量子物理的小故事

量子物理的小故事原來量子力學(xué)是這么搞出來的(獻(xiàn)給學(xué)習(xí)固體物理的苦主們)來源：宋飛Leon的日志一故事發(fā)生在二十世紀(jì)初的法國。巴黎。一樣延續(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(dòng)與彷徨。路上走著一個(gè)年輕人，名叫德布羅意（DeBroglie）。在當(dāng)時(shí)，這名字屌得就跟你說你姓愛新覺羅一樣。事實(shí)上德布羅意的爸正是法國的一個(gè)伯爵奸內(nèi)閣部長，德布羅意正是一個(gè)典型的富二代。這樣一個(gè)不愁吃穿不愁房只是成天愁著如何打發(fā)時(shí)光的紈绔子弟自然要找一個(gè)能消耗精力的東西來度過那些寂寞的日子。這一點(diǎn)至今未變。而他選擇了……研究中世紀(jì)歐洲史，據(jù)說這倒也不僅是為了裝B——中世紀(jì)史中有著很多神奇的東西吸引著他，據(jù)說。時(shí)間轉(zhuǎn)眼到了１９１９，這個(gè)科學(xué)界騷動(dòng)的年代。比如，就在這一年，德布羅意突然萌生了轉(zhuǎn)系的念頭。他發(fā)現(xiàn)，原來物理學(xué)中有著更多神奇的東西吸引著他，尤其是感興趣于當(dāng)時(shí)正流行的：量子論。簡言之，他就是迷戀于當(dāng)時(shí)一個(gè)很潮的觀點(diǎn)：光是粒子。按說這本該不值個(gè)爛錢，因?yàn)閹装倌昵耙粋€(gè)大牛牛頓就曰過：光是粒子。不過后來這個(gè)觀點(diǎn)被菲涅爾、泊松一群做光學(xué)的搞得很久不流行了。幾百年來，科學(xué)界正統(tǒng)的觀點(diǎn)是：光是波。十幾年前的一天，某君普朗克突然說：原來光還是粒子啊~~！大家本來不想鳥他，結(jié)果愛因斯坦用他的理論做著做著就做出了光電效應(yīng)！這本來是物理學(xué)里的一朵烏云，現(xiàn)在突然沒了，于是學(xué)界就嘩然了。當(dāng)年的德布羅意倒并不見得對(duì)這一觀點(diǎn)的物理思想有多么深刻的見地，按他的理解，光是粒子就是在說原來牛頓是對(duì)的我們被后人忽悠了?；蛟S一時(shí)沖動(dòng)，年輕人告別了中世紀(jì)歐洲史，告別了奢侈糜爛的生活，來到了一派宗師朗之萬門下，說：請(qǐng)您收我念PhD吧。二歷史上，郎之萬為什么給德布羅意offer已經(jīng)很難說清，德布羅意到底花了多少精力去讀他的PhD也已經(jīng)很難說清。白駒過隙，五年說過就過了。作為歷史系中世紀(jì)歐洲史專業(yè)的德布羅意，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)到物理系以后的確力不從心。當(dāng)下，很現(xiàn)實(shí)的問題就是如何搞定那篇令他蛋疼的畢業(yè)論文，算是對(duì)青春一個(gè)交代。這個(gè)問題讓他輾轉(zhuǎn)反側(cè)很多年。畢不了業(yè)，煩！德布羅意只聽愛因斯坦那幫家伙一直念什么光是粒子還是波……普朗克早不念了，他不堅(jiān)定，已經(jīng)完全拋棄自己當(dāng)初的量子假設(shè)，轉(zhuǎn)回去做經(jīng)典了。波呢，還是粒子？粒子呢，還是波？還是是粒子又是波呢？畢不了業(yè)啊，煩！糾結(jié)五年終于過去了。抓?。保梗玻吹奈舶?，德布羅意終于提交了自己的博士論文。不計(jì)封面，論文只有一頁之多一行。遙想在那個(gè)沒有槍手、沒有萬方的時(shí)代，這已經(jīng)是不容易了。他的一頁紙的論文反復(fù)而執(zhí)著地論述粒子是波波是粒子，說來說去就一句話：既然波可以是粒子，那么粒子未必不能是波。光既然可以既是粒子又是波，別的粒子干嘛不行？波的波矢和角頻率與粒子動(dòng)量和能量的關(guān)系是：p=h/(2*pi*k),E=hv這是他的論文里出現(xiàn)的唯一兩個(gè)公式，其他主要是議論和感想。其實(shí)，就這兩個(gè)公式也是從愛因斯坦發(fā)表于1905年那篇《光電效應(yīng)》中借用而來的。很難想象這樣一篇博士論文是怎樣通過答辯的。正式表決之前，德布羅意的老板也就是朗之萬得知，論文評(píng)審委員會(huì)的六位教授中的三位表示一薛定諤在接下來的兩周里，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)容上來講根本就用不上“仔細(xì)”二字，薛定諤的這篇論文只不過一頁之多一點(diǎn)，公式也不過就兩個(gè)而已，并且是已經(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(gè)黃鸝鳴翠柳——不知所云。兩周之后，薛定諤硬著頭皮把這篇論文的內(nèi)容在seminar上講了一下，講完之后，聽這也是云里霧里，而老板德拜則做了一個(gè)客氣的評(píng)價(jià)：“這個(gè)年輕人的觀點(diǎn)還是有些新穎之處的，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(gè)波動(dòng)方程吧！”多年以后，有人問及德拜是否后悔自己當(dāng)初作出了這一評(píng)論，而沒有自己埋頭深入，德拜自我解嘲的說：“你不覺得這是一個(gè)很好的評(píng)論嗎？”德拜建議薛定諤做一做這個(gè)工作，兩周以后seminar的時(shí)候再講一下。僅僅兩周，世界為之一變。薛定諤再次出現(xiàn)在seminar上講解德布羅意的論文的時(shí)候，他宣布，他為德布羅意的“波”找了這樣一個(gè)方程。這個(gè)方程就是“薛定諤方程”！當(dāng)然，在薛定諤方程誕生之初，沒人真正把這給德布羅意的“波”生搬硬套上的方程當(dāng)回事。常識(shí)是：德布羅意的那篇論文已經(jīng)是學(xué)界公認(rèn)的垃圾了，而從垃圾里翻出來的自然如同垃圾。當(dāng)時(shí)還有一首打油詩諷刺薛定諤和他的方程：歐文的psi，算來真靈通；psi是個(gè)啥，沒人看得懂。psi是薛定諤方程中的波動(dòng)變量，歐文是薛定諤的名字。“這貨不至于是個(gè)雞肋吧！”他想。薛定諤的故事似乎要再一次陷入平庸，然而平庸往往是正醞釀奇跡的緣由，只因人對(duì)平庸的不甘。五如果把上世紀(jì)初的物理學(xué)比作一潭湖水，前面的故事都好比湖水深處的動(dòng)亂——湖的表面卻是風(fēng)平浪靜?？v觀兩年以來的物理學(xué)界：哥本哈根已然成為量子理論界的“屠龍”——普朗克和愛因斯坦理論的啟發(fā)下，哥本哈根學(xué)派掌門人一代宗師玻爾提出了著名的“三大核心原理”，成功解釋氫光譜。1925年，玻爾的得意大弟子海森堡進(jìn)一步提出了描述氫原子軌道的理論。那個(gè)年代，沒有線代，沒有數(shù)學(xué)物理方法，精通數(shù)學(xué)的物理學(xué)家本來屈指可數(shù)，就連數(shù)學(xué)很強(qiáng)的海森堡本人也并未必知道同時(shí)代那些數(shù)學(xué)家在搞什么飛機(jī)。在他的理論出爐之后，學(xué)弟玻恩悄悄地告訴海森堡大師兄你用的東西在數(shù)學(xué)里叫：矩陣。于是，矩陣力學(xué)走上了歷史的舞臺(tái)。天下大變，僅一步之遙。此時(shí)的薛老師正帶著他的情婦在阿爾卑斯山滑雪。不知是大自然的唯美風(fēng)景還是身邊的溫香軟玉，冥冥之某種存在，給予薛定諤靈感。在“那兩周”的最后幾天里：他從方程中得出玻爾的氫原子的解！六倚天一出，四海皆驚。沒人再敢把薛定諤的方程當(dāng)扯淡了。哥本哈根學(xué)派的掌門玻爾大為驚駭，急信至維也納把薛定諤邀請(qǐng)到哥本哈根，切磋量子之精妙。然而讓玻爾遺憾的是，“切磋”了十天，不知因哥本哈根那幫子哥們兒的數(shù)學(xué)太強(qiáng)了還是薛定諤的數(shù)學(xué)太挫了，反正兩個(gè)人根本不知道對(duì)方在說什么。在一場令人疲憊不堪又毫無結(jié)果的“哥本哈根論劍”之后，波爾悻悻地目送薛定諤回到維也納。薛定諤堅(jiān)持努力工作，不久，矩陣力學(xué)和他的波動(dòng)方程在數(shù)學(xué)上被證明等價(jià)?！耙刑臁薄巴例垺?，合鑄為一。在此之后，薛定諤不斷試圖從更基本的原理和假設(shè)出發(fā)導(dǎo)出更基本的方程，但始終沒有成功。不久他終于對(duì)這一切失去了耐性：他也轉(zhuǎn)系了，去研究“生命是什么”。歷史繼續(xù)著它的歷史劇，不懂?dāng)?shù)學(xué)的德布羅意和薛定諤秒殺了那一年的諾獎(jiǎng)，成為了鬧劇中的主角。按這故事的尿性，該是尾聲了。在這一讓人啼笑皆非的歷史中，上帝還是保留了某種程度的公正。薛定諤得出它的波動(dòng)方程僅在海森堡的矩陣力學(xué)的的誕生一年之后，倘若上帝把這個(gè)玩笑開得更大一點(diǎn)，讓薛定諤在1925年之前就導(dǎo)出薛定諤方程，那恐怕矩陣力學(xué)就根本不可能誕生了。（波動(dòng)方程也就是偏微分方程的理論是為大多數(shù)物理學(xué)家所熟悉的，而矩陣在當(dāng)時(shí)則幾乎沒人能懂。）如此則此前在量子領(lǐng)域辛苦奮斗了十幾年的哥本哈根學(xué)派就真要集體吐血、暴斃而亡了！薛定諤方程搞出了薛定諤方程，卻到死都沒有真正理解這個(gè)方程微妙，而對(duì)方程的解釋也是錯(cuò)誤的——正解為哥本哈根學(xué)派的玻恩作出。玻恩的解釋讓物理學(xué)界另一位大師——愛因斯坦極