主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 40837

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2018-05-08 09:54:00
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奔波儿
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【原创翻译】《量子》·前言 79

保罗·埃伦费斯特(Paul Ehrenfest:1880~1933)泪水盈眶,他终于做出了最后的决定。再过几天,他即将参加一次会期长达一周的学术会议,在这次会议上,与会的量子物理学家们将会认真探讨一下他们所创造的这一革命性的理论体系。他会告诉自己的老朋友阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein:1879~1955),他已经决定站在尼尔斯·玻尔(Niels Bohr:1885~1962)一边。埃伦费斯特,奥地利人,时年34岁,是荷兰莱顿大学(Leiden University)的理论物理学教授,他赞成波尔的理论,认为原子的世界是奇妙而精致的。

有一次,在会议桌边,埃伦费斯特给爱因斯坦写了张小纸条---“别笑!每天,咱们都得被迫听上经典物理学家们在那儿唠叨上十个小时,对于量子物理学家们而言,这不啻于就是一场炼狱。”“我发笑是因为他们实在是太幼稚了。”爱因斯坦回复道:“让我们等瞧着吧,再过上几年,看看到底谁能够笑在最后?”在爱因斯坦看来,这并非什么笑料,而是事关物质世界的本质以及物理学的灵魂。

1927年10月24至29日,在布鲁塞尔召开了第五届索尔维会议(Solvay Conference),讨论的主题是“电子与光子(Electrons and Photons)”。在下面这张合影上,汇聚了那些在物理学史上最激情澎湃的人和事。在与会的29人之中,有17人先后赢得了诺贝尔奖(Nobel Prize),可以说这次会议是人类历史上最伟大的思想聚会之一。它标志着物理学黄金时代的终结,自打伽利略和牛顿在17世纪发起的那场科学革命以来,这一科学创新的时代,无与伦比。

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保罗·埃伦费斯特站在最后一排左数第三位,身体微微侧倾。前排就坐的一共九人,包括一位女士和八位先生,其中有六人获得了诺贝尔物理学或化学奖金。而那位女士,一人就获得了两项,包括1903年的物理学奖和1911年的化学奖,她的名字是玛丽·居里(Marie Curie:1867~1934)。居中正坐的那位也是一位诺贝尔奖获得者,他就是自牛顿之后最伟大的科学家---阿尔伯特·爱因斯坦。爱因斯坦目视前方,右手抓着椅子沿儿,看上去有些紧张。难道是浆洗过的衬衣领子和系在脖子上的领带让他不舒服?或者是因为在这次会议上他听到了什么?坐在第二排最右侧的那位先生是尼尔斯·玻尔,他看上去很惬意,脸上浮现的笑容却有点儿古怪。在这次会议上,他收获颇丰,但是,在他即将返回丹麦的时候,他还是有些郁郁寡欢,因为他没能说服爱因斯坦接受他的“哥本哈根诠释”(Copenhagen Interpretation)理论。

爱因斯坦并没有俯首称臣,而是花了一周时间试图解释量子力学(与试验观测)存在不一致的地方,也就是说波尔的“哥本哈根诠释”理论是有问题的。几年以后,爱因斯坦评述道:“这一理论在我看来就是一位智商超群的妄想症患者的幻觉,其中充斥着各种语无伦次的思想元素。”

马克斯·普朗克(Max Planck:1858~1947)坐在居里夫人的右侧,手上拿着帽子和雪茄,正是他发现了量子(Quantum)。1900年,普朗克被迫接受了光能以及其它形式的电磁辐射在被释放或者吸收的时候,是以单位能量的整数倍形式存在的。“Quantum(量子)”是普朗克用来命名基本单位能量的一个名词,其复数拼写就是“Quanta”。长期以来,大家一直认为,能量的释放和吸收是一个连续过程,就像自来水从水龙头里流出来一样,而量子能量的提出则是与这一传统观念的撤离决裂。在牛顿力学所统治的宏观世界中,水是可以从水龙头里面滴出来的,然而能量却不能够像大小不一的水滴一样进行传递。但是,在原子和亚原子的世界,却是量子的势力范围。

当时,物理学家们发现原子内部的电子所拥有的能量是量子化的,且仅为单位能量的整数倍。在人们所熟悉的宏观世界中,能量以及其它物理特性的变化则是平稳和连续的,例如从A点移动到C点,必须要经过(两点之间的)B点;至于微观世界,它并非宏观世界的微缩版,在这个尺度上,许多物理特性都具有和能量一样的特性,即其变化是非连续的,甚至可以说有些匪夷所思。量子物理研究发现在原子内部,电子可以在某一时刻处在某个位置,通过释放或者吸收一份能量,它就能瞬时出现在另外一个位置,而不需要经过这两点的中间地带中任何一点,整个过程就像变魔术一样。这种现象用经典物理学的理论根本无法解释。人们怎么能够想象一个物体刚才还在伦敦,可一瞬间就出现在巴黎、纽约或者莫斯科呢?

在20世纪20年代的早期,量子物理学发展的理论体系还没有建立起来,甚至可以说还处于非常零散和初级的阶段,更甭提什么严格的逻辑结构。在这种危机四伏乱象纷呈的时候,物理学家们勇敢地推出了一套全新的理论体系----量子力学(Quantum Mechanics)。直到目前为止,在很多学校的课堂上,老师们讲解的原子模型还依旧像一个小小的太阳系,原子核居中,电子沿着自己的轨道绕其运行。这种模型早就被量子物理学家们扔进了垃圾堆,在他们看来,人们根本就无法观察到原子的存在。1927年,维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg:1901~1976)就发现了这一与一般常识相左的现象,这位德国量子力学神童(Wunderkind)敏锐地抓住其问题实质,并提出了著名的“不确定性原理(又称“测不准原理”)”(Uncertainty Principle)。根据他的理论,如果你想准确测定一个粒子的速度,则你不可能同时测定其精确的位置;反之亦然。

当时,无人能够解释量子力学的方程,也无法说明该理论是如何在量子的尺度解释物质的本质。从柏拉图(Plato)和亚里士多德(Aristotle)的时代开始,哲学家们就一直在讨论因果问题(Cause and Effect),以及如果人们没有看到月亮,那月亮是否还存在这类问题。而在量子力学被提出以后,这帮20世纪最伟大的物理学家也开始讨论这些问题了。

在索尔维会议召开的时候,量子物理的基本组成要素已然成形,与会的诸位物理学家们共同书写了我们这部关于量子的故事的第一乐章。而在爱因斯坦和波尔之间的争论所激起的思想火花,给了无数杰出的物理学家和哲学家以灵感,其影响绵延至今,例如:物质的本质到底是什么?应该如何描述一件事实才真正有意义?“这一争论的影响前无古人,后无来者。”科学家兼小说家斯诺(C.P. Snow)认为:“很遗憾,我们根本无法用现有的货币单位去衡量其价值。”

在这两位主角中,爱因斯坦被视为20世纪的偶像。有一次,他受邀在“伦敦守护神(London Palladium)”剧院做了为期三周的报告。当他出场的时候,许多妇女居然兴奋过度而晕倒在地。而在日内瓦,他被年轻姑娘们疯狂追捧。现而今,这种景象只会出现在流行歌星或者电影明星们身上。但是,在第一次世界大战结束之后的1919年,当爱因斯坦提出的广义相对论所预言的光线会出现弯曲的现象被证实以后,他成为了一位科学界的超级明星。1931年1月,爱因斯坦在美国各地进行学术演讲,在这期间,他出席了查理·卓别林(Charlie 1889~1977)所拍摄的《城市之光》(City Lights)的首映式,被人狂热追捧的一幕再次出现。“人们对我欢呼是因为他们都看懂了我的电影,”卓别林对爱因斯坦说:“但他们向你欢呼却是因为根本就没人懂你的东西。”

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当“爱因斯坦”这个名字成为天才科学家的代名词的时候,尼尔斯·玻尔却名气有限,直至今日仍未能得享盛名。但对于与他同时代的人而言,他却是一位不折不扣的科学巨人。德国犹太裔物理学家马克斯·玻恩(Max Born:1882~1970)是量子力学的奠基人之一,他在1923年写道:“在我们这个时代,玻尔对于理论和实验物理学的深远影响超过了任何一位物理学家”。四十年之后的1963年,维尔纳·海森堡依旧认为“玻尔对于物理学以及我们这个世纪所有物理学家的影响超过任何一个人,包括阿尔伯特·爱因斯坦”。

1920年,爱因斯坦和玻尔在柏林第一次见面,他们发现彼此是一对棋逢对手将遇良才的好伙伴,而发生在他们之间的“战斗”不但没有带来丝毫的苦涩和仇怨,反而推动彼此不断修正发展各自对量子问题的思考。也正是通过他们俩以及其他那些会聚在索尔维会议上的物理学家,我们今天才能回顾那个激动人心的量子时代。“那是一个英雄辈出的年代。”在20世纪20年代还只是一名普通学生的美国物理学家罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer:1904~1967)后来回忆“当时,物理学家们长时间泡在实验室里,他们做了很多重要的实验,并不断取得大胆的突破,但他们往往在开始阶段漏洞百出,而且所得到的结论也时常似是而非。在相互间的探讨中和学术会议上,他们彼此争辩着,批判着,并不时用精妙绝伦的公式来一段数学的即兴演奏。对那些参与其间的人们来说,那是一个充满着创造力的年代。”但同时,正如奥本海默这位原子弹之父所言“他们一次次新的发现带给他们的,不但有骄傲,还有恐惧。”

离开了量子,我们所居住的这个世界将完全是另一幅景象。根据量子力学的理论,人们无法通过实验观测来确定一个事物是否存在,这在20世纪的大部分时间里,已经被物理学家所接受。美国物理学家和诺贝尔奖得主默里·盖尔曼(Murry Gall-Man:1929~今天)将量子力学描绘为“那是一个神奇的让人迷乱的世界,尽管我们谁都不能真正了解它,但却知道如何利用它。”的确,我们早已经在利用它了。量子力学推动和筑就了我们这个现代世界,它的影响深入到了诸多领域,包括从计算机到洗衣机,从移动电话到核武器。

量子的故事要从19世纪末开始说起。当时,人们已经做出了许多重大发现,比如电子、X射线、放射性,关于原子是否存在也是当时的热点议题之一,许多物理学家自信地认为所有重要的物理发现都已经完成。“比较重要的基本法则和物理现象已经全部被发现,并且被不断准确证实,因此这些知识被取代的可能性微乎其微。”美国物理学家阿尔伯特·麦克逊(Albert Michelson:1852~1931)在1899年的时候做出了这样的论断。另外,他还断言:“我们未来的发现不过是在小数点六位以后再加上点什么而已。 ”当时,很多物理学家都持有类似的观点,他们相信任何尚未解决的物理问题不过是对已有的物理学知识做点缝缝补补的工作,而且早晚会臣服在那些经历过岁月洗礼的理论和定理的脚下。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell:1831~1879),这位十九世纪最伟大的理论物理学家早在1871年就对这些自大狂们告诫道:“现代实验是通过不断地测量进行的,这一特点是如此显著,以至于人们已经根深蒂固地认为在数年之间,所有那些伟大的物理常数都将被更加准确地计算出来,而我们所能做的不过是通过实验在小数点后在添加上数字”但是,麦克斯韦指出对于那些认认真真做观测的人们来说,真正的奖赏并不是取得更高的准确性,而是“开辟新的研究领域”以及“发展新的科学思想”。而量子力学正是这一“认认真真的观测”所取得的成果。

在十九世纪九十年代,德国的一些最顶尖的物理学家们正痴迷地研究一个困扰了他们很久的问题:对于一根滚烫的拨火棍,其色光范围、光强与温度之间到底存在什么关系?这一问题和当时物理学家所热衷的X射线和放射性问题相比,简直就是鸡零狗碎的东西。但对于一个刚刚在1871年建立的新国家来说,如果德国物理学家们能解决这个与一根烧得滚烫的拨火棍相关的问题,即著名的“黑体问题”(Blackbody Problem),也就意味着帮助德国照明工业在与美国和英国同行的竞争中取得有利的地位。但是,尽管这些德国最棒的物理学家竭尽全力,但却屡战屡败。1896年的时候,他们曾经认为他们成功了,但随后几年中新的观测数据表明他们依旧失败。真正解决这个问题的人是马克斯·普朗克,他付出的代价就是量子。

第一部·量子


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