主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 46999

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2018-12-03 10:01:53
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奔波儿
奔波儿`5859`http://z9mkbg.blu.livefilestore.com/y1pAYd67I4RG1xeIRU3nhcpoMTRBXBgIk5bNw3y6vFZQtarQGeuOfgSw7z8W0wDnVzgh14j6-7FRpHmSXtuW2kIdjsdV_yF6XCO/icon.gif?psid=1`70`5183`22352`181613`从六品上:奉议郎|振威校尉`2005-03-13 21:21:19`
【原创翻译】第六章·双重身份的公爵(2) 15

如果电子被视作是一个环绕原子核的驻波,而不是沿着轨道运行的粒子,那么电子就不会产生加速过程,因而也就不会因为释放辐射能量而坠入原子核并最终导致原子模型的崩溃。当初玻尔加入额外条件的原因纯粹是为了挽救他的量子原子模型,而德布罗意所提出的“波粒二相性(Wave-Particle Duality)”的观点很容易就实现了这个目的。在德布罗意进行计算的时候,他发现围绕着氢原子的原子核,只有那些存在驻波的轨道才能用玻尔所提出的主量子数n进行标定,这就说明了为什么在玻尔的模型中不可能存在其它的轨道。

1923年秋天,德布罗意发表了三篇文章,解释为什么所有的粒子应该被认为是具有波——粒双重特性,但是,类似于台球的粒子和这种“假想的波”之间所存在的这一关系到底反映出什么,对此,人们并不是很清楚。难道是像德布罗意所建议的那样,这就好比是一个骑浪而行的冲浪者?但人们后来发现这种解释并不正确,电子以及所有其它粒子都像光子一样:它们既是波又是粒子。

1924年的春天,德布罗意进一步发展了自己的观点,并写入到自己的博士论文。按照惯例,论文必须要经过评审们的研读和审批,这导致德布罗意一直拖到11月25日才进行论文答辩。四位评审中有三位是索邦大学的教授,即让·佩兰(Jean Perrin:1870~1942),他验证了爱因斯坦所提出的布朗运动;查尔斯·莫金(Charles Mauguin:1878~1958),他是一位在晶体研究领域的杰出物理学家;埃利·嘉当(Elie Cartan:1869~1951),一位著名的数学家。四人组的最后一位并不是来自索邦的,他就是保罗·朗之万,单单此人在量子物理以及相对论领域就造诣非凡。在正式提交博士论文之前,德布罗意拜访了朗之万,想征询一下他对自己的结论有什么看法。朗之万对此表示认可,但之后却对一位同行说:“我正在研读这位小兄弟的论文。在我看来,文章有些牵强附会。”

路易·德布罗意的观点可能有些理想化,但朗之万并没有第一时间就将其毙掉,他需要和其他学者协商一下。据朗之万所知,爱因斯坦在1909年就公开指出辐射领域在未来将会出现粒子和波动理论的融合。康普顿的实验让几乎所有的人都信服爱因斯坦所提出的光(量子)的理论是正确的。毕竟,光与电子相撞时,它非常像是一个粒子。而现在,德布罗意所提出的正是同样的一种融合理论,即波粒二相性,并涵盖所有物质。他甚至还给出了一个公式,能够将粒子的波长λ同其动量p关联起来,即λ=h/p,其中,h为普朗克常数。朗之万向这位物理学家兼公爵索要了一份博士论文的复本,并将其寄给爱因斯坦。“他揭开了面纱一角”,爱因斯坦回复朗之万说。

爱因斯坦的判断足以说服朗之万以及其他评审。他们热烈祝贺德布罗意“以高超的技巧,通过不懈努力在解决物理学家们所面临的困境方面做了尝试”。莫金后来承认他“当时并不认同波在物理特性上与物质粒子有关”,而佩兰确信无疑的只是德布罗意“非常聪明”,至于其它,他摸不着头脑。在爱因斯坦的支持之下,这位32岁的法国人不再仅仅是路易·维克多·皮埃尔·雷蒙德·德布罗意公爵,而有权自称为路易·德布罗意博士。

有了想法是一回事,但这个想法是否能得到证实呢?在1923年9月,德布罗意很快就认识到,如果物质具有波动特性,那么一束电子也应该像一束光一样分布,即它们可以被散射。在同年发表的一个短篇论文中,德布罗意预测说“当一束电子通过一个很小的孔隙后,会出现散射效应”。在他哥哥的私人实验室有一些经验丰富的实验员,他试图说服他们测试一下他的理论,但却无功而返。大家都忙着做其它一些项目,而且认为他这个实验很难操作。他的哥哥莫里斯一直劝他把“注意力放在更加重要的以及无可争辩的研究上,即辐射所具有的粒子和波动双重特性”,面对哥哥的劝导,他心怀愧疚,因而放弃了自己的努力。

然而,没过多久,哥廷根大学的年轻物理学家沃尔特·艾尔莎瑟(Walter Elsasser:1904~1991)就指出,如果德布罗意是正确的,那么用一块简单的晶体就能让轰击它的电子束产生散射现象:因为晶体内部的相邻原子之间存在空隙,而这一空隙非常之小,因而足以引起如电子一般大小的粒子显现出波动特征。“小伙子,你坐在金矿上了,”当爱因斯坦听到了艾尔莎瑟所提出的这个方案后,对他说。这并不是什么金矿,如果稍微精确一点说应该是“诺贝尔奖”。但在为金牌进行最后冲刺的时候,你却不能一直原地踏步而不起跑。可,艾尔莎瑟却这么做了,而同时,有两人首先发表了自己的结果,并因此获得了诺贝尔奖。

时年34岁的克林顿·戴维森(Clinton Davisson:1881~1958)在纽约的西部电力公司(Western Electric Company),也就是后来著名的“贝尔(电话)实验室(Bell Telephone Laboratories)”工作,他一直在研究用一束电子轰击不同的金属目标后会发生什么现象。1925年四月的一天,出现了一件奇怪的事情。在他的实验室里,一瓶液化气发生了爆炸,并击碎了一个真空管,在这个管子里,他放着一块用来做为轰击目标的镍。暴露在空气下的镍很快就生了锈,要想清除锈迹,就需要对镍进行加热,而在这一过程中,戴维森无意中使原本排列细密的镍晶体点阵(受热)扩张了一点点,从而引发了电子的散射。当他再次进行轰击实验时,他注意到实验结果发生了变化,但是他当时并没有意识到他自己已经让电子发生了散射,而只是简单地记录下实验数据,并对外发布了这一结果。

“简直无法想象,从今天开始,我们得在牛津待上一个月,难道不是吗?我们应该过上一段美妙的日子——亲爱的洛蒂(Lottie darling)——这应该算咱们的第二次蜜月——而且应该比第一次还甜蜜”,戴维森在1926年7月写给妻子的信中说。戴维森夫妇把孩子留给家中的亲戚照看,他们在英格兰渡过了一个他们期盼已久的假期,然后前往牛津,参加“英国科学促进会(BAAS)”组织的一次学术会议。在会议上,他听到一些物理学家说他的实验数据反映出那位法国公爵的观点是正确的,这让他很是惊讶。戴维森从未听说过这位法国公爵以及他所提出观点,即波粒二相性可以涵盖到所有物质。戴维森并不是唯一一个这样孤陋寡闻的人。

很少有人读过德布罗意的三篇短文,因为它们都是发表在法文期刊《报告》(Compte Rendu)上的,也没有几个人知道德布罗意所写的博士论文。一回到纽约,戴维森就和一位同事雷斯特·革末(Lester Germer:1896~1971)立即着手检查电子是否真的被散射出去。而在1927年他们发现物质被散射出去的结论性证据之前,电子的确表现出波的特征。戴维森根据最新的结果计算出散射电子的波长,发现它们与德布罗意所提出的波粒二相性理论所预测的结果完全一致。戴维森后来承认他起初所做的实验实际上在为雇主干活的时候,随便做了“一件附属工作”而已,而他的雇主正忙着和竞争对手打官司。

马克斯·诺尔(Max Knoll:1897~1969)和恩斯特·鲁斯卡(Ernst Ruska:1906~1988)利用电子的波动特性在1931年发明了电子显微镜。在普通显微镜下,如果粒子比可见光的半波长要短,则该粒子将无法吸收或释放可见光,因此也就不能被观测到。但是,电子波的波长比可见光要小上十万倍(100,000),因而可以胜任。对电子显微镜进行的第一次商业化研制是于1935年在英格兰展开的。

在戴维森和革末忙着进行他们的实验的同时,在苏格兰的阿伯丁,英国物理学家乔治·佩吉特·汤姆森(George Paget Thomson:1892~1975)也正在做着自己的电子束轰击实验。他也参加了BAAS在牛津组织的学术会议,在会上,德布罗意的观点被大家热烈讨论。汤姆森自己对电子的特性非常着迷,因此立即就开始对电子散射进行研究。但他并没有使用晶体,而是特地选择了一些很薄的胶片,结果同样显示出德布罗意所预测的那种散射模式。有时,物质会像波一样,在空间中扩张传播,有时却像粒子一样,在空间中有着自己独立的位置。

尽管时乖命蹇,但物质的双重特性最终被汤姆森家族确认。因为发现电子是一种波,乔治·汤姆森与戴维森一起于1937年被授予诺贝尔物理学奖。而他的父亲老汤姆森爵士,由于发现电子是一种粒子,早在1906年就荣获了诺贝尔奖。

经过了二十五年多来的努力,量子物理获得了巨大的发展——从普朗克的黑体辐射定律到爱因斯坦的光量子理论,从玻尔的量子原子到德布罗意所提出的物质具有波粒二相性——这些都是量子概念与经典物理学之间并不幸福的婚姻的结晶。到了1925年,这一结合面临越来越大的压力。“量子理论越成功,它看上去就越可笑”,爱因斯坦早在1912年5月就写道。人们需要一种全新的理论,即一种量子领域的全新机制。

“在二十世纪二十年代中期,量子力学的发现”,诺贝尔获奖者美国物理学家史蒂文·温伯格(Steven Weinberg:1933~)说“是自17世纪现代物理学诞生以来,在物理理论上最伟大的革命。”为了塑造我们这个现代的世界,革命的青年物理学家们发挥了至关重要的作用,那些光辉岁月属于Knabenphysik?——“男孩物理”(Boy Physics)。

(第六章 & 第一部

第二部·男孩物理


通宝推:逍遥清风,桥上,陈王奋起挥黄钺,
最后于2018-12-16 18:06:00改,共2次;
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