主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 47005

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2018-10-28 08:47:12
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奔波儿
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【原创翻译】第五章·当爱因斯坦遇见了玻尔(1) 27

第四章·量子原子(3)

这是位于布拉格的德意志大学理论物理研究所的一间办公室,爱因斯坦和一位同事正向窗外眺望,他对这位同事说“那帮对量子理论嗤之以鼻的家伙就是一群疯子”。自从他在1911年4月离开苏黎世来到这里,他一直对一件事情疑惑不解,外面那块地上在早上的时候只有女人,而到了下午则只有男人。对这个现象,他一直试图给出一个答案,但后来他才知道原来旁边那个美丽的花园隶属于一个疯人院。爱因斯坦发现要想让量子和光的波粒二相性共处一室是非常困难的一件事情。他对亨德里克·洛伦兹说“首先,我要向你保证,我绝对不是你所认为的那种死脑筋的光量子论者(light-quantizer)”,并且声明这种错误的印象“源于我在文章中表述得并不准确”。很快,他甚至放弃在“量子是否真的存在”这种问题上面纠缠。在1911年举行的第一次索尔维会议上,讨论的主题是“辐射及量子理论”,爱因斯坦从那儿回来以后做出了一个决定,如果有足够的证据推翻量子理论,那就让一切顺其自然吧。在接下来的四年中,玻尔和他的原子模型成为大家瞩目的对象,爱因斯坦则离量子渐行渐远,而专注于发展他的相对论理论,并将引力问题囊括在内。

布拉格大学是在14世纪中期创建的,由于民族和语言因素,该大学在1882年被拆解成两个独立的大学,即捷克大学和德意志大学。这一分裂深刻地反映出当时的社会现状,捷克人和德意志人之间存在着根深蒂固的狐疑猜忌和不信任感。爱因斯坦在瑞士特别是苏黎世这个大都市的时候,所处的生活环境轻松而平和,因而布拉格让他感到很不舒服,尽管他在这儿得到了正教授的职位,而且薪水优厚,足以让他过得很舒适。他只有通过工作的慰籍来抵御那种慢慢沁入心头的孤独感。

1911年底,在玻尔还正在为要不要离开剑桥而转到曼彻斯特而苦恼的时候,爱因斯坦也在为是否返回瑞士而挣扎。这时,一位老朋友出手拯救他来了。马塞尔·格罗斯曼刚刚坐上苏黎世联邦理工学院(ETH)的数学与物理部的教务长的位子,他邀请爱因斯坦回来出任教授一职。尽管这份工作是属于爱因斯坦的,但格罗斯曼还是有大量的流程工作要做。在这些流程中,最重要的一项包括他就将教职授予爱因斯坦一事,征询一些著名的物理学家的看法。在这些被咨询的学者中有一位是法国的首席理论科学家昂利·庞加莱(Henri Poincaré:1854~1912),他认为爱因斯坦是他所知道的“那些最具有创新精神的人物之一”。这位法国人非常欣赏他对新概念的驾轻就熟,超越经典物理学的高瞻远瞩,以及当“他面对一个物理问题时能够及时预见所有的可能性”。1912年7月,在这个爱因斯坦曾经连助教都无法申请到手的地方,他,作为一位名声显赫的物理学家,回来了。

爱因斯坦一下火车就遇见了普朗克和能斯特,他知道他俩来的原因,但并不清楚他们具体带来什么样的消息。前不久,爱因斯坦已经被推选为鼎鼎大名的普鲁士科学院的院士,而且他同时获得了一份带薪的职位,而全科学院仅有两个这样的位子。这份职位已经是一项无上的光荣了,但这两位德国科学界派来的特使还带来了另外一个独一无二的工作机会,即请他去威廉皇帝理论物理研究所(Kaiser Wilhelm Institute of Theoretical Physics)担任研究教授兼院长,且不附加任何教学任务。

面对史无前例的这三个工作机会,他需要时间去斟酌权衡。在他考虑自己是否应该抓住这个机会的时候,普朗克和能斯特将搭乘火车做一个短途的观光之旅。爱因斯坦说等他们回来的时候,瞧一眼他手中拿的玫瑰花,就会知道答案。如果是红色玫瑰,他将去柏林;如果是白色,他会留在苏黎世。当普朗克和能斯特走下火车的时候,他们知道这个人会跟自己走,因为他们看见爱因斯坦手中的玫瑰花是红色的。

对爱因斯坦而言,柏林的诱惑之一是他将拥有充分的时间“去全身心地投入到思考中去”,而不用做任何教学工作。但是,随之而来的还有无形的压力,他必须得在物理学上不断有所建树,这才配得上自己作为科学界宠儿的荣誉。“在柏林人眼中,我是一只会下金奖的母鸡,”在告别晚宴后,爱因斯坦对一位同行说,“但我不清楚自己是否依然能产下这样的蛋。”爱因斯坦在苏黎世庆祝完自己的35岁生日以后,于1914年3月末启程前往柏林。尽管他对返回德国还有一丝顾虑,但很快他就充满了热情:“这儿每一个角落都遍布智慧的灵感,而且是源源不断。”他之所以如此欢欣鼓舞的原因之一是普朗克、能斯特和鲁本斯都近在咫尺,而在他眼中一向“惹人生厌的”柏林变得使他兴奋的另一个原因是他的表姐艾尔莎·洛文塔尔(Elsa Lowenthal)。

早在两年前的1912年3月,爱因斯坦就与这位36岁的离婚妇人有了一段婚外情,当时她一个人拉扯着两个女儿——13岁的伊尔莎(Ilse)和11岁的玛戈特(margot)。“我的老婆对我而言就是一位雇员,而且我永远不得将她解聘”,他告诉艾尔莎说。一回到柏林,爱因斯坦经常情绪很低落,连着几天,他一言不发。不多久,他就搬出了家,留下一张纸,上面列了一长串条款,声明只有接受这些条款,他才愿意回家。但如果米列娃接受这些条款,她就真的变成了一个雇工,而且是她的丈夫随时可以解雇的那种雇工。

爱因斯坦的要求如下:“1. 我的换洗衣服必须叠放整齐;2. 我在‘自己的房间’必须获得有规律的膳食供给;3. 我的卧室和办公室必须要保持清洁,特别是,书桌仅供我一人专用。”另外,他还要求妻子“切断所有个人联系”,不许“当着孩子的面,在言语和行动上”羞辱自己。最后,他坚持要求米列娃还要做到“以下几点:1. 你不要指望能从我这儿得到任何亲密的举动,也不能以任何方式责备我;2. 一旦我发了话,你必须立即停止对我唠叨;3. 如果我下了命令,你必须马上离开我的卧室或者办公室,不许抗议。”

米列娃答应了他的苛刻要求,于是爱因斯坦回了家。但这种局面并没有持续多长时间。7月底,也就是他们到达柏林仅仅三个月之后,米列娃就带着儿子返回了苏黎世。当爱因斯坦站在月台上挥手道别的时候,他流泪了,但并不是为了米列娃,也不是为了那些随风飘逝的陈年往事,而是为了和他分离的两个儿子。但是,没过几周,爱因斯坦就开始“在我的这所宽阔畅亮而静逸无比的公寓里”尽情享受这种单身生活。在战争阴云笼罩下的欧洲,又有几人能够享受这种宁静呢?

“总有一天,这帮巴尔干佬儿会干出点什么蠢事,搞个欧洲大战出来,”据说这是俾斯麦(Bismarck)曾经讲过的话。1914年6月28日,星期天,奥匈帝国皇储弗朗茨·斐迪南大公(Archduke Franz Ferdinand)在萨拉热窝街头被刺身亡。在德国的支持下,奥匈帝国立即向塞尔维亚宣战,德国在8月1日向塞尔维亚的盟国俄国宣战,两日后又向法国宣战。8月4日,德国入侵保持中立的比利时,英国为了维护比利时的独立于同日向德国宣战。“欧洲现在疯了,已经变成了不可思议的荒诞世界”,爱因斯坦在8月14日写给朋友保罗·埃伦费斯特信中说。

爱因斯坦对战争的感觉是“既遗憾又厌恶”,而50岁年纪的能斯特却志愿做一名救护车司机。在爱国激情的感染下,普朗克宣布:“能称自己是德国人,感觉太好了。”作为柏林大学的校长,普朗克认为这是人生在世最辉煌的时代,因此他把自己的学生们以“神圣战争”的名义送进了战壕。包括普朗克、能斯特、伦琴及维恩等在内的93位著名的科学家在《对文明世界的呼吁(Appeal to the Cultured World)》上签名,当爱因斯坦知道这个消息的时候,根本无法相信这是真的。

这份呼吁书于1914年10月4日在德国及其他各国的各大报纸上发表,“在这场被别人强加的生与死的斗争中,德国被敌人以谎言和诽谤肆意侮辱”,签名的人士对此表示严正抗议。他们声明德国对这场战争没有任何责任,并不曾破坏比利时的中立性,而且从未有任何暴行。德国是“一个文明的国度,在这里,伟大的歌德、贝多芬和康德就像我们的家园和土地那样神圣无比”。

没过多久,普朗克就为自己参与签名一事后悔不迭,在私下里他开始向他的那些外国科学家朋友们表示歉意。这个著名的“九十三人的呼吁书”掺满了谎言和空话,在所有参与签名的当事人中,爱因斯坦只对普朗克还抱有一丝希望。的确,这位德国校长公开承认比利时的中立地位被侵犯,他说:“我们正在做错事,为了实现军事目标,我们不惜采取任何行动。”

作为一名瑞士公民,爱因斯坦并没有被要求在呼吁书上签上他的名字。但是,对于这份呼吁书所体现出来的歇斯底里的国家沙文主义,他在心中怀有深刻的忧虑,因此他参与了与此争锋相对的另一份呼吁书《对欧洲人民的呼吁(Appeal to Europeans)》的起草。这份呼吁书号召“所有各国受过教育的男人们”一起确保“和平降临的条件不会成为下一场战争的根源”,并挑战了“九十三人的呼吁书”中所宣扬的观点,认为这种观点“与全世界目前所能理解的文明一词背道而驰,如果该观点真的变成了受过教育的人们的共识,那将会是一场灾难。”。同时,文中还有力地鞭挞了德国知识分子,认为“尽管他们已经不再渴望拥有和谐共处的国际关系,但是他们的行为几乎与外部世界格格不入”。然而,包括爱因斯坦在内,仅仅只有四个人签名。

1915年的春天,国内外同行的态度让爱因斯坦心灰意冷,他说:“甚至不同国家的学者们都如此行事,就像他们的大脑都在八个月前被人给摘掉了似的。”再后来,所有那些以为世界大战只是暂时的期望全都化为泡影,而“我们不得不目睹着一幕幕无休无止的惨剧”,这让爱因斯坦在1917年的时候“总是感到异常绝望”。“即使是当我习惯性地躲入物理学的领地,也不能使我的心情有丝毫好转”,他对洛仑兹坦承道。然而,这四年的战争岁月却是爱因斯坦在其学术生涯中最为多产和最富创造力的时期,他出版了一本书,发表了50篇科学论文,并在1915年的时候完成了他的杰作——广义相对论(General Relativity)。

早在牛顿之前,人们就认为时间和空间是固定的,且相互独立的,它们是宇宙洪荒这幕无始无终的大戏上演的舞台,是绝对的永恒的质量、长度和时间的竞技场,是相互间存在空间距离和时间间隔的各种事件演出的剧场。但是,爱因斯坦却发现质量、长度和时间并非是绝对和永恒不变的,空间距离和时间间隔与观测者所处的相对运动状态有关。例如,如果有一对双胞胎兄弟,其中一位留在地球上,而另一位则是宇航员,以接近光的速度在太空旅行,相对于他那位地球兄弟而言,宇航员这儿时间减缓,空间收缩,任何运动的物体都会获得质量。这就是“狭义(Special)”相对论所预言的结果,而这些论断在20世纪都将先后得到证实;但是,该理论并没有考虑到加速度的影响。“广义(General)”相对论则考虑了这个因素。在爱因斯坦构建这一理论的过程中,他认为该理论让狭义相对论看上去就像是“小孩子的游戏”。当量子理论不断挑战原子领域那些约定俗成的观点之时,爱因斯坦正帮助人类一步步接近空间和时间的真实面目。广义相对论是爱因斯坦所创造的引力理论,该理论将最终导致人们发现与宇宙起源相关的大爆炸(Big Bang)理论。

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根据牛顿的引力理论,任意两个物体之间,例如太阳和地球间,是存在吸引力的,该引力与它们各自的质量呈正比,且与其质心间的距离的平方呈反比。这两个物体并没有相互接触,牛顿的经典物理学体系所描绘的引力是一种神秘的“超距(action-at-a-distance)”作用力。但是,在广义相对论中,一个拥有巨大质量的物体会引起了空间的扭曲,并因此导致了引力。地球围绕太阳运动,并不是因为有某种神秘的不可见的作用力拽着它,而是由于拥有巨大质量的太阳引发了空间的扭曲。简而言之,物质引发空间的扭曲,而扭曲的空间决定了物质该如何运动。

1915年11月,由于当时人们无法用牛顿的引力理论解释水星的轨道,爱因斯坦决定拿这一现象作为广义相对论的试金石。在水星围绕太阳运动的过程中,水星的轨道并不是固定不变的。天文学家对此做了精确的测量,发现其轨道发生了微小的旋转,爱因斯坦利用广义相对论对轨道的偏移进行计算。当他发现计算结果与实测数据吻合很好且误差极小,他激动得心跳加速,并预感到发生了些什么事情,他写道“通过比较理论和观测值可以看出,这一理论完美至极”。爱因斯坦最大胆的梦想终于变成了现实,这让他志得意满,但为此所付出的艰巨努力也让他精疲力尽。在他恢复元气以后,他又回到了量子领域。

其实当爱因斯坦还在琢磨广义相对论之时,在1914年五月,弗兰克——赫兹实验反映了原子中能级的存在并因此“决定性地验证了量子假说”,爱因斯坦是对此独具慧眼的几个人之一。在1916年的夏天,爱因斯坦有了一个“出色的主意”,他对原子是如何释放和吸收光有了自己的理论。在这一理论中,他用了一个“非常简单的推导,我说,其实就是推导了一下普朗克的公式”。不久,爱因斯坦心满意足地看到自己的“光量子理论已然定鼎”。但是,他也付出了代价,那就是他不得不抛弃经典物理学中那些严格的因果关系,而将概率论引入到原子领域。

以前,爱因斯坦也曾用过其它替代方法,但这一次他却是从玻尔的量子原子模型推导出普朗克的公式。他首先是从一个简化的仅仅拥有两个能级的原子模型开始的,然后确定了电子从一个能级跃迁到另一个能级的三种方式。当电子从一个较高的能级跃迁到一个较低的能级时,它会释放出一份光量子,爱因斯坦称之为“自发辐射(Spontaneous Emission)”。只有在电子处于激发态时,才会出现这种现象。当电子吸收了一份光量子,从一个低能级跃迁到高能级后,其将处于激发状态,这也是电子跃迁的第二种方式。玻尔曾经提出过这两种量子跃迁方式,以此来解释原子的吸收和释放光谱,但是爱因斯坦却揭示了第三种方式——“受激辐射(Stimulated Emission)”。如果原子已经处于激发态时,当光量子击中其内部的电子时,这种跃迁就会出现。这时,电子并没有吸收自投罗网的光量子,而是“受到激发”,被碰飞到低能级,同时释放出一份光量子。四十余年后,受激辐射成为激光的理论基础,所谓激光,就是“通过受激辐射增强后的光”。

爱因斯坦还发现光量子具有动量;但和能量不同,动量是一个矢量,既有方向,又有大小。然而,他的公式清晰地显示出电子从一个能级自然跃迁到另一个能级的发生时刻,以及这一过程中光量子释放的方向是随机的。自发辐射和放射性标本的半衰期类似。在一定的时间,即半衰期内,一半的原子会发生衰变,但是人们并不清楚原子衰变发生的确切时刻。与此类似,尽管自然跃迁发生的概率是可以计算出来的,但要了解具体的细节却只有靠运气了,也就是说此时没有直接的因果关系存在。这一“跃迁概率(transition probability)”的概念使光量子释放的时刻和方向成为一种纯粹的“几率事件(chance)”,但也正是爱因斯坦理论的一个漏洞。但当时,他却坦然接受这种问题的存在,并希望随着量子物理的发展,这一问题会得到顺利解决。

虽然爱因斯坦发现几率和概率在量子原子的理论体系中居于核心地位,但对此他显然觉得有些如芒在背。尽管他并不怀疑量子的真实存在,但其理论中的因果关系看上去却处于危机四伏之中。“为了处理好这个因果关系,我也费了很多精力”,三年后的1920年1月,爱因斯坦在写给马克斯·伯恩的信中说“能够完全按照因果关系来理解光量子的吸收和释放吗?或者说,是否一定得用到统计理论?我不得不承认我对自己的判断缺乏勇气。但是如果要完全抛弃因果关系,我会非常难受的。”

这种情形让爱因斯坦备受煎熬,有点像一个被临空举着的苹果,手松开了,但苹果却没有落下来。当苹果可以下坠的时候,相对于它落在地上的稳定状态而言,它处于不稳定状态,因为重力这时候作用在苹果身上,把它正往下拽。如果苹果这时像一个处于激发态的电子一样,那么它并不会在松手的那一刻就立即下坠,而是悬浮在空中,并在某个无人能够预测的时间内掉下去,而这个时间只能靠用概率论进行估计。最大的可能性是苹果在非常短的时间内就下坠了,但也存在一个很小的概率,即苹果悬浮在空中好几个小时。原子内部的一个处于激发态的电子会坠入到较低的能级,从而处于较稳定的基态,但是跃迁发生的时刻则是个概率问题。1924年,爱因斯坦已然不太情愿接受他自己所发现的事实,他说:“当我发现辐射轰击下的电子可以按照自己的意愿决定其跃迁的时刻和方向时,我觉得这个理论实在是有些让人难以接受。在这一刻,我宁愿做一个鞋匠,哪怕是做一个赌场的小工,也不愿意当什么物理学家。”

第五章·当爱因斯坦遇见了玻尔(2)


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通宝推:唐家山,大眼,桥上,逍遥清风,
最后于2018-11-04 09:45:48改,共1次;
2018-10-28 08:47:12

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