是只能耸耸肩,以他那大舌头的口音说声抱歉。

      在氢分子的战场上,玻尔理论同样战败。

      为了解决所有的这些困难,玻尔、兰德(Lande)、泡利、克莱默(Kramers)等人做了大量的努力,引进了一个又一个新的假定,建立了一个又一个新的模型,有些甚至违反了玻尔和索末菲的理论本身。到了1923年,惨淡经营的玻尔理论虽然勉强还算能解决问题,并获得了人们的普遍认同,它已经像一件打满了补丁的袍子,需要从根本上予以一次彻底变革了。哥廷根的那帮充满朝气的年轻人开始拒绝这个补丁累累的系统,希望重新寻求一个更强大、完美的理论,从而把量子的思想从本质上植根到物理学里面去,以结束像现在这样苟且的寄居生活。

      玻尔体系的衰落和它的兴盛一样迅猛。越来越多的人开始关注原子世界,并做出了更多的实验观测。每一天,人们都可以拿到新的资料,刺激他们的热情,去揭开这个神秘王国的面貌。在哥本哈根和哥廷根,物理天才们兴致勃勃地谈论着原子核、电子和量子,一页页写满了公式和字母的手稿承载着灵感和创意,交织成一个大时代到来的序幕。青山遮不住,毕竟东流去。时代的步伐迈得如此之快,使得脚步蹒跚的玻尔原子终于力不从心,从历史舞台中退出,消失在漫漫黄尘中,只留下一个名字让我们时时回味。

      如果把1925年-1926年间海森堡(Werner Heisenberg)和薛定谔(Erwin Schrodinger)的开创性工作视为玻尔体系的寿终正寝的话,这个理论总共大约兴盛了13年。它让人们看到了量子在物理世界里的伟大意义,并第一次利用它的力量去揭开原子内部的神秘面纱。然而,正如我们已经看到的那样,玻尔的革命是一次不彻底的革命,量子的假设没有在他的体系里得到根本的地位,而似乎只是一个调和经典理论和现实矛盾的附庸。玻尔理论没法解释,为什么电子有着离散的能级和量子化的行为,它只知其然,而不知其所以然。玻尔在量子论和经典理论之间采取了折衷主义的路线,这使得他的原子总是带着一种半新不旧的色彩,最终因为无法克服的困难而崩溃。玻尔的有轨原子像一颗耀眼的火流星,放射出那样强烈的光芒,却在转眼间划过夜空,复又坠落到黑暗和混沌中去。它是那样地来去匆匆,以致人们都还来不及在衣带上打一个结,许一些美丽的愿望。

      但是,它的伟大意义却不因为其短暂的生命而有任何的褪色。是它挖掘出了量子的力量,为未来的开拓者铺平了道路。是它承前启后,有力地推动了整个物理学的脚步。玻尔模型至今仍然是相当好的近似,它的一些思想仍然为今人所借鉴和学习。它描绘的原子图景虽然过时,但却是如此形象而生动,直到今天仍然是大众心中的标准样式,甚至代表了科学的形象。比如我们应该能够回忆,直到80年代末,在中国的大街上还是随处可见那个代表了“科学”的图形:三个电子沿着椭圆轨道围绕着原子核运行。这个图案到了90年代终于消失了,想来总算有人意识到了问题。

      在玻尔体系内部,也已经蕴藏了随机性和确定性的矛盾。就玻尔理论而言,如何判断一个电子在何时何地发生自动跃迁是不可能的,它更像是一个随机的过程。1919年,应普朗克的邀请,玻尔访问了战后的柏林。在那里,普朗克和爱因斯坦热情地接待了他,量子力学的三大巨头就几个物理问题展开了讨论。玻尔认为,电子在轨道间的跃迁似乎是不可预测的,是一个自发的随机过程,至少从理论上说没办法算出一个电子具体的跃迁条件。爱因斯坦大摇其头,认为任何物理过程都是确定和可预测的。这已经埋下了两人日后那场旷日持久争论的种子。

      当然,我们可敬的尼尔斯?玻尔先生也不会因为旧量子论的垮台而退出物理舞台。正相反,关于他的精彩故事才刚刚开始。他还要在物理的第一线战斗很长时间,直到逝世为止。1921年9月,玻尔在哥本哈根的研究所终于落成,36岁的玻尔成为了这个所的所长。他的人格魅力很快就像磁场一样吸引了各地的才华横溢的年轻人,并很快把这里变成了全欧洲的一个学术中心。赫维西(Georg von Hevesy)、弗里西(Otto Frisch)、泡利、海森堡、莫特(Nevill Mott)、朗道(Lev D.Landau)、盖莫夫(George Gamov)……人们向这里涌来,充分地感受这里的自由气氛和玻尔的关怀,并形成一种富有激情、活力、乐观态度和进取心的学术精神,也就是后人所称道的“哥本哈根精神”。在弹丸小国丹麦,出现了一个物理学界眼中的圣地,这个地方将深远地影响量子力学的未来,还有我们根本的世界观和思维方式。


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    第四章 白云深处三
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      上帝掷骰子吗--量子物理史话

      第四章白云深处

      三


      当玻尔的原子还在泥潭中深陷苦于无法自拔的时候,新的革命已经在酝酿之中。这一次,革命者并非来自穷苦的无产阶级大众,而是出自一个显赫的贵族家庭。路易斯?维克托?皮雷?雷蒙?德?布罗意王子(Prince Louis Victor Pierre Raymond de Broglie)将为他那荣耀的家族历史增添一份新的光辉。

      “王子”(Prince,也有翻译为“公子”的)这个爵位并非我们通常所理解的,是国王的儿子。事实上在爵位表里,它的排名并不算高,而且似乎不见于英语世界。大致说来,它的地位要比“子爵”(Viscount)略低,而比“男爵”(Baron)略高。不过这只是因为路易斯在家中并非老大而已,德布罗意家族的历史悠久,他的祖先中出了许许多多的将军、元帅、部长,曾经忠诚地在路易十四、路易十五、路易十六的麾下效劳。他们参加过波兰王位继承战争(1733-1735)、奥地利王位继承战争(1740-1748)、七年战争(1756-1763)、美国独立战争(1775-1782)、法国大革命(1789)、二月革命(1848),接受过弗兰西斯二世(Francis II,神圣罗马帝国皇帝,后来退位成为奥地利皇帝弗兰西斯一世)以及路易?腓力(Louis Philippe,法国国王,史称奥尔良公爵)的册封,家族继承着最高世袭身份的头衔:公爵(法文Duc,相当于英语的Duke)。路易斯?德布罗意的哥哥,莫里斯?德布罗意(Maurice de Broglie)便是第六代德布罗意公爵。1960年,当莫里斯去世以后,路易斯终于从他哥哥那里继承了这个光荣称号,成为第七位duc de Broglie。

      当然,在那之前,路易斯还是顶着王子的爵号。小路易斯对历史学表现出浓厚的兴趣,他的祖父,Jacques Victor Albert, duc de Broglie,不但是一位政治家,曾于1873-1874年间当过法国总理,同时也是一位出色的历史学家,尤其精于晚罗马史,写出过著作《罗马教廷史》(Histoire de l''église et de l''empire romain)。小路易斯在祖父的熏陶下,决定进入巴黎大学攻读历史。18岁那年(1910),他从大学毕业,然而却没有在历史学领域进行更多的研究,因为他的兴趣已经强烈地转向物理方面。他的哥哥,莫里斯?德布罗意(第六代德布罗意公爵)是一位著名的射线物理学家,路易斯跟随哥哥参加了1911年的布鲁塞尔物理会议,他对科学的热情被完全地激发出来,并立志把一生奉献给这一令人激动的事业。

      转投物理后不久,第一次世界大战爆发了。德布罗意应征入伍,被分派了一个无线电技术人员的工作。他比可怜的亨利?莫斯里要幸运许多,能够在大战之后毫发无伤,继续进入大学学他的物理。他的博士导师是著名的保罗?朗之万(Paul Langevin)。

      写到这里笔者需要稍停一下做一点声明。我们的史话讲述到现在,虽然已经回顾了一些令人激动的革命和让人大开眼界的新思想(至少笔者希望如此),但总的来说,仍然是在经典世界的领域里徘徊。而且根据本人的印象,至今为止,我们的话题大体还没有超出中学物理课本和高考的范围。对于普通的读者来说,唯一稍感陌生的,可能只是量子的跳跃思想。而接受这一思想,也并不是一件十分困难和不情愿的事情。

      然而在这之后,我们将进入一个完完全全的奇幻世界。这个世界光怪陆离,和我们平常所感知认同的那个迥然不同。在这个新世界里,所有的图象和概念都显得疯狂而不理性,显得更像是爱丽丝梦中的奇境,而不是踏踏实实的土地。许多名词是如此古怪,以致只有借助数学工具才能把握它们的真实意义。当然,笔者将一如既往地试图用最浅白的语言将它们表述出来,但是仍然有必要提醒各位做好心理准备。为了表述的方便,我将尽量地把一件事情陈述完全,然后再转换话题。虽然在历史上,所有的这一切都是铺天盖地而来,它们混杂在一起,澎湃汹涌,让人分不出个头绪。在后面的叙述中,我们可能时时要在各个年份间跳来跳去,那些希望把握时间感的读者们应该注意确切的年代。

      我们已经站在一个伟大时刻的前沿。新的量子力学很快就要被创建出来,这一次,它的力量完完全全地被施展开来,以致把一切旧事物,包括玻尔那个半新不旧的体系,都摧枯拉朽般地毁灭殆尽。它很快就要为我们揭开一个新世界的大幕,这个新世界,哪怕是稍微往里面瞥上一眼,也足够让人头晕目眩,心驰神摇。但是,既然我们已经站在这里,那就只有义无返顾地前进了。所以跟着我来吧,无数激动人心的事物正在前面等着我们。

      我们的话题回到德布罗意身上。他一直在思考一个问题,就是如何能够在玻尔的原子模型里面自然地引进一个周期的概念,以符合观测到的现实。原本,这个条件是强加在电子上面的量子化模式,电子在玻尔的硬性规定下,虽然乖乖听话,总有点不那么心甘情愿的感觉。德布罗意想,是时候把电子解放出来,让它们自己做主了。

      如何赋予电子一个基本的性质,让它们自觉地表现出种种周期和量子化现象呢?德布罗意想到了爱因斯坦和他的相对论。他开始这样地推论:根据爱因斯坦那著名的方程,如果电子有质量m,那么它一定有一个内禀的能量E = mc^2。好,让我们再次回忆那个我说过很有用的量子基本方程,E = hν,也就是说,对应这个能量,电子一定会具有一个内禀的频率。这个频率的计算很简单,因为mc^2 = E = hν,所以ν= mc^2/h。

      好。电子有一个内在频率。那么频率是什么呢?它是某种振动的周期。那么我们又得出结论,电子内部有某些东西在振动。是什么东西在振动呢?德布罗意借助相对论,开始了他的运算,结果发现……当电子以速度v0前进时,必定伴随着一个速度为c^2/v0的波……

      噢,你没有听错。电子在前进时,总是伴随着一个波。细心的读者可能要发出疑问,因为他们发现这个波的速度c^2/v0将比光速还快上许多,但是这不是一个问题。德布罗意证明,这种波不能携带实际的能量和信息,因此并不违反相对论。爱因斯坦只是说,没有一种能量信号的传递能超过光速,对德布罗意的波,他是睁一只眼闭一只眼的。

      德布罗意把这种波称为“相波”(phase wave),后人为了纪念他,也称其为“德布罗意波”。计算这个波的波长是容易的,就简单地把上面得出的速度除以它的频率,那么我们就得到:λ= (c^2/v0 ) / ( mc^2/h) = h/mv0。这个叫做德布罗意波长公式。

      但是,等等,我们似乎还没有回过神来。我们在谈论一个“波”!可是我们头先明明在讨论电子的问题,怎么突然从电子里冒出了一个波呢?它是从哪里出来的?我希望大家还没有忘记我们可怜的波动和微粒两支军队,在玻尔原子兴盛又衰败的时候,它们一直在苦苦对抗,僵持不下。1923年,德布罗意在求出他的相波之前,正好是康普顿用光子说解释了康普顿效应,从而带领微粒大举反攻后不久。倒霉的微粒不得不因此放弃了全面进攻,因为它们突然发现,在电子这个大后方,居然出现了波动的奸细!而且怎么赶都赶不走。

      电子居然是一个波!这未免让人感到太不可思议。可敬的普朗克绅士在这些前卫而反叛的年轻人面前,只能摇头兴叹,连话都说不出来了。假如说当时全世界只有一个人支持德布罗意的话,他就是爱因斯坦。德布罗意的导师朗之万对自己弟子的大胆见解无可奈何,出于挽救失足青年的良好愿望,他把论文交给爱因斯坦点评。谁料爱因斯坦马上予以了高度评价,称德布罗意“揭开了大幕的一角”。整个物理学界在听到爱因斯坦的评论后大吃一惊,这才开始全面关注德布罗意的工作。

      证据,我们需要证据。所有的人都在异口同声地说。如果电子是一个波,那么就让我们看到它是一个波的样子。把它的衍射实验做出来给我们看,把干涉图纹放在我们的眼前。德布罗意有礼貌地回敬道:是的,先生们,我会给你们看到证据的。我预言,电子在通过一个小孔的时候,会像光波那样,产生一个可观测的衍射现象。

      1925年4月,在美国纽约的贝尔电话实验室,戴维逊(C.J.Davisson)和革末(L. H. Germer)在做一个有关电子的实验。这个实验的目的是什么我们不得而知,但它牵涉到用一束电子流轰击一块金属镍(nickel)。实验要求金属的表面绝对纯净,所以戴维逊和革末把金属放在一个真空的容器中,以确保没有杂志混入其中。

      不幸的是,发生了一件意外。这个真空容器因为某种原因发生了爆炸,空气一拥而入,迅速地氧化了镍的表面。戴维逊和革末非常懊丧,不过他们并不因此放弃实验,他们决定,重新净化金属表面,把实验从头来过。当时,去除氧化层的好办法就是对金属进行高热加温,这正是戴维逊所做的。

      两人并不知道,正如雅典娜暗中助推着阿尔戈英雄们的船只,幸运女神正在这个时候站在他俩的身后。容器里的金属,在高温下发生了不知不觉的变化:原本它是由许许多多块小晶体组成的,而在加热之后,整块镍融合成了一块大晶体。虽然在表面看来,两者并没有太大的不同,但是内部的剧变已经足够改变物理学的历史。

      当电子通过镍块后,戴维逊和革末瞠目结舌,久久说不出话来。他们看到了再熟悉不过的景象:X射线衍射图案!可是并没有X射线,只有电子,人们终于发现,在某种情况下,电子表现出如X射线般的纯粹波动性质来。电子,无疑地是一种波。

      更多的证据接踵而来。1927年,G.P.汤姆逊,著名的J.J汤姆逊的儿子,在剑桥通过实验进一步证明了电子的波动性。他利用实验数据算出的电子行为,和德布罗意所预言的吻合得天衣无缝。

      命中注定,戴维逊和汤姆逊将分享1937年的诺贝尔奖金,而德布罗意将先于他们8年获得这一荣誉。有意思的是,GP汤姆逊的父亲,JJ汤姆逊因为发现了电子这一粒子而获得诺贝尔奖,他却因为证明电子是波而获得同样的荣誉。历史有时候,实在富有太多的趣味性。

      *********

      饭后闲话:父子诺贝尔

      俗话说,将门无犬子,大科学家的后代往往也会取得不亚于前辈的骄人成绩。JJ汤姆逊的儿子GP汤姆逊推翻了老爸电子是粒子的观点,证明电子的波动性,同样获得诺贝尔奖。这样的世袭科学豪门,似乎还不是绝无仅有。

      居里夫人和她的丈夫皮埃尔?居里于1903年分享诺贝尔奖(居里夫人在1911年又得了一个化学奖)。他们的女儿约里奥?居里(Irene Joliot-Curie)也在1935年和她丈夫一起分享了诺贝尔化学奖。居里夫人的另一个女婿,美国外交家Henry R. Labouisse,在1965年代表联合国儿童基金会(UNICEF)获得了诺贝尔和平奖。

      1915年,William Henry Bragg和William Lawrence Bragg父子因为利用X射线对晶体结构做出了突出贡献,分享了诺贝尔物理奖金。

      我们大名鼎鼎的尼尔斯?玻尔获得了1922年的诺贝尔物理奖。他的小儿子,埃格?玻尔(Aage Bohr)于1975年在同样的领域获奖。

      卡尔?塞班(Karl Siegbahn)和凯伊?塞班(Kai Siegbahn)父子分别于1924和1981年获得诺贝尔物理奖。

      假如俺的老爸是大科学家,俺又会怎样呢?不过恐怕还是如现在这般浪荡江湖,寻求无拘无束的生活吧,呵呵。



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    第四章白云深处

      四


      “电子居然是个波!”这个爆炸性新闻很快就传遍了波动和微粒双方各自的阵营。刚刚还在康普顿战役中焦头烂额的波动一方这下扬眉吐气,终于可以狠狠地嘲笑一下死对头微粒。《波动日报》发表社论,宣称自己取得了决定性的胜利。“微粒的反叛势力终将遭遇到他们应有的可耻结局--电子的下场就是明证。”光子的反击,在波动的眼中突然变得不值一提了,连电子这个老大哥都搞定了,还怕小小的光子?

      不过这次,波动的乐观态度未免太一厢情愿,它高兴得过早了。微粒方面的宣传舆论工具也没闲着,《微粒新闻》的记者采访了德布罗意,结果德布罗意说,当今的辐射物理被分成粒子和波两种观点,这两种观点应当以某种方式统一,而不是始终地尖锐对立--这不利于理论的发展前景。对于微粒来说,讲和的提议自然是无法接受的,但至少让它高兴的是,德布罗意没有明确地偏向波动一方。微粒的技术人员也随即展开反击,光究竟是粒子还是波都还没说清,谁敢那样大胆地断言电子是个波?让我们看看电子在威尔逊云室里的表现吧。

      威尔逊云室是英国科学家威尔逊(C.T.R.Wilson)在1911年发明的一种仪器。水蒸气在尘埃或者离子通过的时候,会以它们为中心凝结成一串水珠,从而在粒子通过之处形成一条清晰可辨的轨迹,就像天空中喷气式飞机身后留下的白雾。利用威尔逊云室,我们可以研究电子和其他粒子碰撞的情况,结果它们的表现完全符合经典粒子的规律。在过去,这或许是理所当然的事情,但现在对于粒子军来说,这个证据是宝贵的。威尔逊因为发明云室在1927年和康普顿分享了诺贝尔奖金。如果说1937年戴维逊和汤姆逊的获奖标志着波动的狂欢,那10年的这次诺贝尔颁奖礼无疑是微粒方面的一次盛典。不过那个时候,战局已经出乎人们的意料,有了微妙的变化。当然这都是后话了。

      捕捉电子位置的仪器也早就有了,电子在感应屏上,总是激发出一个小亮点。Hey,微粒的将军们说,波动怎么解释这个呢?哪怕是电子组成衍射图案,它还是一个一个亮点这样堆积起来的。如果电子是波的话,那么理论上单个电子就能构成整个图案,只不过非常黯淡而已。可是情况显然不是这样,单个电子只能构成单个亮点,只有大量电子的出现,才逐渐显示出衍射图案来。

      微粒的还击且不去说他,更糟糕的是,无论微粒还是波动,都没能在“德布罗意事变”中捞到实质性的好处。波动的嘲笑再尖刻,它还是对光电效应、康普顿效应等等现象束手无策,而微粒也还是无法解释双缝干涉。双方很快就发现,战线还是那条战线,谁都没能前进一步,只不过战场被扩大了而已。电子现在也被拉进有关光本性的这场战争,这使得战争全面地被升级。现在的问题,已经不再仅仅是光到底是粒子还是波,现在的问题,是电子到底是粒子还是波,你和我到底是粒子还是波,这整个物质世界到底是粒子还是波。

      事实上,波动这次对电子的攻击只有更加激发了粒子们的同仇敌忾之心。现在,光子、电子、α粒子、还有更多的基本粒子,他们都决定联合起来,为了“大粒子王国”的神圣保卫战而并肩奋斗。这场波粒战争,已经远远超出了光的范围,整个物理体系如今都陷于这个争论中,从而形成了一次名副其实的世界大战。玻尔在1924年曾试图给这两支军队调停,他和克莱默(Kramers)还有斯雷特(Slater)发表了一个理论(称作BSK理论),尝试同时从波和粒子的角度去解释能量转换,但双方正打得眼红,这次调停成了外交上的彻底失败,不久就被实验所否决。战火熊熊,燃遍物理学的每一寸土地,同时也把它的未来炙烤得焦糊不清。

      物理学已经走到了一个十字路口。它迷茫而又困惑,不知道前途何去何从。昔日的经典辉煌已经变成断瓦残垣,一切回头路都被断绝。如今的天空浓云密布,不见阳光,在大地上投下一片阴影。人们在量子这个精灵的带领下一路走来,沿途如行山阴道上,精彩目不暇接,但现在却突然发现自己已经身在白云深处,彷徨而不知归路。放眼望去,到处是雾茫茫一片,不辨东南西北,叫人心中没底。玻尔建立的大厦虽然看起来还是顶天立地,但稍微了解一点内情的工程师们都知道它已经几经裱糊,伤筋动骨,摇摇欲坠,只是仍然在苦苦支撑而已。更何况,这个大厦还凭借着对应原理的天桥,依附在麦克斯韦的旧楼上,这就教人更不敢对它的前途抱有任何希望。在另一边,微粒和波动打得烽火连天,谁也奈何不了谁,长期的战争已经使物理学的基础处在崩溃边缘,它甚至不知道自己是建立在什么东西之上。

      不过,我们也不必过多地为一种悲观情绪所困扰。在大时代的黎明到来之前,总是要经历这样的深深的黑暗,那是一个伟大理论诞生前的阵痛。当大风扬起,吹散一切岚雾的时候,人们会惊喜地发现,原来他们已经站在高高的山峰之上,极目望去,满眼风光。

      那个带领我们穿越迷雾的人,后来回忆说:“1924到1925年,我们在原子物理方面虽然进入了一个浓云密布的领域,但是已经可以从中看见微光,并展望出一个令人激动的远景。”

      说这话的是一个来自德国的年轻人,他就是维尔纳?海森堡(Werner Heisenberg)。

      在本史话第二章的最后,我们已经知道,海森堡于1901年出生于维尔兹堡(Würzburg),他的父亲后来成为了一位有名的希腊文教授。小海森堡9岁那年,他们全家搬到了慕尼黑,他的祖父在那里的一间学校(叫做Maximilians Gymnasium的)当校长,而海森堡也自然进了这间学校学习。虽然属于“高干子弟”,但小海森堡显然不用凭借这种关系来取得成绩,他的天才很快就开始让人吃惊,特别是数学和物理方面的,但是他同时也对宗教、文学和哲学表现出强烈兴趣。这样的多才多艺预示着他以后不仅仅将成为一个划时代的物理学家,同时也将成为一为重要的哲学家。

      1919年,海森堡参予了镇压巴伐利亚苏维埃共和国的军事行动,当然那时候他还只是个大男孩,把这当成一件好玩的事情而已。对他来说,更严肃的是在大学里选择一条怎样的道路。当他进入慕尼黑大学后,这种选择便很现实地摆在他面前:是跟着林德曼(Ferdinand von Lindemann),一位著名的数学家学习数论呢,还是跟着索末非学习物理?海森堡终于选择了后者,从而迈出了一个科学巨人的第一步。

      1922年,玻尔应邀到哥廷根进行学术访问,引起轰动,甚至后来被称为哥廷根的“玻尔节”。海森堡也赶到哥廷根去听玻尔的演讲,才三年级的他竟然向玻尔提出一些学术观点上的异议,使得玻尔对他刮目相看。事实上,玻尔此行最大的收获可能就是遇到了海森堡和泡利,两个天才无限的年轻人。而这两人之后都会远赴哥本哈根,在玻尔的研究室和他一起工作一段日子。

      到了1925年,海森堡--他现在是博士了--已经充分成长为一个既朝气蓬勃又不乏成熟的物理学家。他在慕尼黑、哥廷根和哥本哈根的经历使得他得以师从当时最好的几位物理大师。而按他自己的说法,他从索末非那里学到了乐观态度,在哥廷根从波恩,弗兰克还有希尔伯特那里学到了数学,而从玻尔那里,他学到了物理(索末非似乎很没有面子,呵呵)。

      现在,该轮到海森堡自己上场了。物理学的天空终将云开雾散,露出璀璨的星光让我们目眩神迷。在那其中有几颗特别明亮的星星,它们的光辉照亮了整个夜空,组成了最华丽的星座。不用费力分辩,你应该能认出其中的一颗,它就叫维尔纳?海森堡。作为量子力学的奠基人之一,这个名字将永远镌刻在时空和历史中。

      *********

      饭后闲话:被误解的名言

      这个闲话和今天的正文无关,不过既然这几日讨论牛顿,不妨多披露一些关于牛顿的历史事实。

      牛顿最为人熟知的一句名言是这样说的:“如果我看得更远的话,那是因为我站在巨人的肩膀上”(If I have seen further it is by standing on ye shoulders of Giants)。这句话通常被用来赞叹牛顿的谦逊,但是从历史上来看,这句话本身似乎没有任何可以理解为谦逊的理由。

      首先这句话不是原创。早在12世纪,伯纳德(Bernard of Chartres,他是中世纪的哲学家,著名的法国沙特尔学校的校长)就说过:“Nos esse quasi nanos gigantium humeris insidientes”。这句拉丁文的意思就是说,我们都像坐在巨人肩膀上的矮子。这句话,如今还能在沙特尔市那著名的哥特式大教堂的窗户上找到。从伯纳德以来,至少有二三十个人在牛顿之前说过类似的话。

      牛顿说这话是在1676年给胡克的一封信中。当时他已经和胡克在光的问题上吵得昏天黑地,争论已经持续多年(可以参见我们的史话)。在这封信里,牛顿认为胡克把他(牛顿自己)的能力看得太高了,然后就是这句著名的话:“如果我看得更远的话,那是因为我站在巨人的肩膀上”。

      这里面的意思无非两种:牛顿说的巨人如果指胡克的话,那是一次很明显的妥协:我没有抄袭你的观念,我只不过在你工作的基础上继续发展--这才比你看得高那么一点点。牛顿想通过这种方式委婉地平息胡克的怒火,大家就此罢手。但如果要说大度或者谦逊,似乎很难谈得上。牛顿为此一生记恨胡克,哪怕几十年后,胡克早就墓木已拱,他还是不能平心静气地提到这个名字,这句话最多是试图息事宁人的外交词令而已。另一种可能,巨人不指胡克,那就更明显了:我的工作就算不完全是自己的,也是站在前辈巨人们的肩上--没你胡克的事。

      更多的历史学家认为,这句话是一次恶意的挪揄和讽刺--胡克身材矮小,用“巨人”似乎暗含不怀好意。持这种观点的甚至还包括著名的史蒂芬?霍金,正是他如今坐在当年牛顿卢卡萨教授的位子上。

      牛顿还有一句有名的话,大意说他是海边的一个小孩子,捡起贝壳玩玩,但还没有发现真理的大海。这句话也不是他的原创,最早可以追溯到Joseph Spence。但牛顿最可能是从约翰?米尔顿的《复乐园》中引用(牛顿有一本米尔顿的作品集)。这显然也是精心准备的说辞,牛顿本人从未见过大海,更别提在海滩行走了。他一生中见过的最大的河也就是泰晤士河,很难想象大海的意象如何能自然地从他的头脑中跳出来。

      我谈这些,完全没有诋毁谁的意思。我只想说,历史有时候被赋予了太多的光圈和晕轮,但还历史的真相,是每一个人的责任,不论那真相究竟是什么。同时,这也丝毫不影响牛顿科学上的成就--他是有史以来最伟大的科学家。
    回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2005/2/5 21:52:00   
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    第五章 曙光
    castor_v_pollux  


      一

      属于海森堡的篇章要从1924年7月开始讲起。那个月份对于海森堡可算是喜讯不断,他的关于反常塞曼效应的论文通过审核,从而使他晋升为讲师,获得在德国大学的任意级别中讲学的资格。而玻尔--他对这位出色的年轻人显然有着明显的好感--也来信告诉他,他已经获得了由洛克菲勒(Rockefeller)财团资助的国际教育基金会(IEB)的奖金,为数1000美元  
    ,从而让他有机会远赴哥本哈根,与玻尔本人和他的同事们共同工作一年。也是无巧不成书,海森堡原来在哥廷根的导师波恩正好要到美国讲学,于是同意海森堡到哥本哈根去,只要在明年5月夏季学期开始前回来就可以了。从后来的情况看,海森堡对哥本哈根的这次访问无疑对于量子力学的发展有着积极的意义。

      玻尔在哥本哈根的研究所当时已经具有了世界性的声名,和哥廷根,慕尼黑一起,成为了量子力学发展史上的“黄金三角”。世界各地的学者纷纷前来访问学习,1924年的秋天有近10位访问学者,其中6位是IEB资助的,而这一数字很快就开始激增,使得这幢三层楼的建筑不久就开始显得拥挤,从而不得不展开扩建。海森堡在结束了他的暑假旅行之后,于1924年9月17日抵达哥本哈根,他和另一位来自美国的金(King)博士住在一位刚去世的教授家里,并由孀居的夫人照顾他们的饮食起居。对于海森堡来说,这地方更像是一所语言学校--他那糟糕的英语和丹麦语水平都在逗留期间有了突飞猛涨的进步。

      言归正传。我们在前面讲到,1924,1925年之交,物理学正处在一个非常艰难和迷茫的境地中。玻尔那精巧的原子结构已经在内部出现了细小的裂纹,而辐射问题的本质究竟是粒子还是波动,双方仍然在白热化地交战。康普顿的实验已经使得最持怀疑态度的物理学家都不得不承认,粒子性是无可否认的,但是这就势必要推翻电磁体系这个已经扎根于物理学百余年的庞然大物。而后者所依赖的地基--麦克斯韦理论看上去又是如此牢不可破,无法动摇。

      我们也已经提到,在海森堡来到哥本哈根前不久,玻尔和他的助手克莱默(Kramers)还有斯雷特(Slater)发表了一个称作BKS的理论以试图解决波和粒子的两难。在BKS理论看来,在每一个稳定的原子附近,都存在着某些“虚拟的振动”(virtual oscillator),这些神秘的虚拟振动通过对应原理一一与经典振动相对应,从而使得量子化之后仍然保留有经典波动理论的全部优点(实际上,它是想把粒子在不同的层次上进一步考虑成波)。然而这个看似皆大欢喜的理论实在有着难言的苦衷,它为了调解波动和微粒之间的宿怨,甚至不惜抛弃物理学的基石之一:能量守恒和动量守恒定律,认为它们只不过是一种统计下的平均情况。这个代价太大,遭到爱因斯坦强烈反对,在他影响下泡利也很快转换态度,他不止一次写信给海森堡抱怨“虚拟的振动”还有“虚拟的物理学”。

      BKS的一些思想倒也不是毫无意义。克莱默利用虚拟振子的思想研究了色散现象,并得出了积极的结果。海森堡在哥本哈根学习的时候对这方面产生了兴趣,并与克莱默联名发表了论文在物理期刊上,这些思路对于后来量子力学的创立无疑也有着重要的作用。但BKS理论终于还是中途夭折,1925年4月的实验否定了守恒只在统计意义上成立的说法,光量子确实是实实在在的东西,不是什么虚拟波。BKS的崩溃标志着物理学陷入彻底的混乱,粒子和波的问题是如此令人迷惑而头痛,以致玻尔都说这实在是一种“折磨”(torture)。对于曾经信奉BKS的海森堡来说,这当然是一个坏消息,但是就像一盆冷水,也能让他清醒一下,认真地考虑未来的出路何在。

      哥本哈根的日子是紧张而又有意义的。海森堡无疑地感到了一种竞争的气氛,并以他那好胜的性格加倍努力着。当然,竞争是一回事,哥本哈根的自由精神和学术气氛在全欧洲都几乎无与伦比,而这一切又都和尼尔斯?玻尔这位量子论的“教父”密切相关。毫无疑问在哥本哈根的每一个人都是天才,但他们却都更好地衬托出玻尔本人的伟大来。这位和蔼的丹麦人对于每个人都报以善意的微笑,并引导人们畅所欲言,探讨一切类型的问题。人们像众星拱月一般围绕在他身边,个个都为他的学识和人格所折服,海森堡也不例外,而且他更将成为玻尔最亲密的学生和朋友之一。玻尔常常邀请海森堡到他家(就在研究所的二楼)去分享家藏的陈年好酒,或者到研究所后面的树林里去散步并讨论学术问题。玻尔是一个极富哲学气质的人,他对于许多物理问题的看法都带有深深的哲学色彩,这令海森堡相当震撼,并在很大程度上影响了他本人的思维方式。从某种角度说,在哥本哈根那“量子气氛”里的熏陶以及和玻尔的交流,可能会比海森堡在那段时间里所做的实际研究更有价值。

      那时候,有一种思潮在哥本哈根流行开来。这个思想当时不知是谁引发的,但历史上大约可以回溯到马赫。这种思潮说,物理学的研究对象只应该是能够被观察到被实践到的事物,物理学只能够从这些东西出发,而不是建立在观察不到或者纯粹是推论的事物上。这个观点对海森堡以及不久后也来哥本哈根访问的泡利都有很大影响,海森堡开始隐隐感觉到,玻尔旧原子模型里的有些东西似乎不太对头,似乎它们不都是直接能够为实验所探测的。最明显的例子就是电子的“轨道”以及它绕着轨道运转的“频率”。我们马上就要来认真地看一看这个问题。

      1925年4月27日,海森堡结束哥本哈根的访问回到哥廷根,并开始重新着手研究氢原子的谱线问题--从中应该能找出量子体系的基本原理吧?海森堡的打算是仍然采取虚振子的方法,虽然BKS倒台了,但这在色散理论中已被证明是有成效的方法。海森堡相信,这个思路应该可以解决玻尔体系所解决不了的一些问题,譬如谱线的强度。但是当他兴致勃勃地展开计算后,他的乐观态度很快就无影无踪了:事实上,如果把电子辐射按照虚振子的代数方法展开,他所遇到的数学困难几乎是不可克服的,这使得海森堡不得不放弃了原先的计划。泡利在同样的问题上也被难住了,障碍实在太大,几乎无法前进,这位脾气急躁的物理学家是如此暴跳如雷,几乎准备放弃物理学。“物理学出了大问题”,他叫嚷道,“对我来说什么都太难了,我宁愿自己是一个电影喜剧演员,从来也没听说过物理是什么东西!”(插一句,泡利说宁愿自己是喜剧演员,这是因为他是卓别林的fans之一)

      无奈之下,海森堡决定换一种办法,暂时不考虑谱线强度,而从电子在原子中的运动出发,先建立起基本的运动模型来。事实证明他这条路走对了,新的量子力学很快就要被建立起来,但那却是一种人们闻所未闻,之前连想都不敢想象的形式--Matrix。

      Matrix无疑是一个本身便带有几分神秘色彩,像一个Enigma的词语。不论是从它在数学上的意义,还是电影里的意义(甚至包括电影续集)来说,它都那样扑朔迷离,叫人难以把握,望而生畏。事实上直到今天,还有很多人几乎不敢相信,我们的宇宙就是建立在这些怪物之上。不过不情愿也好,不相信也罢,Matrix已经成为我们生活中不可缺少的概念。理科的大学生逃不了线性代数的课,工程师离不开MatLab软件,漂亮MM也会常常挂念基诺?里维斯,没有法子。

      从数学的意义上翻译,Matrix在中文里译作“矩阵”,它本质上是一种二维的表格。比如像下面这个2*2的矩阵,其实就是一种2*2的方块表格:

      ┏┓

      ┃1 2┃

      ┃3 4┃

      ┗┛

      也可以是长方形的,比如这个2*3的矩阵:

      ┏┓

      ┃1 2 3┃

      ┃4 5 6┃

      ┗┛

      读者可能已经在犯糊涂了,大家都早已习惯了普通的以字母和符号代表的物理公式,这种古怪的表格形式又能表示什么物理意义呢?更让人不能理解的是,这种“表格”,难道也能像普通的物理变量一样,能够进行运算吗?你怎么把两个表格加起来,或乘起来呢?海森堡准是发疯了。

      但是,我已经提醒过大家,我们即将进入的是一个不可思议的光怪陆离的量子世界。在这个世界里,一切都看起来是那样地古怪不合常理,甚至有一些疯狂的意味。我们日常的经验在这里完全失效,甚至常常是靠不住的。物理世界沿用了千百年的概念和习惯在量子世界里轰然崩坍,曾经被认为是天经地义的事情必须被无情地抛弃,而代之以一些奇形怪状的,但却更接近真理的原则。是的,世界就是这些表格构筑的。它们不但能加能乘,而且还有着令人瞠目结舌的运算规则,从而导致一些更为惊世骇俗的结论。而且,这一切都不是臆想,是从事实--而且是唯一能被观测和检验到的事实--推论出来的。海森堡说,现在已经到了物理学该发生改变的时候了。

      我们这就出发开始这趟奇幻之旅。


    第五章 曙光二
    castor_v_pollux  


      二

      物理学,海森堡坚定地想,应当有一个坚固的基础。它只能够从一些直接可以被实验观察和检验的东西出发,一个物理学家应当始终坚持严格的经验主义,而不是想象一些图像来作为理论的基础。玻尔理论的毛病,就出在这上面。


      我们再来回顾一下玻尔理论说了些什么。它说,原子中的电子绕着某些特定的轨道以一定的频率运行,并时不时地从一个轨道跃迁到另一个轨道上去。每个电子轨道都代表一个特定的能级,因此当这种跃迁发生的时候,电子就按照量子化的方式吸收或者发射能量,其大小等于两个轨道之间的能量差。

      嗯,听起来不错,而且这个模型在许多情况下的确管用。但是,海森堡开始问自己。一个电子的“轨道”,它究竟是什么东西?有任何实验能够让我们看到电子的确绕着某个轨道运转吗?有任何实验可以确实地测出一个轨道离开原子核的实际距离吗?诚然轨道的图景是人们所熟悉的,可以类比于行星的运行轨道,但是和行星不同,有没有任何法子让人们真正地看到电子的这么一个“轨道”,并实际测量一个轨道所代表的“能量”呢?没有法子,电子的轨道,还有它绕着轨道的运转频率,都不是能够实际观察到的,那么人们怎么得出这些概念并在此之上建立起原子模型的呢?

      我们回想一下前面史话的有关部分,玻尔模型的建立有着氢原子光谱的支持。每一条光谱线都有一种特定的频率,而由量子公式E1-E2 = hν,我们知道这是电子在两个能级之间跃迁的结果。但是,海森堡争辩道,你这还是没有解决我的疑问。没有实际的观测可以证明某一个轨道所代表的“能级”是什么,每一条光谱线,只代表两个“能级”之间的“能量差”。所以,只有“能级差”或者“轨道差”是可以被直接观察到的,而“能级”和“轨道”却不是。

      为了说明问题,我们还是来打个比方。小时候的乐趣之一是收集各种各样的电车票以扮作售票员,那时候上海的车票通常都很便宜,最多也就是一毛几分钱。但规矩是这样的:不管你从哪个站上车,坐得越远车票就相对越贵。比如我从徐家汇上车,那么坐到淮海路可能只要3分钱,而到人民广场大概就要5分,到外滩就要7分,如果一直坐到虹口体育场,也许就得花上1毛钱。当然,近两年回去,公交早就换成了无人售票和统一计费--不管多远都是一个价,车费也早就今非昔比了。

      让我们假设有一班巴士从A站出发,经过BCD三站到达E这个终点站。这个车的收费沿用了我们怀旧时代的老传统,不是上车一律给2块钱,而是根据起点和终点来单独计费。我们不妨订一个收费标准:A站和B站之间是1块钱,B和C靠得比较近,0.5元。C和D之间还是1块钱,而D和E离得远,2块钱。这样一来车费就容易计算了,比如我从B站上车到E站,那么我就应该给0.5 1 2=3.5元作为车费。反过来,如果我从D站上车到A站,那么道理是一样的:1 0.5 1=2.5块钱。

      现在玻尔和海森堡分别被叫来写一个关于车费的说明贴在车子里让人参考。玻尔欣然同意了,他说:这个问题很简单,车费问题实际上就是两个站之间的距离问题,我们只要把每一个站的位置状况写出来,那么乘客们就能够一目了然了。于是他就假设,A站的坐标是0,从而推出:B站的坐标是1,C站的坐标是1.5,D站的坐标是2.5,而E站的坐标是4.5。这就行了,玻尔说,车费就是起点站的坐标减掉终点站的坐标的绝对值,我们的“坐标”,实际上可以看成一种“车费能级”,所有的情况都完全可以包含在下面这个表格里:

      站点坐标(车费能级)

      A 0

      B 1

      C 1.5

      D 2.5

      E 4.5

      这便是一种经典的解法,每一个车站都被假设具有某种绝对的“车费能级”,就像原子中电子的每个轨道都被假设具有某种特定的能级一样。所有的车费,不管是从哪个站到哪个站,都可以用这个单一的变量来解决,这是一个一维的传统表格,完全可以表达为一个普通的公式。这也是所有物理问题的传统解法。

      现在,海森堡说话了。不对,海森堡争辩说,这个思路有一个根本性的错误,那就是,作为一个乘客来说,他完全无法意识,也根本不可能观察到某个车站的“绝对坐标”是什么。比如我从C站乘车到D站,无论怎么样我也无法观察到“C站的坐标是1.5”,或者“D站的坐标是2.5”这个结论。作为我--乘客来说,我所能唯一观察和体会到的,就是“从C站到达D站要花1块钱”,这才是最确凿,最坚实的东西。我们的车费规则,只能以这样的事实为基础,而不是不可观察的所谓“坐标”,或者“能级”。

      那么,怎样才能仅仅从这些可以观察的事实上去建立我们的车费规则呢?海森堡说,传统的那个一维表格已经不适用了,我们需要一种新类型的表格,像下面这样的:

      A B C D E

      A 0 1 1.5 2.5 4.5

      B 1 0 0.5 1.5 3.5

      C 1.5 0.5 0 1 3

      D 2.5 1.5 1 0 2

      E 4.5 3.5 3 2 0

      这里面,竖的是起点站,横的是终点站。现在这张表格里的每一个数字都是实实在在可以观测和检验的了。比如第一行第三列的那个1.5,它的横坐标是A,表明从A站出发。它的纵坐标是C,表明到C站下车。那么,只要某个乘客真正从A站坐到了C站,他就可以证实这个数字是正确的:这个旅途的确需要1.5块车费。

      好吧,某些读者可能已经不耐烦了,它们的确是两种不同类型的东西,可是,这种区别的意义有那么大吗?毕竟,它们表达的,不是同一种收费规则吗?但事情要比我们想象的复杂多了,比如玻尔的表格之所以那么简洁,其实是有这样一个假设,那就是“从A到B”和“从B到A”,所需的钱是一样的。事实也许并非如此,从A到B要1块钱,从B回到A却很可能要1.5元。这样玻尔的传统方式要大大头痛了,而海森堡的表格却是简洁明了的:只要修改B为横坐标A为纵坐标的那个数字就可以了,只不过表格不再按照对角线对称了而已。

      更关键的是,海森堡争辩说,所有的物理规则,也要按照这种表格的方式来改写。我们已经有了经典的动力学方程,现在,我们必须全部把它们按照量子的方式改写成某种表格方程。许多传统的物理变量,现在都要看成是一些独立的矩阵来处理。

      在经典力学中,一个周期性的振动可以用数学方法分解成为一系列简谐振动的叠加,这个方法叫做傅里叶展开。想象一下我们的耳朵,它可以灵敏地分辨出各种不同的声音,即使这些声音同时响起,混成一片嘈杂也无关紧要,一个发烧友甚至可以分辨出CD音乐中乐手翻动乐谱的细微沙沙声。人耳自然是很神奇的,但是从本质上说,数学家也可以做到这一切,方法就是通过傅立叶分析把一个混合的音波分解成一系列的简谐波。大家可能要感叹,人耳竟然能够在瞬间完成这样复杂的数学分析,不过这其实是自然的进化而已。譬如守门员抱住飞来的足球,从数学上说相当于解析了一大堆重力和空气动力学的微分方程并求出了球的轨迹,再比如人本能的趋利避害的反应,从基因的角度说也相当于进行了无数风险概率和未来获利的计算。但这都只是因为进化的力量使得生物体趋于具有这样的能力而已,这能力有利于自然选择,倒不是什么特殊的数学能力所导致。

      回到正题,在玻尔和索末菲的旧原子模型里,我们已经有了电子运动方程和量子化条件。这个运动同样可以利用傅立叶分析的手法,化作一系列简谐运动的叠加。在这个展开式里的每一项,都代表了一个特定频率。现在,海森堡准备对这个旧方程进行手术,把它彻底地改造成最新的矩阵版本。但是困难来了,我们现在有一个变量p,代表电子的动量,还有一个变量q,代表电子的位置。本来,在老方程里这两个变量应当乘起来,现在海森堡把p和q都变成了矩阵,那么,现在p和q应当如何再乘起来呢?

      这个问题问得好:你如何把两个“表格”乘起来呢?

      或者我们不妨先问自己这样一个问题:把两个表格乘起来,这代表了什么意义呢?

      为了容易理解,我们还是回到我们那个巴士车费的比喻。现在假设我们手里有两张海森堡制定的车费表:矩阵I和矩阵II,分别代表了巴士I号线和巴士II号线在某地的收费情况。为了简单起见,我们假设每条线都只有两个站,A和B。这两个表如下:

      I号线(矩阵I):

      A B

      A 1 2

      B 3 1

      II号线(矩阵II):

      A B

      A 1 3

      B 4 1

      好,我们再来回顾一下这两张表到底代表了什么意思。根据海森堡的规则,数字的横坐标代表了起点站,纵坐标代表了终点站。那么矩阵I第一行第一列的那个1就是说,你坐巴士I号线,从A地出发,在A地原地下车,车费要1块钱(啊?为什么原地不动也要付1块钱呢?这个……一方面是比喻而已,再说你可以把1块钱看成某种起步费。何况在大部分城市的地铁里,你进去又马上出来,的确是要在电子卡里扣掉一点钱的)。同样,矩阵I第一行第二列的那个2是说,你坐I号线从A地到B地,需要2块钱。但是,如果从B地回到A地,那么就要看横坐标是B而纵坐标是A的那个数字,也就是第二行第一列的那个3。矩阵II的情况同样如此。

      好,现在我们来做个小学生水平的数学练习:乘法运算。只不过这次乘的不是普通的数字,而是两张表格:I和II。I×II等于几?

      让我们把习题完整地写出来。现在,boys and girls,这道题目的答案是什么呢?

      ┏┓┏┓

      ┃1 2┃┃1 3┃

      ┃3 1┃×┃4 1┃=?

      ┗┛┗┛

      *********

      饭后闲话:男孩物理学

      1925年,当海森堡做出他那突破性的贡献的时候,他刚刚24岁。尽管在物理上有着极为惊人的天才,但海森堡在别的方面无疑还只是一个稚气未脱的大孩子。他兴致勃勃地跟着青年团去各地旅行,在哥本哈根逗留期间,他抽空去巴伐利亚滑雪,结果摔伤了膝盖,躺了好几个礼拜。在山谷田野间畅游的时候,他高兴得不能自已,甚至说“我连一秒种的物理都不愿想了”。

      量子论的发展几乎就是年轻人的天下。爱因斯坦1905年提出光量子假说的时候,也才26岁。玻尔1913年提出他的原子结构的时候,28岁。德布罗意1923年提出相波的时候,31岁。而1925年,当量子力学在海森堡的手里得到突破的时候,后来在历史上闪闪发光的那些主要人物也几乎都和海森堡一样年轻: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岁的薛定谔和43岁的波恩简直算是老爷爷了。量子力学被人们戏称为“男孩物理学”,波恩在哥廷根的理论班,也被人叫做“波恩幼儿园”。

      不过,这只说明量子论的锐气和朝气。在那个神话般的年代,象征了科学永远不知畏惧的前进步伐,开创出一个前所未有的大时代来。“男孩物理学”这个带有传奇色彩的名词,也将在物理史上镌刻出永恒的光芒。


    回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2005/2/5 21:52:00   
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    第五章 曙光三
    castor_v_pollux  


      三

      上次我们布置了一道练习题,现在我们一起来把它的答案求出来。

      ┏┓┏┓


      ┃1 2┃┃1 3┃

      ┃3 1┃×┃4 1┃=?

      ┗┛┗┛

      如果你还记得我们那个公共巴士的比喻,那么乘号左边的矩阵I代表了我们的巴士I号线的收费表,乘号右边的矩阵II代表了II号线的收费表。I是一个2×2的表格,II也是一个2×2的表格,我们有理由相信,它们的乘积也应该是类似的形式,也是一个2×2的表格。

      ┏┓┏┓┏┓

      ┃1 2┃┃1 3┃┃a b┃

      ┃3 1┃×┃4 1┃=┃c d┃

      ┗┛┗┛┗┛

      但是,那答案到底是什么?我们该怎么求出abcd这四个未知数?更重要的是,I×II的意义是什么呢?

      海森堡说,I×II,表示你先乘搭巴士I号线,然后转乘了II号线。答案中的a是什么呢?a处在第一行第一列,它也必定表示从A地出发到A地下车的某种收费情况。海森堡说,a,其实就是说,你搭乘I号线从A地出发,期间转乘II号线,最后又回到A地下车。因为是乘法,所以它表示“I号线收费”和“II号线收费”的乘积。但是,情况还不是那么简单,因为我们的路线可能不止有一种,a实际代表的是所有收费情况的“总和”。

      如果这不好理解,那么我们干脆把题目做出来。答案中的a,正如我们已经说明了的,表示我搭I号线从A地出发,然后转乘II号线,又回到A地下车的收费情况的总和。那么,我们如何具体地做到这一点呢?有两种方法:第一种,我们可以乘搭I号线从A地到B地,然后在B地转乘II号线,再从B地回到A地。此外,还有一种办法,就是我们在A地上了I号线,随即在原地下车。然后还是在A地再上II号线,同样在原地下车。这虽然听起来很不明智,但无疑也是一种途径。那么,我们答案中的a,其实就是这两种方法的收费情况的总和。

      现在我们看看具体数字应该是多少:第一种方法,我们先乘I号线从A地到B地,车费应该是多少呢?我们还记得海森堡的车费规则,那就看矩阵I横坐标为A纵坐标为B的那个数字,也就是第一行第二列的那个2,2块钱。好,随后我们又从B地转乘II号线回到了A地,这里的车费对应于矩阵II第二行第一列的那个4。所以第一种方法的“收费乘积”是2×4=8。但是,我们提到,还有另一种可能,就是我们在A地原地不动地上了I号线再下来,又上II号线再下来,这同样符合我们A地出发A地结束的条件。这对应于两个矩阵第一行第一列的两个数字的乘积,1×1=1。那么,我们的最终答案,a,就等于这两种可能的叠加,也就是说,a=2×4+1×1=9。因为没有第三种可能性了。

      同样道理我们来求b。b代表先乘I号线然后转乘II号线,从A地出发最终抵达B地的收费情况总和。这同样有两种办法可以做到:先在A地上I号线随即下车,然后从A地坐II号线去B地。收费分别是1块(矩阵I第一行第一列)和3块(矩阵II第一行第二列),所以1×3=3。还有一种办法就是先乘I号线从A地到B地,收费2块(矩阵I第一行第二列),然后在B地转II号线原地上下,收费1块(矩阵II第二行第二列),所以2×1=1。所以最终答案:b=1×3+2×1=5。

      大家可以先别偷看答案,自己试着求c和d。最后应该是这样的:c=3×1+1×4=7,d=3×3+1×1=10。所以:

      ┏┓┏┓┏┓

      ┃1 2┃┃1 3┃┃9 5┃

      ┃3 1┃×┃4 1┃=┃7 10┃

      ┗┛┗┛┗┛

      很抱歉让大家如此痛苦不堪,不过我们的确在学习新的事物。如果你觉得这种乘法十分陌生的话,那么我们很快就要给你更大的惊奇,但首先我们还是要熟悉这种新的运算规则才是。圣人说,温故而知新,我们不必为了自己新学到的东西而沾沾自喜,还是巩固巩固我们的基础吧,让我们把上面这道题目验算一遍。哦,不要昏倒,不要昏倒,其实没有那么乏味,我们可以把乘法的次序倒一倒,现在验算一遍II×I:

      ┏┓┏┓┏┓

      ┃1 3┃┃1 2┃┃a b┃

      ┃4 1┃×┃3 1┃=┃c d┃

      ┗┛┗┛┗┛

      我知道大家都在唉声叹气,不过我还是坚持,复习功课是有益无害的。我们来看看a是什么,现在我们是先乘搭II号线,然后转I号线了,所以我们可以从A地上II号线,然后下来。再上I号线,然后又下来。对应的是1×1。另外,我们可以坐II号线去B地,在B地转I号线回到A地,所以是3×3=9。所以a=1×1+3×3=10。

      喂,打瞌睡的各位,快醒醒,我们遇到问题了。在我们的验算里,a=10,不过我还记得,刚才我们的答案说a=9。各位把笔记本往回翻几页,看看我有没有记错?嗯,虽然大家都没有记笔记,但我还是没有记错,刚才我们的a=2×4+1×1=9。看来是我算错了,我们再算一遍,这次可要打起精神了:a代表A地上车A地下车。所以可能的情况是:我搭II号线在A地上车A地下车(矩阵II第一行第一列),1块。然后转I号线同样在A地上车A地下车(矩阵I第一行第一列),也是1块。1×1=1。还有一种可能是,我搭II号线在A地上车B地下车(矩阵II第一行第二列),3块。然后在B地转I号线从B地回到A地(矩阵II第二行第一列),3块。3×3=9。所以a=1+9=10。

      嗯,奇怪,没错啊。那么难道前面算错了?我们再算一遍,好像也没错,前面a=1+8=9。那么,那么……谁错了?哈哈,海森堡错了,他这次可丢脸了,他发明了一种什么样的表格乘法啊,居然导致如此荒唐的结果:I×II≠II×I。

      我们不妨把结果整个算出来:

      ┏┓

      ┃9 5┃

      I×II=┃7 10┃

      ┗┛

      ┏┓

      ┃10 5┃

      II×I=┃7 9┃

      ┗┛

      的确,I×II≠II×I。这可真让人惋惜,原来我们还以为这种表格式的运算至少有点创意的,现在看来浪费了大家不少时间,只好说声抱歉。但是,慢着,海森堡还有话要说,先别为我们死去的脑细胞默哀,它们的死也许不是完全没有意义的。

      大家冷静点,大家冷静点,海森堡摇晃着他那漂亮的头发说,我们必须学会面对现实。我们已经说过了,物理学,必须从唯一可以被实践的数据出发,而不是靠想象和常识习惯。我们要学会依赖于数学,而不是日常语言,因为只有数学才具有唯一的意义,才能告诉我们唯一的真实。我们必须认识到这一点:数学怎么说,我们就得接受什么。如果数学说I×II≠II×I,那么我们就得这么认为,哪怕世人用再嘲讽的口气来讥笑我们,我们也不能改变这一立场。何况,如果仔细审查这里面的意义,也并没有太大的荒谬:先搭乘I号线,再转II号线,这和先搭乘II号线,再转I号线,导致的结果可能是不同的,有什么问题吗?

      好吧,有人讽刺地说,那么牛顿第二定律究竟是F=ma,还是F=am呢?

      海森堡冷冷地说,牛顿力学是经典体系,我们讨论的是量子体系。永远不要对量子世界的任何奇特性质过分大惊小怪,那会让你发疯的。量子的规则,并不一定要受到乘法交换率的束缚。

      他无法做更多的口舌之争了,1925年夏天,他被一场热病所感染,不得不离开哥廷根,到北海的一个小岛赫尔格兰(Helgoland)去休养。但是他的大脑没有停滞,在远离喧嚣的小岛上,海森堡坚定地沿着这条奇特的表格式道路去探索物理学的未来。而且,他很快就获得了成功:事实上,只要把矩阵的规则运用到经典的动力学公式里去,把玻尔和索末菲旧的量子条件改造成新的由坚实的矩阵砖块构造起来的方程,海森堡可以自然而然地推导出量子化的原子能级和辐射频率。而且这一切都可以顺理成章从方程本身解出,不再需要像玻尔的旧模型那样,强行附加一个不自然的量子条件。海森堡的表格的确管用!数学解释一切,我们的想象是靠不住的。

      虽然,这种古怪的不遵守交换率的矩阵乘法到底意味着什么,无论对于海森堡,还是当时的所有人来说,都还仍然是一个谜题,但量子力学的基本形式却已经得到了突破进展。从这时候起,量子论将以一种气势磅礴的姿态向前迈进,每一步都那样雄伟壮丽,激起滔天的巨浪和美丽的浪花。接下来的3年是梦幻般的3年,是物理史上难以想象的3年,理论物理的黄金年代,终于要放射出它最耀眼的光辉,把整个20世纪都装点得神圣起来。

      海森堡后来在写给好友范德沃登的信中回忆道,当他在那个石头小岛上的时候,有一晚忽然想到体系的总能量应该是一个常数。于是他试着用他那规则来解这个方程以求得振子能量。求解并不容易,他做了一个通宵,但求出来的结果和实验符合得非常好。于是他爬上一个山崖去看日出,同时感到自己非常幸运。

      是的,曙光已经出现,太阳正从海平线上冉冉升起,万道霞光染红了海面和空中的云彩,在天地间流动着奇幻的辉光。在高高的石崖顶上,海森堡面对着壮观的日出景象,他脚下碧海潮生,一直延伸到无穷无尽的远方。是的,他知道,this is the moment,他已经作出生命中最重要的突破,而物理学的黎明也终于到来。

      *********

      饭后闲话:矩阵

      我们已经看到,海森堡发明了这种奇特的表格,I×II≠II×I,连他自己都没把握确定这是个什么怪物。当他结束养病,回到哥廷根后,就把论文草稿送给老师波恩,让他评论评论。波恩看到这种表格运算大吃一惊,原来这不是什么新鲜东西,正是线性代数里学到的“矩阵”!回溯历史,这种工具早在1858年就已经由一位剑桥的数学家Arthur Cayley所发明,不过当时不叫“矩阵”而叫做“行列式”(determinant,这个字后来变成了另外一个意思,虽然还是和矩阵关系很紧密)。发明矩阵最初的目的,是简洁地来求解某些微分方程组(事实上直到今天,大学线性代数课还是主要解决这个问题)。但海森堡对此毫不知情,他实际上不知不觉地“重新发明”了矩阵的概念。波恩和他那精通矩阵运算的助教约尔当随即在严格的数学基础上发展了海森堡的理论,进一步完善了量子力学,我们很快就要谈到。

      数学在某种意义上来说总是领先的。Cayley创立矩阵的时候,自然想不到它后来会在量子论的发展中起到关键作用。同样,黎曼创立黎曼几何的时候,又怎会料到他已经给爱因斯坦和他伟大的相对论提供了最好的工具。

      乔治?盖莫夫在那本受欢迎的老科普书《从一到无穷大》(One, Two, Three…Infinity)里说,目前数学还有一个大分支没有派上用场(除了智力体操的用处之外),那就是数论。古老的数论领域里已经有许多难题被解开,比如四色问题,费马大定理。也有比如著名的哥德巴赫猜想,至今悬而未决。天知道,这些理论和思路是不是在将来会给某个物理或者化学理论开道,打造出一片全新的天地来。
    第五章 曙光四
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      四

      从赫尔格兰回来后,海森堡找到波恩,请求允许他离开哥廷根一阵,去剑桥讲课。同时,他也把自己的论文给了波恩过目,问他有没有发表的价值。波恩显然被海森堡的想法给迷住了,正如他后来回忆的那样:“我对此着了迷……海森堡的思想给我留下了深刻的印象,对于我们一直追求的那个体系来说,这是一次伟大的突破。”于是当海森堡去到英国讲  
    学的时候,波恩就把他的这篇论文寄给了《物理学杂志》(Zeitschrift fur Physik),并于7月29日发表。这无疑标志着新生的量子力学在公众面前的首次亮相。

      但海森堡古怪的表格乘法无疑也让波恩困扰,他在7月15日写给爱因斯坦的信中说:“海森堡新的工作看起来有点神秘莫测,不过无疑是很深刻的,而且是正确的。”但是,有一天,波恩突然灵光一闪:他终于想起来这是什么了。海森堡的表格,正是他从前所听说过的那个“矩阵”!

      但是对于当时的欧洲物理学家来说,矩阵几乎是一个完全陌生的名字。甚至连海森堡自己,也不见得对它的性质有着完全的了解。波恩决定为海森堡的理论打一个坚实的数学基础,他找到泡利,希望与之合作,可是泡利对此持有强烈的怀疑态度,他以他标志性的尖刻语气对波恩说:“是的,我就知道你喜欢那种冗长和复杂的形式主义,但你那无用的数学只会损害海森堡的物理思想。”波恩在泡利那里碰了一鼻子灰,不得不转向他那熟悉矩阵运算的年轻助教约尔当(Pascual Jordan,再过一个礼拜,就是他101年诞辰),两人于是欣然合作,很快写出了著名的论文《论量子力学》(Zur Quantenmechanik),发表在《物理学杂志》上。在这篇论文中,两人用了很大的篇幅来阐明矩阵运算的基本规则,并把经典力学的哈密顿变换统统改造成为矩阵的形式。传统的动量p和位置q这两个物理变量,现在成为了两个含有无限数据的庞大表格,而且,正如我们已经看到的那样,它们并不遵守传统的乘法交换率,p×q≠q×p。

      波恩和约尔当甚至把p×q和q×p之间的差值也算了出来,结果是这样的:

      pq - qp = (h/2πi) I

      h是我们已经熟悉的普朗克常数,i是虚数的单位,代表-1的平方根,而I叫做单位矩阵,相当于矩阵运算中的1。波恩和约尔当奠定了一种新的力学--矩阵力学的基础。在这种新力学体系的魔法下,普朗克常数和量子化从我们的基本力学方程中自然而然地跳了出来,成为自然界的内在禀性。如果认真地对这种力学形式做一下探讨,人们会惊奇地发现,牛顿体系里的种种结论,比如能量守恒,从新理论中也可以得到。这就是说,新力学其实是牛顿理论的一个扩展,老的经典力学其实被“包含”在我们的新力学中,成为一种特殊情况下的表现形式。

      这种新的力学很快就得到进一步完善。从剑桥返回哥廷根后,海森堡本人也加入了这个伟大的开创性工作中。11月26日,《论量子力学II》在《物理学杂志》上发表,作者是波恩,海森堡和约尔当。这篇论文把原来只讨论一个自由度的体系扩展到任意个自由度,从而彻底建立了新力学的主体。现在,他们可以自豪地宣称,长期以来人们所苦苦追寻的那个目标终于达到了,多年以来如此困扰着物理学家的原子光谱问题,现在终于可以在新力学内部完美地解决。《论量子力学II》这篇文章,被海森堡本人亲切地称呼为“三人论文”(Dreimannerarbeit)的,也终于注定要在物理史上流芳百世。

      新体系显然在理论上获得了巨大的成功。泡利很快就改变了他的态度,在写给克罗尼格(Ralph Laer Kronig)的信里,他说:“海森堡的力学让我有了新的热情和希望。”随后他很快就给出了极其有说服力的证明,展示新理论的结果和氢分子的光谱符合得非常完美,从量子规则中,巴尔末公式可以被自然而然地推导出来。非常好笑的是,虽然他不久前还对波恩咆哮说“冗长和复杂的形式主义”,但他自己的证明无疑动用了最最复杂的数学。

      不过,对于当时其他的物理学家来说,海森堡的新体系无疑是一个怪物。矩阵这种冷冰冰的东西实在太不讲情面,不给人以任何想象的空间。人们一再追问,这里面的物理意义是什么?矩阵究竟是个什么东西?海森堡却始终护定他那让人沮丧的立场:所谓“意义”是不存在的,如果有的话,那数学就是一切“意义”所在。物理学是什么?就是从实验观测量出发,并以庞大复杂的数学关系将它们联系起来的一门科学,如果说有什么图像能够让人们容易理解和记忆的话,那也是靠不住的。但是,不管怎么样,毕竟矩阵力学对于大部分人来说都太陌生太遥远了,而隐藏在它背后的深刻含义,当时还远远没有被发掘出来。特别是,p×q≠q×p,这究竟代表了什么,令人头痛不已。

      一年后,当薛定谔以人们所喜闻乐见的传统方式发布他的波动方程后,几乎全世界的物理学家都松了一口气:他们终于解脱了,不必再费劲地学习海森堡那异常复杂和繁难的矩阵力学。当然,人人都必须承认,矩阵力学本身的伟大含义是不容怀疑的。

      但是,如果说在1925年,欧洲大部分物理学家都还对海森堡,波恩和约尔当的力学一知半解的话,那我们也不得不说,其中有一个非常显著的例外,他就是保罗?狄拉克。在量子力学大发展的年代,哥本哈根,哥廷根以及慕尼黑三地抢尽了风头,狄拉克的崛起总算也为老牌的剑桥挽回了一点颜面。

      保罗?埃德里安?莫里斯?狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)于1902年8月8日出生于英国布里斯托尔港。他的父亲是瑞士人,当时是一位法语教师,狄拉克是家里的第二个孩子。许多大物理学家的童年教育都是多姿多彩的,比如玻尔,海森堡,还有薛定谔。但狄拉克的童年显然要悲惨许多,他父亲是一位非常严肃而刻板的人,给保罗制定了众多的严格规矩。比如他规定保罗只能和他讲法语(他认为这样才能学好这种语言),于是当保罗无法表达自己的时候,只好选择沉默。在小狄拉克的童年里,音乐、文学、艺术显然都和他无缘,社交活动也几乎没有。这一切把狄拉克塑造成了一个沉默寡言,喜好孤独,淡泊名利,在许多人眼里显得geeky的人。有一个流传很广的关于狄拉克的笑话是这样说的:有一次狄拉克在某大学演讲,讲完后一个观众起来说:“狄拉克教授,我不明白你那个公式是如何推导出来的。”狄拉克看着他久久地不说话,主持人不得不提醒他,他还没有回答问题。

      “回答什么问题?”狄拉克奇怪地说,“他刚刚说的是一个陈述句,不是一个疑问句。”

      1921年,狄拉克从布里斯托尔大学电机工程系毕业,恰逢经济大萧条,结果没法找到工作。事实上,很难说他是否会成为一个出色的工程师,狄拉克显然长于理论而拙于实验。不过幸运的是,布里斯托尔大学数学系又给了他一个免费进修数学的机会,2年后,狄拉克转到剑桥,开始了人生的新篇章。

      我们在上面说到,1925年秋天,当海森堡在赫尔格兰岛作出了他的突破后,他获得波恩的批准来到剑桥讲学。当时海森堡对自己的发现心中还没有底,所以没有在公开场合提到自己这方面的工作,不过7月28号,他参加了所谓“卡皮察俱乐部”的一次活动。卡皮察(P.L.Kapitsa)是一位年轻的苏联学生,当时在剑桥跟随卢瑟福工作。他感到英国的学术活动太刻板,便自己组织了一个俱乐部,在晚上聚会,报告和讨论有关物理学的最新进展。我们在前面讨论卢瑟福的时候提到过卡皮察的名字,他后来也获得了诺贝尔奖。

      狄拉克也是卡皮察俱乐部的成员之一,他当时不在剑桥,所以没有参加这个聚会。不过他的导师福勒(William Alfred Fowler)参加了,而且大概在和海森堡的课后讨论中,得知他已经发明了一种全新的理论来解释原子光谱问题。后来海森堡把他的证明寄给了福勒,而福勒给了狄拉克一个复印本。这一开始没有引起狄拉克的重视,不过大概一个礼拜后,他重新审视海森堡的论文,这下他把握住了其中的精髓:别的都是细枝末节,只有一件事是重要的,那就是我们那奇怪的矩阵乘法规则:p×q≠q×p。

      *********

      饭后闲话:约尔当

      恩斯特?帕斯库尔?约尔当(Ernst Pascual Jordan)出生于汉诺威。在我们的史话里已经提到,他是物理史上两篇重要的论文《论量子力学》I和II的作者之一,可以说也是量子力学的主要创立者。但是,他的名声显然及不上波恩或者海森堡。

      这里面的原因显然也是多方面的,1925年,约尔当才22岁,无论从资格还是名声来说,都远远及不上元老级的波恩和少年成名的海森堡。当时和他一起做出贡献的那些人,后来都变得如此著名:波恩,海森堡,泡利,他们的光辉耀眼,把约尔当完全给盖住了。

      从约尔当本人来说,他是一个害羞和内向的人,说话有口吃的毛病,总是结结巴巴的,所以他很少授课或发表演讲。更严重的是,约尔当在二战期间站到了希特勒的一边,成为一个纳粹的同情者,被指责曾经告密。这大大损害了他的声名。

      约尔当是一个作出了许多伟大成就的科学家。除了创立了基本的矩阵力学形式,为量子论打下基础之外,他同样在量子场论,电子自旋,量子电动力学中作出了巨大的贡献。他是最先证明海森堡和薛定谔体系同等性的人之一,他发明了约尔当代数,后来又广泛涉足生物学、心理学和运动学。他曾被提名为诺贝尔奖得主,却没有成功。约尔当后来显然也对自己的成就被低估有些恼火,1964年,他声称《论量子力学》一文其实几乎都是他一个人的贡献--波恩那时候病了。这引起了广泛的争议,不过许多人显然同意,约尔当的贡献应当得到更多的承认。
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