量子力学史话

这个故事发生在20世纪初的法国。巴黎。同样的情况持续了几千年，香榭丽舍大街散发着繁荣和暧昧，红磨坊充满了激动和犹豫。这时在巴黎，有一个叫德布罗基的年轻人。从他的名字可以看出他是一个贵族。事实上，德布罗意的父亲是一位法国伯爵，也是一位当权的内阁大臣。这样一个不愁吃不愁穿，却担心如何度过一整天的花花公子，自然希望找到一些能消耗精力的东西来消磨那些无聊的日子(事实上，像他这样的花花公子可能会面临这样的问题)。德布罗意找到了一个很酷的“职业”——研究中世纪历史。据说中世纪历史上有许多神秘的事情吸引了这个年轻人。时间一变，1919年就成了科学界快速动荡变化的时代。同年，德布罗意突然对物理学感兴趣，尤其是当时流行的量子理论。具体来说，他当时对一个很酷的想法感兴趣:光具有粒子的性质。这一观点是十多年前由普朗克提出的，后来被爱因斯坦用来解释光电效应，但即使如此，它并没有被物理学的所有主要分支所接受。德布罗意对这一观点的物理思想并不一定了解很多，也许他的理解只是理解这一观点是说“波是粒子”。也许是一时冲动，也许是因为他年轻又酷，德布罗意来到朗之万大师的学校，作为研究生学习。从那以后，德布罗意走出了足以让任何传奇黯然失色的人生轨迹。其次，很难说德布罗意在他的历史学研究生课程上花了多少精力。事实上，德布罗意在他五年的研究生生涯中几乎一无所获。事实上，也可以想象，一个对物理学一无所知的中世纪历史爱好者很难对物理学有所作为。转瞬即逝的五年很快过去了，德布罗意开始担心他的博士论文。事实上，德布罗意只知道普朗克和爱因斯坦的团队所说的波是粒子。(事实上，普朗克不能用“总是”这个词来代表普朗克。普朗克完全放弃了他最初的量子假说，回到了经典框架。)和真正的物理学有关，他能明白多少只有上帝知道。五年后的1924年，德布罗意终于提交了他的博士论文。他的博士论文只有一页多一点，但可以假定，这篇论文的一页多一点已经引起了德布罗意的极大头痛。不幸的是，当时没有一个枪手能被雇佣来帮助写他的博士论文。他的博士论文只说了一个猜想，既然波可以是粒子，那么粒子反过来也可以是波。德布罗意进一步提出波矢和波角频率与粒子动量和能量的关系是:动量=普朗克常数/波矢能量=普朗克常数*角频率。这是他在论文中提出的两个公式，这两个公式也完全是因为爱因斯坦在解释光电效应时提出光子的动量、能量和光的参数满足这种关系。人们可以想象对这样一篇博士论文的反应。在就是否批准该论文进行投票之前，德布罗意的老板朗之万(Langevin)事先知道，论文评审委员会的六名教授中有三名已经明确表示，他们将投票反对该论文。最初在欧洲，一个学生在没有学位的情况下努力学习几年是正常的，现在在欧洲仍然是这样。此外，德布罗意是个游手好闲的花花公子。然而，这一次却发生了一些不同的事情——德布罗意的父亲也是一位拥有很高权力的内阁部长，德布罗意打算在这里呆上五年，甚至没有获得博士学位，自然双方都会丢面子。匆忙中，朗之万给他的一个好朋友写了一封信。尚不清楚最初的朗之万是否出于好意想帮助德布罗意获得博士学位，但事实上，这封信改变了科学发展的轨迹。这封信的收件人是爱因斯坦。信的内容大致如下:亲爱的爱因斯坦爵士:我这里有一个研究生，他攻读博士学位已经五年了，现在即将毕业。他在毕业论文中有一些新想法.................请评论他的论文。此外，顺便提一下，我想对你提一下，这个研究生的父亲是一个诈骗之国的伯爵和一个* *内阁部长。如果你…，你将来一定会受到朗之万的隆重接待。在这封信中，关于朗之万的潜台词似乎是，如果你拒绝给一个面子，呵呵，你以后就再也不会来法国了。我不知道是出于谨慎还是出于他自己的古怪欣赏对方，爱因斯坦礼貌地回复了一封信，大意是报纸上有一些非常新颖有趣的想法。此时的爱因斯坦，虽然不属于任何一个贵族派别，但已经在江湖上享有相当的声誉。有了爱因斯坦的信，评审委员会的几位教授不能再多说什么了。结果，每个人都很开心。风流成性的德布罗意因此“学习”了博士学位。根据当时欧洲的学术传统，朗之万将德布罗意的博士论文打印成几份，并发送给欧洲各大学的物理系。大约每个人都认为这件事会得到解决，许多年后德布罗意的“非常新和有趣”的博士论文被埋葬在档案中。从现在开始，德布罗意将继续他作为博士的流浪生活。然而，历史总是喜欢不经意地开玩笑，这种玩笑常常会不经意地改变许多人的命运。朗之万的一篇博士论文被送到了维也纳大学。4.1926年初。维也纳。当时，德拜是维也纳大学主持物理学学术活动的教授。收到博士论文后，他把它交给了小组中的一位中年讲师。讲师的任务是在两周内给医生做一次讲座。这位“老”讲师已经习惯了他现在的生活，这种生活并不被称为平庸或平静。可以想象，一个年满40岁的人，仍然只是徘徊在讲师的位置上，他的学术前途自然是朦胧而黯淡的。很可能是因为讲师的职位，他可以获得这个任务，因为德拜把任务交给讲师的原因是“你正在研究的问题不是很重要，你为什么不告诉我们关于德布罗意的论文”。演讲者的名字是薛定谔。接下来的两周，薛定谔仔细阅读了德布罗意的“博士论文”。事实上，就内容而言，“小心”一词可能没有必要。德布罗意的论文仅仅比一页多一点，贯穿全文的公式只有两个，它的原型已经出现在爱因斯坦发表的论文中。然而，薛定谔对他在论文中所说的感到困惑。薛定谔只知道德布罗意谈了很多关于“波是粒子，粒子是波”的话，此外，那是“两只黄鹂在唱翡翠柳”——他不知道该说什么。两周后，薛定谔在研讨会上硬着头皮解释了这篇论文的内容。演讲者没有理解它。听众自然是一头雾水，而老板德拜礼貌地评论道:“这个年轻人的观点还是新鲜事物。虽然这看起来很幼稚，但他可能需要更进一步。例如，既然提到了波的概念，就应该有一个波动方程。”许多年后，有人问德拜，他是否后悔自己的评论。德拜嘲笑自己说，“你不认为这是一个好的评论吗？”此外，德拜建议薛定谔做这项工作，并在两周后的研讨会上谈论它。两周后。薛定谔在研讨会上再次解释了德布罗意的论文，并为德布罗意的“波”找到了一个波动方程。这个方程就是薛定谔方程！当然，德布罗意的论文一开始就被认为是垃圾，垃圾产生的自然离垃圾不会太远。因此，没有人真正认真对待德布罗意“波”上突然出现的等式。甚至有些人编了一首打油诗来讽刺薛定谔的方程:欧文用他的ψ计算得很好:但是ψ到底代表什么，没人能确定。(欧文是薛定谔，psi是薛定谔波动方程中的一个变量)故事的情节似乎又平庸了，但平庸有时是奇迹的原因。正是薛定谔的“平庸”让他不愿意接受波动方程的平庸。他决定在这个等式中再次碰运气。上面提到的情节在当时的大环境下看起来像是湖下的一场大地震——从湖中看起来很平静。请允许我暂时停止追踪“老”讲师薛定谔，回头看看过去两年在这个物理大湖表面发生的风暴。在此之前，玻尔提出了著名的受普朗克和爱因斯坦理论启发的“三部曲”，解释了氢的光谱。在十多年的发展中，以玻尔为首的哥本哈根学派成为量子理论中的“少林武当”。1925年，玻尔的得意弟子海森堡提出了著名的矩阵力学，进一步抛弃了经典概念，揭示了量子图像，并准确地解释了许多现象，成为了哥本哈根学派的瑰宝——量子学派的“屠龙宝刀”。然而，当时知道矩阵的物理学家很少，所以矩阵力学的影响仍然有限。事实上，海森堡自己并不知道“矩阵”，但只是在他的理论发表后，哥本哈根学派的另一个弟子告诉海森堡，他在数学中使用的是矩阵。让我们回顾一下薛定谔，我们冷静的老讲师，在做什么——我的意思是在薛定谔解释他的波动方程两周后。事实上，此时，他正沉浸在一个温柔的村庄里——和他的情妇在维也纳的一个滑雪胜地滑雪。我不知道这是一个令人愉快的风景还是我身边温暖芬芳的软玉。简而言之，有一些东西激励了薛定谔，正是这种激励改变了物理学的发展轨迹。薛定谔从他的方程推导出了玻尔的氢原子理论！当我们六个人从天而降时，世界震惊了。从那时起，没有人敢把薛定谔的波动方程当成废话。哥本哈根学派的领袖玻尔更感意外，所以他邀请薛定谔到哥本哈根来详细讨论量子的微妙之处。然而，令玻尔遗憾的是，在为期十天的“对打”中，这两个人不明白对方在说什么。薛定谔在经历了一场累人但毫无结果的“哥本哈根之剑”后回到了维也纳。薛定谔回到维也纳后继续工作。他证明了海森堡的矩阵力学和他的波动方程所表达的量子理论实际上是不同的描述。从此，“倚天”与“屠龙”合二为一。从那以后，薛定谔试图从一个更基本的假设中推导出一个更基本的方程，但他最终没有成功，很快他对此失去了兴趣，转而研究“什么是生命”。历史延续了他的历史喜剧。德布罗意和薛定谔都在这部喜剧中获得了诺贝尔奖，并在历史上广为人知。事实上，在这个具有讽刺意味的历史时期，上帝保留了一些正义。薛定谔得出结论，它的波动方程是在海森堡矩阵力学诞生一年之后。如果上帝把玩笑开大一点，让薛定谔在1925年之前推导出薛定谔方程，恐怕矩阵力学就永远不会诞生了(波动方程，也就是偏微分方程的理论，大多数物理学家都很熟悉，而当时许多人并不理解矩阵)。这样，在量子领域苦苦挣扎了十多年的哥本哈根学派，将会真正地吐血！尽管薛定谔方程创造了这样一个波动方程，但它并没有真正理解这个方程的本质，并且对它的方程给出了错误的解释——也许注定不属于他的东西终究不会给他。薛定谔方程的正确解释是由哥本哈根学派的玻恩提出的。(当然，玻恩的解释也激怒了另一位物理大师爱因斯坦，他永远不会忘记“上帝不会用骰子来决定这个世界”，直到他去世，这是后来的一句话)。更基本的量子力学方程是由哈根学派的另一个年轻信徒狄拉克推导出来的，薛定谔试图得到这些方程，但最终还是无法得到。狄拉克最终领导了昆伦，并建立了量子力学圣殿。