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侃侃量子力学

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量子力学,相对论。它们一同被视为20世纪的两大最杰出的理论,但它们的发展历程却是如此不同。当年Einstein几乎凭借一己之力就掀翻了整座经典力学的地基,并且亲自构建起侠义相对论和广义相对论的大厦。然而,量子力学的发展却是历经坎坷,虽然众多才华横溢的物理学家们为此奋斗终生,然而目前的量子物理的体系仍然不太令人满意。尽管如此,那些伟人们的业绩还是值得我们去称颂的,他们的丰功伟绩不可磨灭。 


  


Max Planck:我脑海中Planck的形象总是一个秃顶的老头。关于黑体辐射问题,原本有两套公式(一套适用于长波长的光,一套使用于短波长的光),1900年Planck硬是用数学方法凑出一个适用于所有情况的黑体辐射公式。自己还有点丈二和尚摸不着头脑,冥思苦想几年后提出了一个更让人丈二和尚摸不着头脑的假设:能量吸收和放出必须是一份一份的,而不是连续的。这是多么伟大的假设啊!潘多拉的魔盒就此被打开。 

Albert Einstein:这位天才注定是20世纪物理学界的圣人。在那熠熠生辉的1905年,还是小爱的老爱发表了六篇论文,为物理学三大领域奠基。一是关于分子运动,一是讨论运动物体的电动力学(后来它被冠以那个如雷贯耳的名字“狭义相对论”),还有一个就是我要说的“光量子假说”。仅仅引入一个简单的概念——光子(photon),一个简单公式E=hν,就完美地解释了光电效应。尽管人们都不怎么喜欢这个假设,量子这个概念开始萌芽了。 

Neils Bohr:当时人们对H原子那一条一条看似毫无规律的谱线毫无头绪,Balmer瞪着一大堆数据凑出了一个古怪的式子(Planck和Balmer的凑数字功夫有一拼)。而我们这位Bohr引入了量子的概念,改进了他的老师Ernest Rutherford的原子模型,不仅成功地解释H原子的谱线问题,并且在此基础上一举推出了Balmer凑出的经验公式。这次成功后,不少物理学家开始不由地逐渐转投到“量子”门下了。这个丹麦人在此后也成为了量子力学一个标志性的领军人物之一。 

Arthur H Compton:1923年Compton做了那个著名的X射线散射实验,但是经典波动理论怎么也解释不通实验结果。山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村。引入光量子假设让他立刻看到了曙光,眼前一切豁然开朗。X射线散射实验肯定了量子假设的正确性,量子的概念深入人心。 

W.E.Pauli:无庸置疑,他是一个天才,不过有些太过轻妄,对谁都骂骂咧咧。他提出了不相容原理(The Exclusion Principle),对量子物理的重要性不要而喻。也许是因为他的狂妄吧,这个重要的发现过了N多N多年后才被授予诺贝尔奖。 

Louis de Broglie:他是物理学界少见的贵族出身。电磁波,也就是光,既然可以是粒子即光子,于是De Broglie极富想象力地设想电子作为一种粒子也会有波动,并且利用相对论和基本的量子假设导出了电子的频率公式,不久之后Davisson和Germer用实验证实了电子的波动性。原本关于光是粒子还是波的争论已经够麻烦了,现在电子也插进来搅和。多说一句,De Broglie也是历史上同样少见的仅凭博士论文就获得诺贝尔奖的人。 

S.N.Bose:一位来自印度的神秘人物。1924年,老爱莫明其妙地收到了一封来自遥远印度的信。寄信的就是这位Bose,他假设光是不可区分的粒子的集合,从这个简单的假设出发一手推导出了Planck的黑体辐射公式。随后老爱发展了Bose的思想,发展出了在量子力学中具有举足轻重地位的Bose-Einstein统计方法,服从这种统计的粒子也被命名为玻色子(Bosen)。这个统计方法微粒在光领域取得的里程碑式的胜利。 

Werner Heisenberg:Heisenberg给我的形象就是一个西部牛仔一般的大男孩。当时尽管Bohr的理论对H原子很成功,但是对多电子的原子却根本行不通。1925年,量子物理陷入一筹莫展的境地之际,Heisenberg天才般地想到了矩阵(Matrix),靠着Jordan(不是篮球天皇巨星乔丹,这是Jordan一个精通矩阵的数学家)的帮助,在把电子作为基本粒子地基础上构建起了“矩阵力学”的大厦。量子物理重新看到了曙光。 



  • 羊习习籽
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Unlenbeck和Goudsmit:两个有趣的年轻人。1925年他们两个大胆的提出了电子自旋的概念。至于为什么我说他们两个有意思,不妨自己找资料看看,在此不再赘述。后来Pauli(插一句,原先Pauli在听说自旋之说时,对这个理论大大地冷嘲热讽了一般)从特定的矩阵出发,推出了电子的自旋的性质,宣告了电子自旋模型的成立,也宣告了新生的矩阵力学的胜利。在迷雾中徘徊了多年的物理学家们终于重见天日。 

Erwin Schrodinger:他给我的感觉是一个小老头的形象,带着一副眼睛,还有他那诡异地笑。在1925年末,他从跟Heisenberg完全不同的角度出发,将电子作为一种波,写出了物理学中最美妙的方程之一——Schrodinger波动方程。1926年初,他连发数篇论文从而彻底地建立了另一种全新的力学体系——波动力学。尽管他本人也不清楚自己的方程中那个诡异的φ函数到底是什么,但是这条方程、这个体系的荣誉当之无愧属于他。 

Paul Dirac:称得上是那个时代量子领域的集大成者。Dirac在1930年出版了一本到目前都堪称经典的量子力学教材。他还是最早提出反物质概念的人。同时他简化了Heisenberg的理论,并且证明了矩阵力学和波动方程在实质上是等价的。好吧,一个假设电子是粒子,一个假设电子是波,最后得到的结果却是等价的!那么,电子究竟是什么?! 

Max Born:Heisenberg牛仔的导师,他一针见血地指出φ函数描述的式一种概率,具体地说就是φ的平方代表了电子在某点出现的概率。他认为电子出现的概率像波一样,严格按照φ的分布展开。也就是说,φ是上帝手中一颗神秘的骰子! 

Heisenberg:老师唱完学生继续登场。1927年,Heisenberg又发表了令人咋舌的不确定性原理(Uncertainty Principle),他说电子的动量和位置永远不能同时观测,它们的测量结果误差永远存在,而且当其中一个被测量得非常精确,另一个就变得摇摆不定,误差急剧增大。之后他又指出了能量和时间的不确定性关系,同样像是一对结有深仇大恨的冤家,永远不能被同时观测。好吧,我也不得不承认,量子世界太疯狂了! 

Bohr:再度登场。这次他也带来了令人震惊的理论:电子既然是波又不是波,是粒子又不是粒子,那么……电子就既是波又是粒子,即所谓的“波粒二象性”!在人们观测电子之前,它按照波函数处于叠加态弥漫于整个空间;当人们观测它,又按照波函数φ的概率坍缩(collapse),瞬间聚集为一个小点。我们闭上眼睛,电子就是一团混沌,一朵概率云;我们一睁开眼睛,它有变回实实在在的粒子。量子的解释越来越玄乎,不过尽管这样,它的确有效,这个理论又被一大群科学家发展,在原来不确定性原理的基础上,再加上一条互补原理,后来自成一派,形成了一个“哥本哈根”解释。 

Einstein:这种“骰子”的解释当然让老爱这位信仰因果论的大牛很不服了。他坚信所有的事件的发生一定是有前因后果的,他拒绝接受电子出现在空间某个位置是随机的。他高呼:“老头子不掷骰子!”他设计了一个又一个思维实验来试图驳倒哥本哈根解释,黑箱实验,EPR详谬等等等等,结果却是一次又一次被哥本哈根解释击败。但是老爱毕竟是老爱,他至死都坚定不移地相信因果论,他的这种信念确实令人敬佩! 

Schrodinger:老爱不是孤军奋战的,跟他同一战线的还有那位可爱的Schrodinger。他描述了一个常常被人视为噩梦的猫实验,由不确定性原理最后推出了一只处于半死半活、又死又活的猫!这完全不符合常理!物理学家们不得不重新考虑新的理论来解释电子的行为,在之后的岁月里,稀奇古怪的理论如同雨后春笋般不断涌现。许多杰出的物理学家们都作出了贡献:哥本哈根的解释说是因为意识使得波函数坍缩,有人甚至把整个宇宙拉了进来说每次观测都会导致宇宙的分裂(多世界解释/Many Worlds Interpretation,简称MWI),还有由MWI发展而来的平行宇宙理论(Parallel Universes),有隐变量理论(Hidden Variable Theory),巧妙的退相干理论(Decoherence Theory,简称DH理论),等等。只是这些理论显得实在太古怪,在此不再多提。但是直到如今,仍然没有一个解释能够完美地解释量子世界,能够不引起人们的争议。目前的现状是:哥本哈根的解释依然是量子物理的主力军,同时周围还有一大群鱼龙混杂的帮派,并且不断有生力军涌现。 



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