精華量子力學(xué)史話

[精華]量子力學(xué)史話故事發(fā)生在二十世紀(jì)初的法國。巴黎。一樣的延續(xù)著千百年的燈紅酒綠，香榭麗舍大道上散發(fā)著繁華和曖昧，紅磨坊里彌漫著躁動與彷徨。而在此時的巴黎，有一個年輕人，名字叫做德布羅意(DeBroglie)，從他的名字當(dāng)中可以看出這是一個貴族，事實(shí)上德布羅意的父親正是法國的一個伯爵，并且是正是一位當(dāng)權(quán)的內(nèi)閣部長。這樣一個不愁吃不愁穿只是成天愁著如何打發(fā)時光的花花公子自然要找一個能消耗精力的東西來磨蹭掉那些無聊的日子(其實(shí)象他這樣的花花公子大約都會面臨這樣的問題)德布羅意則找到了一個很酷的“事業(yè)”——研究中世紀(jì)史。據(jù)說是因?yàn)橹惺兰o(jì)史中有著很多神秘的東西吸引著這位年輕人。時間一轉(zhuǎn)就到了1919，這是一個科學(xué)界急劇動蕩動著的年代。就在這一年，德布羅意突然移情別戀對物理產(chǎn)生了興趣，尤其是感興趣于當(dāng)時正流行的量子論。具體來說就是感興趣于一個在當(dāng)時很酷的觀點(diǎn):光具有粒子性。這一觀點(diǎn)早在十幾年前由普朗克提出，而后被愛因斯坦用來解釋了光電效應(yīng)，但即便如此，也非常不見容于物理學(xué)界各大門派。德布羅意倒并不見得對這一觀點(diǎn)的物理思想有多了解，也許他的理解也僅僅就是理解到這個觀點(diǎn)是在說“波就是粒子”?；蛟S是一時沖動，或許是因?yàn)槟贻p而擺酷，德布羅意來到了一派宗師朗之萬門下讀研究生。從此，德布羅意走出了一道足以讓讓任何傳奇都黯然失色的人生軌跡。二歷史上德布羅意到底花了多少精力去讀他的研究生也許已經(jīng)很難說清，事實(shí)上5對物理一竅不通的中世紀(jì)史愛好者很難真正的在物理上去做些什么。白駒過隙般的五年轉(zhuǎn)眼就過去了，德布羅意開始要為他的博士論文發(fā)愁了。其實(shí)德布羅意大約只是明白普朗克愛因斯坦那幫家伙一直在說什么波就是粒子，(事實(shí)上對于普朗克大約不能用“一直”二字，此時的普朗克已經(jīng)完全拋棄自己當(dāng)初的量子假設(shè)，又回到了經(jīng)典的就框架。)而真正其中包含的物理，他能理解多少大約只有上帝清楚。1924，德布羅意終于提交了自己的博士論文。他的博士意很頭疼了，只可惜當(dāng)時沒有槍手可以雇來幫忙寫博士論文。他的博士論文只是說了一個猜想，既然波可以是粒子，那么反過來粒子也可以是波。而進(jìn)一步德布羅意提出波的波矢和角頻率與粒子動量和能量的關(guān)系是:動量,普朗克常數(shù),波矢能量,普朗克常數(shù),角頻率這就是他的論文里提出的兩個公式而這兩個公式的提出也完全是因?yàn)樵趷垡蛩固菇忉尮怆娦?yīng)的時候提出光子的動量和能量與光的參數(shù)滿足這一關(guān)系?？梢韵胂筮@樣一個博士論文會得到怎樣的回應(yīng)。本來在歐洲，一個學(xué)生苦讀數(shù)年都拿不到學(xué)位是件很正常的事情，時至今日的歐洲也依然如此。何況德布羅意本來就是這么一個來混日子的的花花公子。然而這次偏偏又有些不一樣——德布羅意的父親又是一位權(quán)高望眾的內(nèi)閣部Ph.D掛不住。情急之中，朗之萬往他的一個好朋友那里寄了一封信。PhD三這封信的收信人是愛因斯坦。信的內(nèi)容大致如下:尊敬的愛因斯坦閣下:在我這里有一位研究生，已經(jīng)攻讀了五年的博士學(xué)位，如今即將畢業(yè)，在他提交的畢業(yè)論文中有一些新的想法………………請對他的論文作出您的評價。另外順便向您提及，該研究生的父親是弊國的一位伯爵，內(nèi)閣的,,部長，若您……，將來您來法國定會受到隆重的接待朗之萬在信中，大約朗之萬的潛臺詞似乎就是如果您不肯給個面子，呵呵，以后就甭來法國了。不知是出于知趣呢，還是出于當(dāng)年自己的離經(jīng)叛道而產(chǎn)生的惺惺相惜，愛因斯坦很客氣回了一封信，大意是該論文里有一些很新很有趣的思想云云。此時的愛因斯坦雖不屬于任何名門望派，卻已獨(dú)步于江湖，頗有威望。有了愛因斯坦的這一封信，評審委員會的幾位教授也不好再多說些什么了。于是，皆大歡喜。浪蕩子弟德布羅意就這樣“攻讀”下了他的PhD(博士)。而按照當(dāng)時歐洲的學(xué)術(shù)傳統(tǒng)，朗之萬則將德布羅意的博士論文印成若干份分寄到了歐洲各大學(xué)的物理系。大約所有人都以為事情會就此了結(jié)，多少年以后德布羅意那篇“很新很有趣”博士論文也就被埋藏到了檔案堆里了。德布羅意大約也就從此以一個PhD的身份繼續(xù)自己的浪蕩生活。但歷史總是喜歡用偶然來開一些玩笑，而這種玩笑中往往也就順帶著改變了許多人的命運(yùn)。在朗之萬寄出的博士論文中，有一份來到了維也納大學(xué)。四1926維也納。當(dāng)時在維也納大學(xué)主持物理學(xué)術(shù)活動的教授是德拜，他收到這份博士論文后，將它交給了他的組里面一位已經(jīng)年屆中年的講師。seminar(這位“老”講師大約早已適應(yīng)了他現(xiàn)在這種不知算是平庸還是算是平靜的生途自然是朦朧而晦暗。這位講師的名字叫做——薛定諤(Schrodinger)在接下來的兩周里，薛定諤仔細(xì)的讀了一下德布羅意的“博士論文”，其實(shí)從內(nèi)容上來講也許根本就用不上“仔細(xì)”二字，德布羅意的這篇論文只不過一頁紙多一點(diǎn)，通篇提出的式子也不過就兩個而已，并且其原型是已經(jīng)在愛因斯坦發(fā)表的論文中出現(xiàn)過的。然而論文里說的話卻讓薛定諤一頭霧水，薛定諤只知道德布羅意大講了一通“波即粒子，粒子即波”，除此之外則是“兩個黃鸝鳴翠柳”——不知所云。seminar的觀點(diǎn)還是有些新穎的東西的，雖然顯得很孩子氣，當(dāng)然也許他需要更深入一步，比如既然提到波的概念，那么總該有一個波動方程吧”多年以后有人問德拜是否后悔自己當(dāng)初作出的這一個評論，德拜自我解嘲的說“你不覺得這是一個很好的評論嗎,”seminar兩周以后。seminar一個波動方程。這個方程就是“薛定諤方程”～當(dāng)然，一開始德布羅意的那篇論文就已經(jīng)認(rèn)為是垃圾，而從垃圾產(chǎn)生出來的自然也不會離垃圾太遠(yuǎn)，于是沒人真正把這個硬生生給德布羅意的“波”套上的方程當(dāng)一回事，甚至還有人順口編了一首打油詩諷刺薛定諤的方程:psi，psi(歐文就是薛定諤，psi故事的情節(jié)好像又一次的要?dú)w于平庸了，然而平庸偏偏有時候就成了奇跡的理由。大約正是薛定諤的“平庸”使得它對自己的這個波動方程的平庸有些心有不甘，他決定再在這個方程中撞一撞運(yùn)氣。五上面講到的情節(jié)放到當(dāng)時的大環(huán)境中來看就好像是湖水下的一場大地震——從湖面上看來卻是風(fēng)平浪靜。下面請?jiān)试S我暫時停止對“老”講師薛定諤的追蹤，而回過頭來看一看這兩年發(fā)生物理學(xué)界這個大湖表面的風(fēng)浪。此前，玻爾由普朗克和愛因斯坦的理論的啟發(fā)提出了著名的“三部曲”，解釋了氫光譜，在這十幾年的發(fā)展當(dāng)中，由玻爾掌門的哥本哈根學(xué)派已然是量子理論界的“少林武當(dāng)”。1925，玻爾的得意弟子海森堡提出了著名的矩陣力學(xué)，進(jìn)一步拋棄經(jīng)典概念，揭示量子圖像，精確的解釋了許多現(xiàn)象，已經(jīng)成為哥本哈根學(xué)派的鎮(zhèn)門之寶——量子屆的“屠龍寶刀”。不過在當(dāng)時懂矩陣的物理學(xué)家沒有幾個，所以矩陣力學(xué)的影響力仍然有限。事實(shí)上就是海森堡本人也并不懂“矩陣”，而只是在他的理論出爐之后哥本哈根學(xué)派的另一位弟子玻恩告訴海森堡他用的東西在數(shù)學(xué)中就是矩陣。再回過頭來再關(guān)注一下我們那個生活風(fēng)平浪靜的老講師薛定諤在干些什么——我指的是在薛定諤講解他的波動方程之后的兩個星期里。事實(shí)上此時的他正浸在溫柔鄉(xiāng)中——帶著他的情婦在維也納的某個滑雪場滑雪。不知道是宜人的風(fēng)景還是身邊的溫香軟玉，總之是冥冥之中有某種東西，給了薛定諤一個靈感，而就是這一個靈感，改變了物理學(xué)發(fā)展的軌跡。薛定諤從他的方程中得出了玻爾的氫原子理論～六倚天一出，天下大驚。從此誰也不敢再把薛定諤的波動方程當(dāng)成nonsense(扯淡)了。哥本哈根學(xué)派的掌門人玻爾更是大為驚詫，于是將薛定諤請到哥本哈根，詳細(xì)切磋量子之精妙。然而讓玻爾遺憾的是，在十天的漫長“切磋”中，兩個人根本都不懂對方在說些什么。在一場讓兩個人都疲憊不堪卻又毫無結(jié)果的“哥本哈根論劍”之后，薛定諤回到了維也納，薛定諤回到了維也納之后仍然繼續(xù)做了一工作，他證明了海森堡的矩陣力學(xué)和他的波動方程表述的量子論其實(shí)只是不同的描述方式。從此“倚天”“屠龍”合而為一。此后，薛定諤雖也試圖從更基本的假設(shè)出發(fā)導(dǎo)出更基本的方程，但終究沒有成功，而不久，他也對這個失去了興趣，轉(zhuǎn)而去研究“生命是什么”。歷史則繼續(xù)著演義他的歷史喜劇。德布羅意，薛定諤都在這場喜劇中成為諾獎得主而名垂青史。尾聲其實(shí)在這一段讓人啼笑皆非的歷史當(dāng)中，上帝還是保留了某種公正的。薛定諤1925的，而矩陣在當(dāng)時則沒有多少人懂)。如此則此前在量子領(lǐng)域已辛苦奮斗了十幾