主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 51947

O 赶紧的收藏。 4 az09 字42 2018-07-02 12:38:17
O 【原创翻译】第二章·专利的奴仆(3) 38 奔波儿 字17402 2018-07-09 17:41:42
O 大神 3 岁月如戈 字84 2018-09-04 01:47:55
O 【原创翻译】第二章·专利的奴仆(4) 30 奔波儿 字6898 2018-09-14 09:34:35
O 【原创翻译】第二章·专利的奴仆(5) 33 奔波儿 字13607 2018-09-14 12:39:15
O 从后面看玻尔在量子力学方面犯了几次大的失误 1 fingerlake 字621 2018-09-15 22:55:57
O 【原创翻译】第二章·专利的奴仆(6) 24 奔波儿 字14516 2018-09-18 11:02:27
O 倒霉的杨 桥上 字54 2018-09-19 08:58:39
O 倒霉的密立根 桥上 字0 2018-09-19 09:00:10
O 好看好看 道可道 字462 2018-09-19 11:59:50
O 【原创翻译】第二章·专利的奴仆(7) 20 奔波儿 字13925 2018-09-20 07:56:45
O 【原创翻译】第三章·金子般的丹麦人(1) 18 奔波儿 字13230 2018-09-23 17:49:02
O 玻尔得亏后来成为老大了,否则他的这个性格真的很难混 1 fingerlake 字132 2018-09-24 10:51:03
O 【原创翻译】第三章·金子般的丹麦人(2) 17 奔波儿 字16951 2018-09-26 09:23:10
O 其实到了1912年,大多数人还不知道氢原子里面有几个电子 2 fingerlake 字301 2018-09-26 20:13:09
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az09
赶紧的收藏。 4

赶紧的收藏,奔波儿兄辛苦了。


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通宝推:崇山彩云,
2018-07-02 12:38:17
2018-07-09 17:41:42
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奔波儿
奔波儿`5859`http://z9mkbg.blu.livefilestore.com/y1pAYd67I4RG1xeIRU3nhcpoMTRBXBgIk5bNw3y6vFZQtarQGeuOfgSw7z8W0wDnVzgh14j6-7FRpHmSXtuW2kIdjsdV_yF6XCO/icon.gif?psid=1`70`5259`22697`184348`从五品下:朝散大夫|游击将军`2005-03-13 21:21:19`0
【原创翻译】第二章·专利的奴仆(3) 38

在一场持续时间为两个小时的法语考试中,爱因斯坦写了一篇题为《我的未来计划》的作文,在文章开头他写道:“快乐的人总是安于现状,而对未来漠不关心”。他擅长抽象思考,但动手能力偏弱,因此他给自己的未来设计的是做一名数学和物理老师。1896年10月,理工学院专门招收了11名新生,准备将他们培养成数学和科学科目的教师,爱因斯坦是年纪最小的学生,也是五名准备当数学和物理老师的学生之一。这些学生中仅有一名女生,她后来成为爱因斯坦的妻子。

爱因斯坦的朋友都不明白他怎么会喜欢上米列娃·马利奇(Mileva Maric)。这是一位拥有匈牙利国籍的塞尔维亚裔姑娘,她比爱因斯坦大四岁,稍微有点跛,是小时候由于肺结核引起的后遗症。第一学年,他们需要学习五门数学必修课和一门力学课,这也是唯一的一门物理类课程。尽管爱因斯坦在慕尼黑就已经通读了他的那本几何学宝典,但现在他却对数学不再感兴趣。他的数学教授赫尔曼·闵可夫斯基评价当年的爱因斯坦时说他就像“一条懒惰的狗”。爱因斯坦后来承认他并不是不喜欢数学,而是因为自己听不懂课,“要想在掌握基本的物理知识后更上层楼,并进一步去探索更加艰深的知识,你必须要掌握复杂的数学方法。”几年后,当他在学术研究的道路上艰苦跋涉时,他才明白这个道理。他很后悔自己当时没有刻苦学习,也因此没有受到“良好的数学训练”。

幸运之神再次光顾了爱因斯坦。班上除了爱因斯坦和米列娃,还有其他三名同学,其中有一位叫马塞尔·格罗斯曼(Marcel Grossmann),他的数学非常好,而且比他们俩更刻苦。后来在爱因斯坦钻研相对论的时候,他向格罗斯曼寻求帮助,请他援手构建理论公式。这两人很快就成为了好朋友,经常在一起热烈地讨论“那些所有具有好奇心的年轻人都热衷的话题”。格罗斯曼比爱因斯坦年长一岁,他就像是一位目光如炬的法官,判断出爱因斯坦是个非凡的人物,因此他把爱因斯坦带回家拜会自己的父母。“这位就是爱因斯坦,”他向父母介绍说,“总有一天,他会成为一位非常伟大的人物。”

幸亏有了格罗斯曼的数学笔记,爱因斯坦顺利通过了1898年10月的中期考试。那时,爱因斯坦经常翘课,如果没有格罗斯曼相助,爱因斯坦简直无法想象自己会落到什么结局。在上物理学教授海因里希·韦伯(Heinrich Weber:1843~1912)的物理课时,爱因斯坦起初感觉像是换了一个天地。他期盼着“上完一堂再上一堂”。韦伯当时有五十多岁,他讲的物理课非常生动,很受学生欢迎。爱因斯坦坦承他所讲的热力学反映出他“非常精通这门学问”。但是,因为韦伯没有讲授麦克斯韦的电动力学或者其他物理学前沿知识,爱因斯坦对此颇有微言。没过多久,由于爱因斯坦特立独行而又轻狂不羁的言行,这位物理教授对他白眼相加。“你是个聪明孩子,”韦伯对他说,“但是你有个很大的缺点,那就是你听不进别人的话。”

1900年7月,结业考试结束了,爱因斯坦在五名学生中排名第四。这场考试成为他的一场磨难,而且在以后的岁月中,还将持续给他带来梦魇,甚至让他觉得“整整一年中,我一想到任何科学问题,就痛苦不堪”。米列娃名列末席,也是唯一一位未能通过考试的学生。当时,他们俩已经俨然是一对小情侣,互相称呼彼此为“Johnzel”和“Doxerl”。这场考试对他们的打击无疑是惨重的,但更严重的打击接踵而来。

爱因斯坦对成为一名学校教师丧失了兴趣,但苏黎世四年的学习生活让他有了新的野心-——他要成为一名物理学家。但在当时,即使是最优秀的毕业生,能得到一份大学的全职工作的机会也是微乎其微。一般来说,第一步是先给理工学院的某位教授当助理。可是,没人愿意要爱因斯坦,他只能另谋出路。在爱因斯坦看望父母期间,他于1901年4月在给米列娃的信中写道:“无论这位物理学家是身在北海还是在意大利的最南端,只要他能给我一份工作,我都会倍感荣耀的。”

爱因斯坦向欧洲各个大学的教授们投寄了求职信,其中有莱比锡大学的化学家威廉·奥斯特瓦尔德(Wilhelm Ostwald:1853~1932)。爱因斯坦一连给他写了两封信,但却石沉大海,没有回音。爱因斯坦的父亲看着自己的儿子一天天在绝望中挣扎,心痛不已。赫尔曼(也就是老爱因斯坦)瞒着阿尔伯特,决定亲自干预这件事情。“尊敬的教授先生,请原谅一个作父亲的人为了自己的儿子如此鲁莽地向您寻求帮助。”他在给奥斯特瓦尔德的信中写道,“所有那些有权利做出判断的人都盛赞他的天才;无论如何,我向您保证,他特别好学而且勤奋,对科学事业怀有无比的热忱。”但是,这封感人至深的信还是泥牛入海。多年以后,奥斯特瓦尔德成为第一个提名爱因斯坦为诺贝尔奖候选人的那个人。

尽管部分原因可能是反犹主义的存在,但爱因斯坦坚信最主要的原因是韦伯给他写的那份糟糕的推荐信让他屡战屡败。在他越来越觉得自己孤立无助的时候,一封来自好友格罗斯曼的信让他拨云见日,他总算有可能获得一份体面且报酬丰厚的工作了。格罗斯曼的父亲在得知爱因斯坦处境艰难后,决定出手帮助这个被自己的儿子热烈推崇的年轻人。他有位朋友弗里德里希·哈勒尔(Friedrich Haller)在伯尔尼的瑞士专利局做主管,正好那儿有了一个空缺职位,因此他向自己的朋友强烈推荐爱因斯坦。“昨天,我收到了你的来信,”爱因斯坦在给马塞尔·格罗斯曼的信中写道,“你的无私帮助和同情心让我非常感动,你还没有忘记你这个不幸的老伙计”当了五年的无国籍人士以后,爱因斯坦刚刚获得了瑞士国籍,这也有助于他获得这份工作。

大概,爱因斯坦终于转运了。在距苏黎世不到二十英里的地方,有一个名为温特图尔(Winterthur)的小镇,爱因斯坦在那儿得到一份临时教职。每天早上,他要上五、六节课,下午的时间属于他自己,他可以用来专研那些物理问题。“我不知道该怎么向你描述,这份工作让我是多么地快乐。”在结束在温特图尔的工作之前,他在写给温特勒爸爸的信中谈到“我已经彻底放弃在大学中谋一份职位的野心,因为我发现其实维持现在这个状况,我就有足够的能力和心思进行科学探索。”很快,这份能力就迎来了它的考验,米列娃宣布她怀孕了。

在第二次考砸了理工学院的结业考试后,米列娃回到了匈牙利的父母身边,静静地等待着婴儿的出世。听到米列娃的怀孕消息,爱因斯坦并没有感到紧张。他曾经有当保险业务员的念头,但现在他发誓愿意做任何职业,哪怕是低三下四的工作,这样他们就有能力结婚了。他们的女儿出世的时候,爱因斯坦还在伯尔尼。他从来没有见过这个叫丽热尔(Lieserl)的孩子,到底什么事情发生在她身上,她是被弃养了还是夭折了,这些都成了迷。

1901年12月,弗里德里希·哈勒尔给爱因斯坦写了封信,让他申请专利局的空缺职位,且该职位的招聘信息即将公之于众。爱因斯坦在圣诞节前投寄了自己的求职申请,一份稳定的职业的似乎不再是那么遥不可及。“一想到光明的未来在等待着我们的到来,我就欣喜若狂,”爱因斯坦在给米列娃的信中写道,“我有没有告诉过你我们在伯尔尼将会如何富足?”爱因斯坦当时在沙夫豪森(Schaffhausen)的一所私立寄宿制学校当老师,他的合同本来是一年,但在他确信万事俱备以后,只干了几个月的他就辞职而去。

1902年2月的第一个礼拜,爱因斯坦来到了伯尔尼,这座城市当时拥有60万人口。五百多年前,一场大火将半个城市烧成了瓦砾场,废墟上重建的建筑至今依旧保存完好,故此,这儿的老城区依旧散发着中世纪特有的优雅。爱因斯坦在司法街(Gerechtigkeitsgasse)租了一间房子,离著名的熊苑(Bear Pit)并不很远。房租是每月23瑞士法郎,爱因斯坦在写给米列娃的信中吹嘘说房间“又大又漂亮”,但事实上这只是虚幻的泡影。爱因斯坦放下行李,接下来就在本地的报纸上去刊登家教广告,愿意帮人辅导数学和物理。二月五日星期三的报纸登出了这则广告,上面说这位家教老师愿意先试教一堂课。几天后,就有了回音。在他的一名新学生眼中,爱因斯坦的形象是“身高大约为五英尺十英寸,宽肩膀,稍微有点佝偻,白褐色皮肤,一张感性的嘴,黑胡子,鼻梁高挺,一对锋芒必露的褐色眼睛,声音很悦耳,法语说得很好,但稍微有点儿口音”。

莫里斯·索罗温(Maurice Solovine)是一位犹太裔的罗马利亚小伙子,一天他在大街上一边走路一边读报纸的时候,看到了这则广告。索罗温当时在伯尔尼大学读哲学,他对物理学也很感兴趣。但苦于缺乏必需的数学基础,索罗温无法深入掌握物理知识,于是他按图索骥,拿着报纸找到了爱因斯坦的住所。索罗温按响了门铃,门开了,一聊,爱因斯坦发现自己和他有一种相见恨晚的感觉,这对师生畅谈了两个小时,他们在很多方面有着共同的兴趣和爱好。爱因斯坦将索罗温送出门后,两个人站在大街上又聊了半个小时,他们决定第二天继续会面。再次碰头的时候,他们起初是准备讨论一下如何系统化地进行家教,但是他们所共有的探索新思想的热情让他们完全把自己的初始目标抛在脑后。“事实上,你根本没有必要找人辅导物理。”爱因斯坦在第三天对索罗温说。爱因斯坦能够非常清晰地阐述一个问题,这是索罗温对爱因斯坦最为欣赏的一点,同时也是促使他们闪电般成为好友的主要原因。

过了一阵子,索罗温建议他们应该有选择性地读一些书,然后再一起讨论里面的内容。在爱因斯坦读中学的时候,他在慕尼黑的那位忘年交马克斯·塔木德(Max Talmud)就曾经用过类似的方法和他讨论问题,爱因斯坦认为这是一个绝妙的主意。不多久,康拉德·哈比西特(Conrad Habicht)也加入到他们中来。哈比西特是爱因斯坦在沙夫豪森寄宿制中学认识的一位朋友,他来此的目的是为了完成自己在伯尔尼大学的一篇数学论文。由于在探索和研究物理学及哲学方面有着共同的热情,他们三人互相称呼彼此为“奥林匹亚院士(Akadmie Olympia)”。

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(自左向右依次为:哈比西特、索罗温和爱因斯坦)

尽管爱因斯坦是专利局主管哈勒尔的朋友隆重推荐来的,但哈勒尔必须得先确保爱因斯坦能够胜任这份工作。当时,电器工业领域的专利申请量迅猛增长,因此很有必要雇佣一位能干的物理学家来配合专利局的工程师们一起工作,而不能只是为了买老朋友一个面子。爱因斯坦给哈勒尔留下了很深的印象,他给了爱因斯坦一份临时雇佣合同,并给他评为“三级技术专家”,年薪3,500瑞士法郎。1902年6月23日清晨8点,爱因斯坦首次来到专利局上班,从此开始了他作为“一位受人尊重的联邦墨水涂抹客(a respectable Federal ink pisser)”的生涯。

“作为一位物理学家,”哈勒尔告诫爱因斯坦,“你对技术图纸一无所知。”在爱因斯坦能够读懂技术图纸之前,他暂时没有得到长期雇佣合同。哈勒尔手把手地教爱因斯坦掌握必需的知识,包括如何清晰、简洁并准确地说出自己的想法。尽管爱因斯坦不喜欢被别人当作一个中学生那样来教导,但他明白自己应该悉心向哈勒尔学习,“这是一位性格鲜明、心思缜密的人,”爱因斯坦回忆说。“一旦我习惯了他的粗放的做派,”爱因斯坦说,“我对他推崇备至。”在爱因斯坦证明了自己的价值以后,哈勒尔对自己的这位弟子青眼有加,认为他是一名出色的员工。

1902年10月,爱因斯坦的父亲时年55岁,已经病入膏肓,爱因斯坦闻讯,即刻赶往意大利去和父亲见最后一面。作为父亲的赫尔曼,在他渐渐步入人生终点的时候,终于同意自己的儿子阿尔伯特和米列娃结合,而在这件婚事上,他和妻子波林以前一直强烈反对。第二年的一月,爱因斯坦和米列娃在伯尔尼的婚姻登记处正式结婚,哈比西特和索罗温是他们唯一的见证人。“婚姻,”爱因斯坦后来说,“就是让偶然事故变成永恒事件的一种尝试。”但是在1903年,爱因斯坦还是非常高兴自己有了一位妻子,她能为自己做饭、打扫卫生,还能大体照顾一下自己。米列娃想要的可不仅仅只有这些。

专利局的工作是一周48小时,从周一到周六,爱因斯坦八点上班,一直干到中午;然后回家,或者和朋友在单位附近的一家咖啡厅吃午饭;两点回到专利局,一直干到下午六点,然后下班。他对哈比西特说自己每天“要花八个小时干些糊弄人的事儿”,接着“在星期天,还得做类似的事儿”。1904年9月,爱因斯坦的职位由临时转成长期合同,他的年薪也涨了400瑞士法郎。1906年,哈勒尔发现爱因斯坦“擅长处理非常高深的技术专利”,故而对他的工作非常满意,评价他“是专利局所拥有的最棒的技术专家之一”,为此把他的技术职称调升为二级。

还在爱因斯坦刚刚搬到伯尔尼,正眼巴巴地期盼着他那份专利局的工作时,他曾经在写给米列娃的信中说“我将终生对哈勒尔感激涕零”。他当时的确是这样想的,但不多久,当他发现哈勒尔和专利局对他的影响一步步加深时,他的最初想法有了稍许改变:“也许我并不至于因此而死去,但我发现自己的智力越来越迟钝。”哈勒尔要求每一件专利申请必须要经过严格的审评,以防止出现任何法律上的争议。“在你处理一份申请的时候,如果你认为这位发明家在那儿胡说八道,”哈勒尔告诫爱因斯坦说,“或者你被这位发明家的思路牵着鼻子走,你就容易先入为主,不能做出正确判断。因此,你必须要持有批判性的警惕态度。”偶然间,爱因斯坦发现这份工作非常适合他的脾气秉性,而且有助于锤炼他的能力。在处理专利申请的时候,他经常要面对破绽百出的技术图纸和挂一漏万的技术参数,因此他不得不时刻保持批判警惕的态度,来认真评判每一位发明家的想法,这正好用得上他的物理知识。在工作中,他经常得做到“多方位进行思考”,在他看来这不啻于是一份“货真价实的礼物”。

“他有一种天份,就是能在一片混沌中或者从大家熟视无睹的东西中,发现其背后所隐藏的真正有意义的东西。”爱因斯坦的朋友和理论物理学家马克斯·玻恩(Max Born:1882~1970)回忆“爱因斯坦之所以如此与众不同,正是因为他具有这种不可思议的洞悉自然奥秘的能力,而与他的数学能力无关。”爱因斯坦也知道自己的数学水平马马虎虎,以至于他很难区分“什么是最基础的知识,而什么才是那些多少不是太重要的其他知识”。但一旦涉及到物理学领域,爱因斯坦的嗅觉就异常敏锐,他说自己“学会了如何从一团乱麻中寻找出最重要、最核心的东西”。

在专利局工作的那些日子,爱因斯坦所特有的这种敏锐嗅觉大放光彩。当爱因斯坦处理发明家提交的专利时,他需要找出技术图纸中那些在物理学家看来违背自然定律的问题和漏洞。每当他发现这类违背物理理论的东西,他就会不知疲倦地探求下去,直至能够最终解决这一问题,或者是找出一种新的替代理论对矛盾之处进行解释。爱因斯坦发现了有关光的观测与理论互相矛盾,针对这一物理理论的核心问题,他所提出的替代理论就是光在一定程度上实质是由一束粒子流,也就是光量子组成的。


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2018-07-09 17:41:42
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岁月如戈岁月如戈`97198`/bbsIMG/face/0008.gif`70`373`605`6169`正八品上:给事郎|宣节校尉`2014-01-07 02:38:48`0
大神 3

你的死亡起源怎么就停更了?千万不要太监啊......受益匪浅的说


2018-09-04 01:47:55
2018-09-14 09:34:35
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奔波儿
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【原创翻译】第二章·专利的奴仆(4) 30

第二章·专利的奴仆(3)

一直以来,爱因斯坦就认同物质的基本组成单位是原子,而且原子是离散的、不连续的,且具有能量。例如,气体的能量是组成气体的单个原子的能量之总和。但是,一旦进入光学领域,情况就完全不一样了。无论是根据麦克斯韦的电磁理论或者根据波动理论,随着传播范围的扩大,光线的能量会逐步发散出去,就像往池塘里投进一颗石头,水波会从一点向外发散。爱因斯坦称之为一种“抽象的形式上的差别”,这个问题一直困扰着他,但同时也激发了他“从多方面去考虑问题”。他认识到如果光是非连续的,且是由量子组成的,那么物质的非连续性同电磁波的连续性之间所存在的鸿沟就能够被跨越。

爱因斯坦阅读普朗克所写的关于如何推导黑体辐射公式的论文,此时,光量子的概念浮上他的心头。他认为普朗克的公式是正确的,但是却对他的分析过程表示质疑。假如普朗克的分析是正确的,他应该得到完全不同的公式才对。但是,由于普朗克已经提前知晓了答案,即他的那个公式,因此,他在推导过程中刻意地向着自己的结论前进。爱因斯坦找到了普朗克陷入迷茫的症结所在,这是因为普朗克知道他自己的理论公式与观测结果完全吻合,因此想利用他自己熟知的或者认同的理论和技术推导这个公式,但这样做的最终结果只能是导致失败。如果普朗克霸王硬上弓,爱因斯坦敢断定他最终所得到的公式与观测结果将大相径庭。

最初,瑞雷(Rayleigh)爵士在1900年6月的时候就提出另一个公式,但普朗克却可能根本没关注过它。当时,普朗克并不相信原子的存在,因而也反对瑞雷所使用的能量均分定理(Equipartition Theorem)。原子只能在三个运动方向自由运动,即:上下、前后和左右。这也被称为“自由度(Degree of Freedom)”,每一个自由度代表一个独立坐标方向,在此方向上原子上能够接受和存储能量。在这三种“平移(translational)”运动的基础上,如果一个分子是由两个或更多个原子组成的,则这些原子间那些虚拟的连接轴会有三种转动形式,也就是说该分子总计有六个自由度。根据能量均分原理,气体的能量被均匀地分配给所有的气体分子,而每个气体分子的能量又将被平均分配在其可以运动的每个方向上。

瑞雷利用能量均分原理,对黑体在内腔中输出的不同波长上的辐射能量进行细分,这种方法将牛顿、麦克斯韦以及玻尔兹曼的物理理论完美地融为一体。但这种方法存在数值误差,后来虽然被英国物理学家詹姆斯·金斯(James Jeans:1877~1946)修正,但依旧存在问题,这就是瑞雷---金斯定律(Rayleigh-Jeans Law)。根据这一定律,黑体辐射能谱在紫外区域会趋向无限大。这种结果是对经典物理学的颠覆,在多年以后的1911年,它被人戏称为“紫外灾难(Ultraviolet Catastrophe)”。幸运的是,这种情况实际上是不会发生的,因为宇宙中紫外辐射无处不在,如果真如瑞雷——金斯公式预测的那样,人类根本无法生存。

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爱因斯坦也独自推导出瑞雷——金斯定律,他发现该公式所预测出的黑体辐射值偏离实际观测值,特别是在紫外区域会得出能谱无限大这样荒谬的结果。假设瑞雷——金斯定律只在长波长(即低频)范围内成立,爱因斯坦决定从较早的由威廉·维恩提出的黑体辐射公式着手开始研究。尽管维恩的公式仅仅在短波长(即高频)范围内有效,而且无法预测长波长(即低频)范围内的能谱值,但这是唯一稳妥的选择。另外,对爱因斯坦而言,这一公式有以下几个优点:首先,爱因斯坦熟悉该公式的推导过程;其次,至少它能够完美地解释一部分的黑体辐射能谱,爱因斯坦将先从这部分入手。

爱因斯坦有个简单但精妙的方案。气体是若干粒子的集合体,在其处于热平衡状态时,气体的物理特性,诸如某一温度下的压力,是这些单个粒子的物理特性的总体效应。假定黑体的物理特性也和气体是类似的,那么可以认定电磁辐射本身也应该是若干单个粒子的物性的总体效应。爱因斯坦假设自己的这个黑体模型也是中空的,但和普朗克不同,他在空腔内填充的是气体粒子和电子。然而,黑体内壁上的原子还拥有其它电子。当对黑体进行加热时,电子在广泛的频率范围内发生震荡,并释放或者吸收辐射。于是,黑体内部充盈着高速运行的气体粒子和电子,以及震荡的电子所释放的辐射。经过一段时间,就能达到热平衡状态,此时,黑体内腔以及其中所包含的粒子均稳定在温度T。

根据热力学第一定律,能量是守恒的,反映出系统的熵值与该系统所具有的能量、温度以及体积之间存在关联。爱因斯坦“没有去建立释放或者传播辐射的模型”,而是利用这一定律,以及维恩定律和玻尔兹曼的理论去分析黑体辐射的熵值与内腔体积之间的相互关系。他所发现的公式反映如果气体是由原子组成的,则其熵值是由其所占的体积大小决定的。黑体辐射所体现的特征说明辐射能量是由单个能量粒子组成的。

爱因斯坦将普朗克的黑体辐射公式和其理论弃之不用,因为他已经发现了光量子。为了与普朗克保持区别,爱因斯坦所给出的公式与其稍有不同,但都包含了一个关键信息,即E=hv,也就是说能量是量子化的,其基本单位是hv。普朗克以前是对电磁辐射的释放和吸收均做了量子化,从而能够准确计算出黑体辐射的能谱分布,而爱因斯坦所作的工作不但囊括这些内容,还包括对光本身的量子化。例如,黄色光的量子化能量即为普朗克常数乘以其频率值。

爱因斯坦的研究发现辐射本身也像气体一样具有粒子性的特点,他因此判断自己通过光量子就已经初窥门径了。爱因斯坦的新的“观点”着重于光的本质,但为了说服其他学者接受这一“开创性的”理论,他得利用这一理论去解释一些人们难以理解的现象。

第二章·专利的奴仆(5)


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最后于2018-09-14 12:45:00改,共3次;
2018-09-14 09:34:35
2018-09-14 12:39:15
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奔波儿
奔波儿`5859`http://z9mkbg.blu.livefilestore.com/y1pAYd67I4RG1xeIRU3nhcpoMTRBXBgIk5bNw3y6vFZQtarQGeuOfgSw7z8W0wDnVzgh14j6-7FRpHmSXtuW2kIdjsdV_yF6XCO/icon.gif?psid=1`70`5259`22697`184348`从五品下:朝散大夫|游击将军`2005-03-13 21:21:19`0
【原创翻译】第二章·专利的奴仆(5) 33

第二章·专利的奴仆(4)

1887年,德国物理学家海因里希·赫兹(Heinrich Hertz:1857~1894)为了证明电磁波的存在进行了一系列实验,他的意外收获是发现了光电效应(Photoelectric Effect)。无意中,他注意到一个现象,就是当一束紫外线照射到一对金属球其中一个时,金属球之间出现了电火花。为了弄清楚这个“全新的但非常费解的现象”,赫兹花了好几个月的时间,可惜一无所获。另外,他错误地认为这一现象仅限于紫外线。

“一般说来,如果一个问题不是太令人费解,那将是多好的一件事情;”赫兹承认,“但是,人们总是希望通过解决某个问题能够发现一些新的东西,至于解决这个问题的是难是易并不是那么重要。”他的这番话就像是一个神奇的预言,可惜他没能在有生之年看见这一预言如何得以验证的。1894年,赫兹病逝,年仅36岁。

1902年,曾经为赫兹做过助手的菲利普·莱纳德(Philipp Lenard:1862~1947)对光电效应做了进一步的研究,他发现如果将一个玻璃管内的空气抽空,然后在里面放置两个金属板,一样存在光电效应,也就是说在该效应在真空状态下同样存在。莱纳德将金属板与电池连接,他发现如果用紫外线照射一个板子,就会有电流产生。光电效应被解释为当金属表面受到光的照射时,会释放出电子。当紫外线照到金属板上时,一部分电子获得了足够的能量,从而能够逃离金属板,并通过板子之间的空隙抵达另一块金属板,这样就形成了一个回路,“光电流(Photoelectric Current)”随之产生。然而,莱纳德同时发觉这一现象与已有的物理理论相冲突。现在,该爱因斯坦和他的光量子登场了。

按照莱纳德的估计,如果只是增加光束的强度,也就是让其更亮一些,则从金属板上逃逸出的电子数目是不变的,但同时每个电子所携带的能量将会增加。但是,莱纳德却发现完全相反的现象:大量的电子逃逸出来,但单个电子所携带的能量并没有变化。爱因斯坦用量子理论对其给出了非常简明扼要的解释:如果光是由量子组成的,则增加光的强度也就是说光将由更多的量子组成。当更强的光束照射到金属板上时,光量子数目的增加相应导致有更多的电子发生逃逸。

莱纳德此外还有第二个奇异的发现,即逃逸电子的能量并非由光束的强度决定,而是受其频率控制。爱因斯坦早对此早已有了答案。既然光量子的能量与频率呈正比,那么红光(低频)光量子的能量自然比蓝光(高频)光量子的能量要低。当光的颜色(频率)发生变化时,量子的数目并不会因此而改变。因此,当光的强度为固定值时,无论何种颜色的光照射到金属板上,逃逸的电子数目都是一成不变的,其原因是由于击中金属板的光量子数目是固定的。但同时,因为不同频率的光的光量子所带有的能量是不同的,所以逃逸电子所具有的能量大小将仅仅取决于是什么颜色(频率)的光照射到板子上。例如,紫外线找射到金属板上时,逃逸电子的能量将远远大于用红光照射金属板。

另外,还有一个复杂的现象。无论任何金属,都存在一个最低的或者“临界频率(Threshold Frequency)”,当入射光的频率低于该临界值时,无论照射时间有多长或者强度有多高,都不会产生电子逃逸。然而,一旦入射光的频率突破这一临界值,则无论光束如何昏暗,都会有电子逃逸。爱因斯坦的光量子理论再一次对此给出了答案,不过这一次,他引入了一个新概念——“功函数(Work Function)”。

在爱因斯坦看来,光电效应的产生是因为电子从光量子那儿获得了足够的能量,从而摆脱了将其控制在金属板上的约束力,并最终逃之夭夭。爱因斯坦所说的“功函数”就是电子逃离金属板时所需要的最小能量值,不同金属的功函数是不同的。如果光的频率太低,则光量子的能量不足以驱使电子突破桎梏,而只会停滞在金属板内。

对此,爱因斯坦用一个简单的方程作出了解释:如果一个电子能从金属板上逃逸,则其所具有的最大动能等于光量子的能量减去功函数。利用这一方程,爱因斯坦给出了一张图,横坐标为频率,纵坐标为最大动能,则每一种金属对应的曲线应该为一条直线,且其起始点为该金属的临界频率。而这条直线的梯度值(即斜率)与金属种类无关,而应该正好等于普朗克常数h。

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“尽管在内心深处,我非常抵触,但为了验证爱因斯坦在1905年提出的这个方程,我花了整整十年功夫,”美国实验物理学家罗伯特·密立根(Robert Millikan:1868~1953)说这话的时候,怨气冲天,“这个方程毫无逻辑,因为它违反了我们所了解的一切与光干涉相关的理论。可是呢,我不得不承认这个方程的的确确得到了实验结果的验证。”1923年,密立根获得了诺贝尔物理学奖,很大一部分原因就是由于这件验证工作。尽管是他亲手得到的实验数据,但他依旧拒绝接受观测结果背后的量子解说:“该方程所依据的物理理论是站不住脚的。”其实,从一开始,大部分物理学家都对爱因斯坦的光量子理论持质疑和不屑的态度。还有一部分人怀疑光量子是否真的存在,或者光量子只是为了计算方便而虚构出来的一个东西。而最正面的看法认为光以及所有的电磁辐射并非是由量子组成的,而只是在它们与物质进行能量交换时表现得像是量子化而已。持有这种观点的人中包括普朗克。

1913年,普朗克和其他三人提名爱因斯坦为普鲁士科学院的院士。在做陈述发言的时候,他们是这样品评爱因斯坦的光量子理论的——“总而言之,我们可以说,尽管现代物理学中有着各种各样的重要领域尚待人们去探索,但爱因斯坦并没有真正在这些领域上做出什么惊人的成就。他的某些猜想,比如他的光量子假说,可能离真正的目标差之毫厘谬以千里,但这并不能作为我们反对他的理由。因为,如果我们不去时不时地做点有风险的事情,那么在自然科学领域,我们将永远不会有真正的创新。”

两年之后,耗费密立根大量心血的实验证明了爱因斯坦的光电方程(Photoelectric Equation)是正确的。光电效应定律(Photoelectric Effect Law)的数学公式得到了大家的广泛认同,但其背后的光量子解释却鲜有支持。尽管如此,凭借这一定律的发现,爱因斯坦于1921年终于被授予了姗姗来迟的诺贝尔物理学奖,而在这之前,大家觉得这根本就是痴人说梦。从此以后,爱因斯坦不再是那位寂寂无名的伯尔尼专利局公务员,而将凭借其伟大的相对论名扬世界,并将被大家公认为是自牛顿以后最伟大的科学家。可是,在当时,因为他的光量子理论太过超前,所以物理学界还不能认同这一学说。

爱因斯坦的光量子理论之所以遇到重重阻力,是因为大量的事实都支持光是一种波这种看法。实际上,关于光到底是一种波还是一种粒子,人们已经热烈争论了很长一段时间。在18世纪以及19世纪早期,艾萨克·牛顿提出的粒子说占绝对统治地位。“在这本书中,我的想法并不是要用一种假说来解释光的特征,”牛顿在1704年发表的《光学》(Opticks)一书的开篇中就说,“而是通过逻辑推理和实验结果来验证这些特征。”牛顿在1666年做了很多探索性的光学实验,他曾经利用一个三棱镜将一束白光分解为一道七色彩虹,然后又利用另一个三棱镜把这些彩光合并为一束白光。因此,牛顿认为光线是由粒子,也就是他所命名的“微粒(Corpuscles)”组成的,这种粒子是“从发光体释放出来的微小物体”。根据牛顿的理论,这些光粒子是直线前进的,并可以用来解释很多日常现象,比如人们可以听见几角旮旯处的谈话声音,但是却看不见谈话的人,因为光线是无法弯曲的。

牛顿能够给出一套详尽的数学公式来解释很多光学现象,包括反射和折射(即光从稀疏物质进入致密物质以后,会发生弯曲)。但是,依旧存在一些光学特征,如果用牛顿的理论,就无法得到令人满意的解释。例如,当一束光线照射到玻璃面上时,一部分光线会透过玻璃传播,同时剩余部分会被反射出来。牛顿必须要回答的一个问题就是为什么一部分光粒子能够被反射,而另一部分却不能?为了回答这个问题,牛顿被迫对自己的理论作出修正。他认为光粒子通过以太(Ether)的时候,会引起波状扰动。这些所谓的“简单反射以及简单入射”在其物理机制上与一部分光线会通过玻璃而另一部分光线会被反射的现象是一致的。牛顿把这种扰动现象推而广之,并联系到颜色上面。在他看来,最强的扰动具有最长的波长,与红光的产生相关;而最小的扰动,则具有最短的波长,与紫光有关。

荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens:1629~1695)对此持有异议,他认为根本就不存在牛顿所说的这种光粒子。惠更斯比牛顿年长13岁,早在1678年,他就已经发展出一套光的波动理论,可以用来解释反射和折射现象。但是,他的光学著作《光的特点(Traité de la Lumière)》一直拖到1690年才得以发表。惠更斯认为光就是一种通过以太传播的波。当人们往一口平静的池塘中扔进一颗石子,就能看见波纹一圈圈传播开来,光也是以类似的方法传播的。如果光真的是由粒子组成的,惠更斯提出了一个质疑——那么当两束光线面对面相遇时,有没有迎头相撞的证据?惠更斯认为,没有任何这样的证据存在。声波是不会相撞;同样,光既然不会相撞,那也必然是一种波。

尽管牛顿和惠更斯各自的理论都能够解释光的反射和折射现象,但是如果将他们的理论用来解释其它光学现象会得出不同的结论。当时,由于观测精度的限制,他们的理论多年来都无法得以检验。但是,一种人们所能观测到的光学现象恰巧可以用来检验。如果一束光线是由牛顿所说的粒子组成的,当它在直线传播过程中遇到某个物体阻挡时,应该会投下明暗分明的阴影;但如果这束光线是惠更斯所说的波,当它遇到同样的物体阻挡时,将会像所有的波一样围绕该物体发生弯曲,其投下的阴影会有一个模糊的边界。身兼耶稣会神父的意大利数学家弗朗切斯科·格里马尔迪(Francesco Grimaldi:1618~1663)发现光线在物体的边缘或者是一个非常狭窄的裂缝边缘,会发生弯曲,他将这种现象命名为散射(Diffraction)。格里马尔迪逝世以后又过了两年,即在1665年,他的专著得以面世。在书中,格里马尔迪描述了他所做的一个实验:在一个漆黑的房间,让一束光线通过百叶窗上的一个小孔投射到一个不透明的物体上,则光线会投下阴影,其范围要比假定光线是粒子而只能直线传播时所形成的阴影要大。另外,他还发现在阴影边缘存在着彩光,而且看上去很模糊,而如果是粒子波则只能形成明暗分明的边界。

牛顿也注意到了格里马尔迪的发现,之后,他也亲自做了相关的实验,对散射现象进行研究,因为这一现象至少在表面上佐证了惠更斯的光波理论。但是,牛顿认为散射现象是因为力作用在光粒子身上的结果,而也正好进一步反映了光本身的特性。尽管牛顿的粒子理论在实质上只是将波和粒子混为一体,但由于他本人无与伦比的声望,他的理论被后人一直奉为圭臬。另外呢,惠更斯在1695年就逝世了,而牛顿比他多活了32年,这也在一定程度上帮助牛顿扩大和延续他的胜利。英国诗人亚历山大·蒲柏(Alexander Pope:1688~1744)见证了牛顿在他那个时代无与伦比的影响力,在为牛顿书写的墓志铭中,他写道:“自然以及自然法则处在漫漫长夜之中;上帝说,牛顿出来吧!从此世界一片光明”。牛顿于1727年逝世,在以后的很多年中,他的威名依旧如日中天,很少有人对他的光学理论产生过质疑。当19世纪的曙光到来的时候,一位名叫托马斯·杨(Thomas Young:1773~1829)的博学多才的英国人向牛顿发起了挑战,而他的工作导致了光波理论的东山再起。

第二章·专利的奴仆(6)


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fingerlakefingerlake`60521`/bbsIMG/face/0000.gif`70`951`386`8435`从七品上:朝散郎|翊麾校尉`2010-08-13 22:30:54`0
从后面看玻尔在量子力学方面犯了几次大的失误 1

1. 不相信光子的存在,即使康普顿的实验的初步结果出来之后仍然不相信。

2. 认为微观世界的动量不守恒。

3. Slater对于1和2都认同,结果被玻尔把相关内容删掉了,发表出来的文章,在一年内成为大家的笑柄,导致Slater在玻尔去世后痛骂玻尔。

4. 现在看量子力学的很多东西都没有搞清楚,本质只是一个计算工具,在玻尔的洗脑下到现在一些本质问题还仍然没有澄清。

鄙人一点浅见,只是提供一些参考,并非要给谁拍砖,如果兄台认为我的观点不对,欢迎批评指正。


2018-09-15 22:55:57
2018-09-18 11:02:27
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奔波儿
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【原创翻译】第二章·专利的奴仆(6) 24

第二章·专利的奴仆(5)

杨生于1773年,家里有十个孩子,他是长子。两岁的时候,杨就能流畅地阅读书籍,六岁的时候,他已经把圣经通读两遍。另外,杨精通多国语言,他曾经为破译埃及的象形文字做出过重要贡献。杨还是一名训练有素的物理学家,因为他从一位叔伯那儿获得很大一笔馈赠,所以他从不为生计发愁,且可以随心所欲钻研自己喜欢的学问。杨对光的本质很感兴趣,他是从研究光和声音的异同入手的,最后发现“牛顿的光学体系存在一、两个问题”。他认为光的本质是一种波,为此他进行了一个实验,其结果宣告了牛顿的光粒子理论走到了终点。

杨将一束单色光照射到一块带有一个狭缝的幕布上。在通过这个狭缝以后,这束光又照射到第二块幕布上,这块幕布上有两个相互平行且间距很小的狭缝。就像汽车的头灯一样,这两个狭缝会变成两个新的光源,也就是杨所说的“两个离散点,从这两点开始,光向各个方向散射”。在第二块幕布背后相隔一段距离,还有第三块幕布,当光通过两个狭缝照射过来时,杨看见第三块幕布上面出现了一幅怪异的光带:中间为一条亮光带,在其两边为明暗相间排列的光带。

点看全图

为了解释这些明暗相间的“条带”,杨用了类比的法子。如果在平静的湖面上同时扔进两个石头,且石头的落点间距很小,则两个石头都会在湖面上产生一圈圈向外传播的波纹。当两组波纹相遇的时候,如果是波峰遇到波峰或者是两个波谷相遇,则会相互叠加,从而产生更强的波峰或者波谷,即相长干涉(Constructive Interference);但如果是波峰遇见波谷或者波谷遇见波峰,则两者在相遇点会相互抵消,且该点会平静如常,即相消干涉(Destructive Interference)。

在杨所做的实验中,光波先要通过两个狭缝,在其照射到幕布之前,光波会像水波一样相互干涉,则出现在幕布上的亮条纹对应于相长干涉,而暗条纹则对应于相消干涉。杨认为只有当光是一种波时,才能解释这种现象。如果光是牛顿所说的粒子,则只会在幕布上产生两条亮光带,在它们之间为黑暗;而那种明暗相间的条纹是不可能存在的。

1801年,杨首次提出干涉的观点,并报告了他的初步结果,但他这种向牛顿挑战的行为招致人们的口诛笔伐。为替自己辩护,杨写了一部小册子,向大家阐述了自己对牛顿的认识:“尽管我敬仰牛顿的大名,但是我并不会因此就把他看作是完美无缺的化身。我发现牛顿同样也会犯错误,而且他的权威在一定程度上甚至阻碍了科学的前进;对此,我的心中充满忧愁,并深深地感到遗憾。”可惜,他的小册子只卖出去一本。

紧跟杨的脚步,一位法国土木工程师也从牛顿的阴影下走了出来。奥古斯丁·让·菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel:1788~1827)比他的这位前辈年轻15岁,他在对杨的工作一无所知的情况下,也独自发现了干涉现象,不过只是晚了些日子而已。但是,和英国人相比,菲涅耳设计的实验更巧妙,也从而获得了更多的成果。在他把自己的结果公布出来,并给出了相应的数学分析以后,从1820年开始,越来越的人转而支持光波学说。菲涅耳让大家信服了波动理论比牛顿的粒子理论更能够准确地解释一系列光学现象。另外,他还回答了另外一个困扰了光波理论很久的问题,也就是为什么光无法拐弯。他认为这是因为光波的波长只有声波波长的几百万分之一,因此当直线传播的光波出现弯曲时,人们很难去观测出来。波只有在遇到比其波长短的物体时,才会发生弯曲,声波波长非常长,因而能绕过其传播过程中所遇到的大部分障碍物。

对那些持有相反观点和质疑态度的人,要想让他们在两种争锋相对的理论中做出最终抉择,有一个法子,那就是用实际观测结果说话,特别是根据这两种理论会得到不同的预测结果的实验。1850年,在法国做的一些观测显示光在致密物体(例如玻璃和水)中运动的速度比在空气中要慢。这个结果与光波理论的理论预测相吻合;如果根据牛顿的光粒子理论,光在致密物体中的速度则是要快得多,显然这是违背实际结果的。但是,问题依旧存在:如果光是一种波,那么它的物理特性何如?下面,该詹姆士·克拉克·麦克斯韦(James Clark Maxwell:1831~1879)和他的电磁理论闪亮登场了。

麦克斯韦于1831年诞生于爱丁堡,他是一位苏格兰地主的儿子,注定要成为十九世纪最伟大的理论物理学家。在他15岁的时候,麦克斯韦就正式发表了一篇几何学论文,探讨椭圆的轨迹。1855年,麦克斯韦发表了一篇天文学论文,在文中他认为土星的光环并非是固态的,而是由若干较小的且破碎的物质组成,凭借这篇论文,他荣获了剑桥大学的亚当斯奖学金(Adams Prize)。1860年,基于气体是由无数运动中的分子组成这一认识的分子运动学理论发展到了它的极致,而麦克斯韦是使这一理论最终成型的那几个人之一。但是,他最伟大的成还是电磁理论。

1819年,丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(Hans Christian Orsted:1777~1851)发现当有电流通过导线时,会引起磁针偏离。一年以后,法国科学家弗朗索瓦·阿拉戈(Franois Arago:1786~1853)发现带电的导线会像磁石一样吸引铁屑。之后不久,他的同胞安德烈-马里·安培(André-Marie Ampère:1775~1836)发现如果让电流同方向流过两个互相平行的导线,这两根导线会相互吸引;反之,如果让电流反方向通过这两根线,则它们会彼此相斥。这些实验反映出电流能够产生磁场,基于这样的认识,杰出的英国实验物理学家米歇尔·法拉第(Michael Faraday:1791~1867)突然产生一个灵感,他想看看是否可以通过磁场反过来产生电流。他将一个一块磁铁反复插入和拔出于一个线圈,结果线圈中产生了电流;当他把磁铁停止在线圈中时,电流随即消失。

大家都知道,冰、水和汽是H2O的三种不同状态。与此类似,麦克斯韦在1864年证实了电和磁不过是同一种现象(即电磁)的不同表现状态而已。利用四个简洁的数学方程,麦克斯韦清晰地阐述了电和磁之间的相互关系,从而将电和磁统一在一起。路德维希·玻尔兹曼看到这组公式以后,他在第一时间就意识到麦克斯韦取得了一项非凡的成就,并引用歌德的诗句赞美“难道是上帝留下了这些印记?”利用自己的公式,麦克斯韦做出了震撼世界的预测,即电磁波是以光速在以太中传播的。如果他的预测是正确的,那么(以同样速度传播的)光应该也是一种电磁辐射。但电磁波真的存在吗?如果它们确实存在,那么它们的传播速度真的就一定是光速吗?麦克斯韦在有生之年内没有能够看到他的预测被实验证实。1879年11月,麦克斯韦因癌症去世,年仅48岁。而在这同一年中,爱因斯坦也降临人世。又过了快十年之后,即在1887年,海因里希·赫兹通过实验发现了“光电效应”,据此,麦克斯韦这一将电、磁和光统一在一起的理论作为19世纪最伟大的学术成就名彪史册。

赫兹在论文中阐述了他的发现“在我看来,试验结果确信无疑地证明:所有那些对光、热辐射以及电磁运动是否存在的怀疑都可以被扔到垃圾堆了。从此刻起,我坚信我们应该充分利用这些概念,在光学和电学的研究上披荆斩棘。”但具有讽刺意味的是,虽然赫兹通过这些实验发现了光电效应,但却也为爱因斯坦提供了一个在他看来是错误的概念,即“光量子”。爱因斯坦的光量子所挑战的光波学说,在赫兹眼中,早已是一个很严密而完美的理论。无数事实均成功证实光是一种电磁辐射,在这种情况下,让物理学家们抛弃这一共识,而去接受爱因斯坦的光量子学说,这简直是痴人说梦。很多人认为光量子学说荒诞不经。毕竟,光量子的能量是由光的频率决定的,而频率却应该是与波,而不是什么空间中传播的能量块联系在一起。

其实,爱因斯坦自己也认同,光波理论在解释散射、干涉、反射和折射等现象方面“具有非同一般的正确性”,而且该理论“可能永远不会被任何其它理论所取代”。但是,他指出,这种成功是建立在一个关键事实上的,即所有这些光学现象发生的过程都非常短暂,而在这种转瞬即逝的时间内,肉眼根本无法观测到任何粒子特性。假如光的“瞬间”释放和吸收能够被人们观察到,那将会是一个别有洞天的世界。爱因斯坦认为,这就是为什么光波理论在解释光电效应的时候“举步维艰”的原因。

后来荣获诺贝尔物理学奖的马克斯·冯·劳厄(Max von Laue:1879~1960)在1906年的时候,还只是柏林大学的一位普通讲师,他当时写信给爱因斯坦说自己愿意(部分)接受他的观点,即在光的释放和吸收过程中存在着量子。但,也仅此而已,而且劳厄告诫说只有“在光与其它物质交换能量时,才看上去像是由量子组成的”。持相同观点的人在当时是屈指可数。造成这种局面的原因部分是由于爱因斯坦自己,在他的论文原文中,他的确说过光“运动”的方式说明它是由量子组成的。这种论述很难说是对光量子做出了准确的定义,因为爱因斯坦想创立的并不只是一种“具有启迪性的观点”,而是不折不扣的一套完整的理论。

在当时,光依旧被认为是一种具有连续性的波,当它与由离散的原子组成的金属板激烈碰撞时,双方争锋相对的战场就是光电效应。但在1905年,依旧也很多人质疑原子的存在。5月11日,也就是在爱因斯坦完成了他的量子论文约两个月后,《物理通报》接受了他这一年投出的第二篇论文。在这篇论文中,爱因斯坦解释了布朗运动,从而为原子的存在提供了一个关键证据。

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1827年,当苏格兰植物学家罗伯特·布朗(Robert Brown:1773~1858)在显微镜中观察悬浮在水中的花粉颗粒时,他发现这些颗粒似乎是被某种看不见的作用力推动着,总是处于随机漂移的状态。其他学者也观察到随着水温的升高,这种漂移现象会逐渐加剧,大家认为在这种现象背后可能存在着某种生物学上的缘由。但是,布朗发现当他所用的花粉颗粒有二十多年的年份时,类似的现象依旧存在。这个发现让他着了迷,他将各种各样的标本弄成细小颗粒,让它们悬浮在水中,包括玻璃,甚至还有狮身人面像上弄下来的东西。他发现这些悬浮颗粒在水中都会呈现不规则运动状态,这说明这种运动背后可能存在着一种未知的作用力。布朗把自己的研究结果写成一本名为《关于在1827年六、七、八月间利用显微镜观察的简单描述:植物花粉中的颗粒,以及有机物和无机物活动分子的广泛存在(A Brief Account of Microscopical Observations Made in the Months of June, July and August 1827, on the Particles Contained in the Pollen of Plants; and on the General Existence of Actice Molecules in Organic and Inorganic Bodies)》的小册子。其他学者对“布朗运动(Brownian Motion)”给出了似乎合理的解释,但很快就发现了其解释的不足。一直到19世纪末,那些坚信原子和分子存在的学者才认识到布朗运动是由水分子与悬浮颗粒之间的相互碰撞所引起的。

爱因斯坦认为布朗运动之所以存在,并不是仅仅由一次悬浮颗粒与水分子之间的碰撞引发的,而是多次碰撞的结果。也就是说,任一时刻,人们所观察到的悬浮颗粒的不规则运动都是这若干次碰撞的总体结果。爱因斯坦判断要想弄清楚这一难以捉摸的运动,关键在于了解相对于水分子的“平均”运动状态的偏差值,即其统计意义上的扰动值。鉴于水分子的尺寸很小,因而平均而言,可以认为若干水分子会从不同方向同时撞击花粉颗粒。在这种微观尺度上,尽管每一个水分子都会对花粉颗粒在单个方向上产生一个微小的推力,但是若干水分子所产生的整体效应则是导致花粉颗粒原地不动,因为这些作用力彼此会相互抵消掉。爱因斯坦认为产生布朗运动的原因是因为水分子偏离了其“正常的”运动状态,也就是说其中一些水分子聚集在一起,同时撞击花粉颗粒,从而导致其向某一特定方向移动。

通过这一认识,爱因斯坦成功地计算出在某一段时间内,花粉颗粒运动的平均水平距离。根据他的预测,当水温在17摄氏度时,直径为千分之一毫米的悬浮颗粒会在一分钟之内平均移动千分之六毫米。爱因斯坦给出了一个公式,从而可以利用温度计、显微镜和秒表来计算原子的尺寸。三年以后,即1908年,索邦大学的让·巴蒂斯特·皮兰(Jean Bsptiste Perrin:1870~1942)通过一系列精妙的实验,证实了爱因斯坦的预测,并因此获得了1926年的诺贝尔物理学奖。

第二章·专利的奴仆(7)


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桥上
倒霉的杨

看了这一段,真是感叹,一时多少豪杰。


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2018-09-19 11:59:50
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道可道道可道`4206`/bbsIMG/face/0033.gif`70`1002`703`9507`从七品上:朝散郎|翊麾校尉`2004-11-24 09:18:29`0
好看好看

科学的追求就是为了找到不被人类社会所左右的永恒的规律,这点上,和神学是异曲同工的,如果世界上信神的人都来信科学,那创新也许会更多呢。信神学门槛比较低,搞科学门槛比较高,生有涯而知无涯,懂科学的人,精神上的享受个人感觉要远远超出虔诚的宗教人士,腰缠万贯的商界人士,呼风唤雨的政界人士,只需要一个安静平和的环境。


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【原创翻译】第二章·专利的奴仆(7) 20

第二章·专利的奴仆(6)

随着时间流逝,由于普朗克对相对论的拥护,以及对布朗运动的研究取得了这一突破性的进展证实了原子的存在,爱因斯坦的名气与日俱增,尽管他的光量子学说在当时依旧应者寥寥。爱因斯坦经常收到一些寄给他的信件,但上面的收信人地址却为伯尔尼大学,因为没有几个寄信人了解他原来只是专利局的一个公务员。维尔茨堡大学的雅格布·劳卜(Jakob Laub:1884~1962)在信中说“我必须要对你坦诚相告,当我知道你每天要在办公室里坐上八个钟头时,我非常吃惊”。对此,爱因斯坦在1908年三月的回信中说道:“历史总是充斥着黑色幽默。”在专利局干了六个年头以后,爱因斯坦决定与自己专利奴仆的身份说再见。

他向苏黎世的一所学校递交工作申请,想去做一名数学教师,同时声明自己做好准备并愿意教物理。随求职申请寄出的,还有一份他的论文拷贝。这篇论文是与布朗运动相关的一些基础性工作,凭借这篇论文,爱因斯坦最终于1905年,即在他第三次冲击苏黎世大学的博士学位之时,获得了成功。为了增加自己成功求职的把握,他还寄去了自己所有发表的论文。尽管爱因斯坦这些科学成就给人留下深刻的印象,可在21个求职者当中,爱因斯坦甚至没能进入候选名单的前三位。

在苏黎世大学的实验物理学教授阿尔弗雷德·克莱纳(Alfred Kleiner:1849~1916)的督促下,爱因斯坦第三次尝试去申请伯尔尼大学的讲师(该职位是没有薪水的)一职。他第一次申请这个职位被拒是因为当时他没有博士学位。1907年6月,他第二次申请再次失败,因为他没有按要求递交一份尚未公开发表的论文。克莱纳想让爱因斯坦接替一个即将空出来的理论物理学教授的重要职位,而要想实现这个目标,当上讲师是其中的一个必要环节。因此这一次,爱因斯坦按照要求递交了自己的尚未公开发表的学术论文,最终与1908年的春天成为了一名不领薪水的讲师。

爱因斯坦开的第一堂课所讲授的内容是热的理论,只有三个学生听课,这三位彼此是好朋友,也只有志趣相投的朋友才有可能一起来上课,因为爱因斯坦的这门课的时间是每周二、六的早七点至八点。对于讲师们开设的课程,大学生们拥有充分的自由来决定自己是来听课还是翘课,而且没有几个人愿意这么早爬起来上课。而爱因斯坦自己呢?作为一名讲师,爱因斯坦显然不是很称职,他备课总是马马虎虎,屡次犯错。每次一卡壳,爱因斯坦就转身对学生们说:“谁能指出来我在哪儿出了错?”或者“我在哪儿犯错误了?”如果有学生指出他讲授内容里的数学错误,爱因斯坦通常会说,“我早就跟你说过,我的数学功底稀松平常嘛。”

如果爱因斯坦想得到为他虚位以待的教授一职,他必须要证明自己有教学能力。为了确保爱因斯坦能胜任,克莱纳去旁听了他的课。但是,爱因斯坦却对自己“被调查”感到非常恼火,他那天的教学表现一团糟。但是,克莱纳又给了他一次证明自己的机会,他在第二堂课上的表现总算是达标了。“我真运气。”,爱因斯坦写信给雅格布·劳卜说“那天,我好像换了个人似的,课讲得非常精彩——然后,我就过关了。”1909年5月的一天,当爱因斯坦收到了苏黎世大学的一封邮件时,他终于能够炫耀自己现在是“婊子公会的正式成员”。在携妻子米列娃和五岁的儿子汉斯·阿尔伯特前往瑞士之前,爱因斯坦在九月间访问了萨尔兹堡,并在“德国自然科学家和医生协会(Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Arzte)”所举办的学术会议上做了一次物理学的主题演讲。这一次,他做了充分的准备。

能被邀请做这样一个演讲对爱因斯坦来说是一种殊荣,因为在一般情况下,只有物理学界声望卓著的耆老才有资格做这个演讲,而爱因斯坦当时刚满30岁,而且还只是一名尚未就职的教授。那一天,所有的目光都聚焦在爱因斯坦身上,但他却仿佛浑然不觉,箭步走上讲台,做了一场后来名垂青史的演讲——“有关辐射现象的本质及其特性的研究进展(On the Development of Our Views Concerning the Nature and Constitution of Radiation)”。他对听众说“理论物理发展的下一阶段将迎来光学理论上的创新,这将有可能是将波的理论同光的释放理论融合在一起”。这并非是一种预言,而是基于一个充满想象力的实验的结果得出的结论,在该实验中,一面镜子被悬挂在黑体中。爱因斯坦设法推导出一个公式,从而能用它来计算辐射的能量及动量的扰动;另外,该公式将两种截然不同的观点融为一体,其中一个为光波学说,而另一个则是由量子武装起来的辐射学说,这两种光学理论缺一不可。这是第一次有人提出了这种观点,后来被人们称之为“波粒二相性(Wave-Particle Duality)”——光既是一种波,同时又是一种粒子。

在这次会议上,普朗克是主持会议的主席。当爱因斯坦结束了他的演讲后,普朗克立即站起来发言。他首先感谢爱因斯坦所作的演讲,接着正告在座诸位,他反对爱因斯坦的观点,并再一次重申了他的根深蒂固的认识,即只有在物质与辐射进行接触时,才会出现量子。普朗克认为“根本没有必要”去相信爱因斯坦说的那些什么光实际是由量子组成的学说。只有一个人挺身而出支持爱因斯坦,他就是德国物理学家约翰内斯·斯塔克(Johannes Stark:1874~1957)。可令人遗憾的是,他同菲利普·莱纳德(Philipp Lenard:1862~1947)一样,后来都成为了纳粹党徒的一员,而且俩人将爱因斯坦和其学说批判为“犹太物理学(Jewish Physics)”。

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为了能将更多的时间投入到科学研究中,爱因斯坦离开了专利局。可等他真的到了苏黎世,无奈的现实像一盆凉水兜头罩脸泼将下来。每周,爱因斯坦必须要承担七个小时的教学任务,为此他不得不花大量的时间来备课,以至于他大发牢骚,觉得“真正的空闲时间比在伯尔尼还少”。爱因斯坦一向不注重穿着,学生们刚见到他们的这位衣冠不整的新教授都很惊讶,但爱因斯坦很快就获得了学生们的尊敬和爱戴,因为他的讲课风格一点也不死板,如果学生在他的课上有什么地方没听懂,可以随时打断他。在课外时间,每周至少有那么一次,他会带学生去露台咖啡店(Café Terasse)侃大山,而且经常聊到店里打烊。很快,爱因斯坦就适应了他的新工作,同时,他开始将自己的注意力放在用量子理论解决一个悬而未决的问题。

1819年,两位法国科学家皮埃尔·杜隆(Pierre Dulong:1785~1838)和亚历克西斯·柏蒂(Alexis Petit:1791~1820)测量了比热(Specific Heat Capacity),即每公斤的物质的温度升高一度所需要的能量,他们测量的材料涵盖从铜到金的各类金属。在他们之后的五十年,对原子的存在持赞同态度的人们都认同他们的结论,即“所有简单物质的原子都具有完全相同的热容(Heat Capability)”。而在十九世纪七十年代,一些与该结论相左的结果被人们发现,这在当时的学术界引发了强烈的地震。

爱因斯坦在研究这些特例时借鉴了普朗克的方法,也就是假想在加热状态时,组成物质的原子是一些振子。这些原子的震荡频率不是随意的,而是“量子化的”,即其频率值只能是某种“单位”频率的倍数。利用这种方法,爱因斯坦找到了一种新的理论,可以用它来解释固体是如何吸收热量的。原子所吸收的能量只能是离散状态,也就是说能量也是由一份份的量子化的单位能量构成的。但是,随着温度的降低,物质所具有的能量也随之下降,一直到这些能量不足以向每个原子提供特定大小的能量子,这将导致该固体所吸收的能量也随之减少,从而引起热容的降低。

爱因斯坦的研究在当时无人问津,这种情况一直持续了有三年,在这期间,爱因斯坦潜心研究如何用量子化的能量(即在原子尺度上,能量可以被切分成一块一块的)去解决问题,他所开创的是物理学的一个全新领域。瓦尔特·能斯特(Walther Nernst:1864~1941)是一位来自柏林的物理学家,他曾经去苏黎世拜访过爱因斯坦,当他向大家谈起了他的这次访问时,大家纷纷坐下来做笔记。为什么会这样呢?能斯特成功地测量出低温状态下固体的比热,并发现他的测量结果与爱因斯坦基于量子理论所作的预测完全一致。

伴随着不断的成功,爱因斯坦的名气与日俱增,布拉格的德意志大学聘请他去做正教授。如果接受这一聘请,爱因斯坦就不得不离开他待了15年的瑞士,但他实在找不出什么理由一口回绝。于是,爱因斯坦带着妻子米列娃,还有两个儿子,即汉斯和不到一岁的爱德华,在1911年的四月来到了布拉格。

“我不再关注量子是否真的存在,”爱因斯坦一有了新的邮件地址,就写信给他的朋友米歇尔·贝索(Michele Besso),“也不再想着用它们构建什么理论体系,因为我现在明白我的大脑在这方面不够用了。”他告诉贝索自己将专注于思考量子理论会产生什么样的结果,同时,别的学者也在寻求这个问题的答案。六月九日,爱因斯坦收到一封来信,这是一封让他觉得不可思议的邀请函。欧内斯特·索尔维(Ernest Solvay:1838~1922)是一位比利时工业家,因为其革命性地改进了制造苏打的工艺,故此大发横财。他邀请爱因斯坦参加将于当年10月29日至11月4日在布鲁塞尔举行的一次科学会议,并愿意支付一千法郎作为差旅费。作为与会的22位欧洲物理学家之一,爱因斯坦将和其他学者探讨“与分子运动学相关的一些问题”。普朗克、鲁本、维恩以及能斯特都也将参加这次会议,这将是一次量子理论的峰会。

普朗克和爱因斯坦,以及其他六位物理学家被邀请在会议上就特定专题做学术报告,这些报告可以用法文、德文或者英文进行书写,并将在会前被分发给与会的各位学者,从而作为大家在会议召开期间共同讨论的话题。普朗克将探讨黑体辐射理论,而爱因斯坦则要就比热的量子理论写一份报告。作为一项荣誉,爱因斯坦将受邀最后一个做报告,但是本次会议上并不会因此而讨论他的光量子理论。

“我觉得这次会议非常吸引人,”爱因斯坦写信给瓦尔特·能斯特说,“我毫不怀疑你将是这次会议的心脏和灵魂。”能斯特曾经认为量子理论不过是一种“稀奇古怪的理论”,但到了1910年,他却认为正视这一理论的时机终于成熟了。在他的劝说之下,索尔维慷慨地资助了这次会议,并把会场选在奢华的蒙特波里大酒店(Hotel Metropole)。在这个美轮美奂的地方,爱因斯坦和其他学者享受到周到的服务,他们在这儿一共待了五天,探讨了量子问题。尽管爱因斯坦并没有指望能在这个“女巫的安息日聚会(The Witches' Sabbath)”上取得什么进展,但他在返回布拉格的时候还是颇感沮丧,因为他觉得自己此行一无所获。

但可以肯定的是,他还是很高兴能结识其他那些“女巫”。玛丽·居里(Marie Curie:1867~1934)在爱因斯坦眼中是一位“丝毫不造作的”人,她对爱因斯坦也是惺惺相惜,觉得他“思维敏锐,观察问题深入浅出,而且知识深厚”。在会议召开期间,居里夫人被告知她被授予了诺贝尔化学奖,由于她在1903年已经获得过诺贝尔物理学奖,因此她成为荣膺两次诺贝尔奖的第一人。但是,在会议期间发生的一件绯闻却令这一显赫的荣誉有些失色。一家法国媒体探听到她和一位已婚的法国物理学家有了婚外情。保罗·郎之万(Paul Langevin:1872~1946)瘦高个儿,留着一部漂亮的胡子,也是与会的学者之一,关于他与居里夫人私会的小道消息传得沸沸扬扬。但爱因斯坦却没有发觉这两位学者之间有什么特别的关系,觉得那些八卦消息都是谣言。在他看来,尽管居里夫人“睿智超群”,但“也不是那种魅力四射会对什么人产生危险的女人”。

虽然在压力之下,爱因斯坦有很多次至少在表面上动摇过,但他却是第一个运用量子理论的人,并藉此发现了光的原理,揭示了其背后的真正秘密。另外,还有一位年轻的理论物理学家运用量子理论将一个漏洞百出无人重视的原子模型重新塑造,在这之后,他也成为了量子理论的信徒。

(第二章完)

第三章·金子般的丹麦人(1)


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【原创翻译】第三章·金子般的丹麦人(1) 18

第二章·专利的奴仆(7)

英格兰曼彻斯特,星期三,1912年6月19日。

“亲爱的哈纳德,我可能已经窥探到了原子结构的门径,”尼尔斯·玻尔在写给弟弟的信中说。“千万别对任何人说起这件事情,”他告诫说,“否则我以后有啥事儿再不会马上就写信告诉你。”对玻尔而言,保持缄默是必需的,因为他想做的正是每一位科学家都梦寐以求的一件事情,那就是揭示“构成物质的最小单位(A little bit of reality)”。玻尔还有一些工作没有完成,但是他“已经急不可待,想尽早完成,为此,我特意从繁重的实验室工作中挤出那么几天(这也是秘密)”。但实际上,这位二十六岁的丹麦小伙子所花费的时间要远远超过他的最初估计,最后他将自己尚未成熟的观点写成一个论文系列,包括三篇标题均为“关于原子和分子的结构(On the Constitution of Atoms and Molecules)”的文章。第一篇发表于1913年的六月,这是一篇真正具有革命意义的论文,因为玻尔将量子理论首次引入到原子的世界。

1885年10月7日是艾伦·玻尔(Ellen Bohr)的25岁生日,也就是在这一天,她在哥本哈根生下了一个儿子,并给他取名为尼尔斯·亨瑞克·戴维·玻尔(Niels Henrik David Bohr)。生下这第二个孩子以后,艾伦带着婴儿返回自己的娘家修养一段日子。基督堡(Christianborg Castle)是丹麦议会所在地,隔着一条鹅卵石街道是沙滩街(Ved Stranden)14号,这是本城最豪华的大宅子。艾伦的父亲,即小玻尔的外公,是一位银行家,同时也是一位政治家,是丹麦最富有的人之一。玻尔一生住过很多华美的大宅子,外公家是他住过的第一个这样的住宅,他和母亲只待了不长一段时间就一起回家了。

克里斯蒂安·玻尔(Christian Bohr:1855~1911)是哥本哈根大学的一位著名的生理学教授,他发现了二氧化碳在血红蛋白释放氧气的过程中所起的作用,这一成就以及他在呼吸系统方面的研究为他赢得了诺贝尔生理学及医学奖的提名。哥本哈根大学的外科医学院有一所宽敞的住宅,玻尔一家从1886年就住在那里,一直到1911年,那一年,玻尔的父亲英年早逝,年仅56岁。这所住宅位于城市里最时尚的街区,从那儿走到当地的学校只需十分钟,这对玻尔家的孩子们来说非常方便。姐姐珍妮(Jenny)比尼尔斯大两岁,弟弟哈纳德(Harald)则比他小十八个月,家里有三位女佣和一位保姆照顾他们。在当时的哥本哈根,由于人口膨胀,普通人家的住宅杂乱拥挤,而玻尔家的孩子则度过了非常舒适而优越的童年时光。

由于父亲的学术声誉和母亲的社会地位,玻尔家总是宾客盈门,丹麦顶尖的科学家、学者、作家和艺术家都是家中的常客。其中有三位客人和玻尔的父母关系熟络,和孩子们的父亲一样,t他们都是丹麦皇家科学与文化协会的会员,分别是物理学家克里斯蒂安·克里斯琴森(Christian Christiansen:1843~1917)、哲学家哈那德·霍夫丁(Harald Hoffding:1843~1931)和语言学家维纳海姆·汤姆森(Vilhelm Thomsen)。每次皇家协会开完周会,大人们都会轮流到四人中的一家继续他们的讨论。当轮到波尔的父亲做东时,尼尔斯和哈纳德被允许旁听,两个小家伙会好奇地看着大人们在那儿热烈地辩论问题。在当时的欧洲,一股世纪末(fin-de-siècle)的思潮正在泛滥,这常常成为这几位睿智之士的讨论话题,对孩子们来说,能亲历这种文化讨论是一件很幸运的事情。尼尔斯后来回忆说,这些讨论在他们幼小的头脑中打下了“最初的也是深刻的烙印”。

玻尔在学校念书的时候,他的数学和科学成绩非常优秀,但是他不喜欢语言课。“那时,”他的朋友回忆说,“一到课间休息时间,他总是玩得很疯。”哥本哈根大学当时是丹麦唯一的一所大学,玻尔在1903年入校学习,而当时的爱因斯坦已经在伯尔尼的专利局工作了一年多时间了。1909年,玻尔获得了硕士学位,而爱因斯坦则已经在苏黎世大学成为一名理论物理学的正教授,并且第一次获得了诺贝尔奖的提名。玻尔也获得了自己的荣誉,虽然与爱因斯坦相比有些微不足道,那是在1907年他二十一岁的时候,凭借一篇关于水的表面张力的论文,玻尔获得了丹麦皇家协会的金质奖章。玻尔的父亲曾经在1885年的时候获得过银质奖章,他对儿子能超越自己感到非常骄傲,经常对人说“我是银子,但尼尔斯则是金子”。

玻尔之所以能获得金奖,很大程度上是因为他听从父亲的劝告,暂停实验室的工作,并在乡下找了个地方完成论文。在投稿期限到来前的最后一个小时,玻尔才递交论文,但他仍然发现需要添加一些新的内容,于是在两天后又递交了补充内容。玻尔总是觉得自己应该反复修改一些内容,直至自己认为文章能够百分之百地反映出自己的想法为止,他这种对完美的追求有时简直到了病态的程度。在他完成博士论文前的一年,玻尔说他已经修改了“大概十四次”,甚至为了一个简单的字母错误都会让他不得不多花几天去修改。有一天,哈纳德看见玻尔的桌子上扔了一封信,准备就手就帮哥哥投寄出去,但却被告知:“别,那只是我写的一篇破文章的第一稿”。

这兄弟俩一生都是最亲密的朋友,他们兄弟不但都喜欢数学和物理,还对运动,尤其是足球有着强烈的爱好。哈纳德的球踢得比较好,他曾经入选丹麦国家足球队,并参加了1908年的奥运会,在那一届,丹麦足球队仅在决赛中输给了英格兰。另外,哈纳德被大家公认要更有天赋,他先于其兄一年获得了数学博士学位,而玻尔是在1911年的5月获得了物理学博士头衔。但是,他们的父亲一直认为他的大儿子是“家族中最特别的一员”。

在玻尔正式进行博士论文答辩的时候,他遵照传统,打着白色领带,戴着假发。答辩只持续了90分钟,创下了用时最短的记录。两位考官之一是他父亲的朋友克里斯蒂安·克里斯琴森,他很遗憾地说当时丹麦的物理学家“在金属的理论方面尚没有足够的知识,因而无法对这个领域的论文做出判断”。尽管如此,玻尔还是被授予了博士学位,他随后将论文的副本寄给马克斯·普朗克和亨德里克·洛伦兹(Hendrik Lorentz:1853~1928)等人。可是,他的信却如泥牛入海,没有回音,这时玻尔才意识到自己犯了一个错误,他应该先把论文翻译一下。当时,那些最优秀的物理学家一般都能流利地使用德语或者法语,可是,玻尔却想将自己的论文翻译成英语,为此他设法说服一位朋友来做这件事情。

当年,他的父亲曾经希望玻尔像若干希望展翅高飞的丹麦人一样,选择莱比锡或者哥廷根这类德国大学作为自己继续深造的地方,但玻尔却把剑桥大学作为自己的目的地,因为这座牛顿和麦克斯韦的思想家园对他而言,就是“物理世界的中心”,而论文的翻译件将是自己的敲门砖。他想利用这篇论文,能够找到一个同约瑟夫·约翰·汤姆森爵士(Sir Joseph John Thomson:1856~1940)对话的机会,他后来将这位先生描绘成是“一个为所有人指示方向的天才”。

玻尔四处航海和远足,过了一个悠闲自在的夏天,随后他在1911年的九月底来到了英格兰,嘉士伯酒业公司为他提供一年的资助。在寄给未婚妻玛格丽特·诺兰(Margretje Norlund)的信中,玻尔写道:“那天早上,我站在一家商店外面,无意中看见门上的地址有“剑桥”二字,我发现自己无比兴奋。”由于介绍信以及“玻尔”这个姓氏的缘故,玻尔受到了剑桥大学的生理学家们的热情欢迎,他们都认识玻尔那位过世不久的父亲。在他们的帮助下,玻尔在镇子边上找了一所有两个房间的小公寓,然后“处理各种事务,拜会朋友,参加晚餐聚会,忙得团团转”。但过不多久,玻尔就老想着能和汤姆森当面谈谈,就像他的朋友或者学生一样。

汤姆森生于曼彻斯特,是一位书商的儿子。1884年,在他过完28岁的生日还不到一周,他成为了卡文迪许实验室(Cavendish Laboratory)的第三任掌门人。在这个麦克斯韦和瑞雷曾经领导过的世界著名的实验室,没人能想到汤姆森会是他们的继任者,其原因不仅仅是由于他当时非常年轻。“J.J.的手非常笨,”他的一名助手丝毫不掩饰这一点,“我觉得自己没必要鼓动他去操作那些仪器。”尽管这位诺贝尔奖获得者很少亲自动手做实验,但大家均一致认为汤姆森具有“一种非凡的直觉,在不必亲自动手操作的情况下,就能理解错综复杂的仪器的内部工作原理”。

玻尔第一次和汤姆森会面时,他眼中的这位教授彬彬有礼但稍微有些不修边幅,神情似乎有些恍惚,戴着一副圆框眼镜,身着一件立领花纹夹克,这副形象让玻尔那起初还紧绷的神经很快就松弛下来。为了给人留下一个深刻的印象,玻尔手持自己的论文和汤姆森所著的一本书,走进了他的办公室。玻尔翻开书,指着一个公式说:“这个公式是错误的。”虽然被人如此直白地当面指出自己过去的错误让J.J.觉得不是很舒服,但他还是保证说会认真读一下玻尔的论文。他把论文随手扔在他那张堆满了文章和书籍的桌子上,然后邀请这位年轻的丹麦小伙子在周日和他共进晚餐。

玻尔刚开始还很兴奋,但是几周过去了,汤姆森还没有读他的论文,这让玻尔越发焦躁不安。他写信给哈纳德抱怨说:“我第一天是看走了眼,汤姆森可不是那种容易相处的人。”但是,他对这位55岁的老者的敬仰之情没有分毫改变,“他是一位优秀的人物,聪慧异常,富有想象力(你应该听一下他做的基础讲座),而且非常友善;但是他总是被太多的事务所缠绕,而且太专注于自己的工作,因此很难找到机会能和他好好聊聊。”而且,玻尔知道他的英语太糟,这也阻碍他的进一步交流。为了克服语言障碍,他拿着一本字典开始阅读《匹克威克外传(The Pickwick Papers)》。

十一月初,玻尔去拜访他父亲曾教导过的一位学生,这位弟子如今是曼彻斯特大学的生理学教授。在这次访问中,罗兰·史密斯(Lorrain Smith)将玻尔介绍给刚从比利时参加物理会议归来的欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford:1871~1937)教授。玻尔多年以后回忆说,这位充满人格魅力的新西兰人“热情洋溢地谈论了物理学领域的很多新领域”。卢瑟福“栩栩如生地描述了索尔维会议上的那些讨论”,这让玻尔非常感兴趣,以至于在他离开了曼彻斯特时,他已经被卢瑟福——他的个人魅力还有他作为物理学家所拥有的学识——彻底折服。

1907年5月,在卢瑟福就任曼彻斯特大学物理系主任第一天,他在去办公室的路上就引起了一阵轰动。一位实验助手回忆说:“卢瑟福上楼梯的时候是一步跨三个台阶,简直让人无法想象,像他这样的教授会如此生猛”。在短短数周之内,这位36岁的系主任就凭着他旺盛的精力和开门见山的办事方法征服了他的新同事。卢瑟福一步步打造出一个优秀的研究团队,这支队伍在随后的十余年间取得他人难以匹敌的成果,正是卢瑟福的独特个性,还有他灵敏的科学判断和智慧锻造了这个团队。而卢瑟福本人不但是这个团队的首领,更是它的心脏。

卢瑟福于1871年8月30日出生在位于新西兰南岛的斯普林格洛夫(Spring Grove)的一所单层小木屋里,他的父母有12个子女,而他排行第四。卢瑟福的母亲是一位教师,而他的父亲则是在一家亚麻作坊工作。在这个人烟稀少的乡下地方,生活异常艰辛,可是詹姆斯·卢瑟福(James Rutherford)和玛莎·卢瑟福(Martha Rutherford)夫妇俩人竭尽全力为自己的孩子们创造条件,使他们能充分运用自己的才智和运气。在父母的支持之下,小卢瑟福努力学习,获得了一系列奖学金,并最终来到了世界的另一边,进入了剑桥大学深造。

第三章·金子般的丹麦人(2)


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玻尔得亏后来成为老大了,否则他的这个性格真的很难混 1

比如他拿着汤姆生的书,然后找到某一行,告诉汤姆生这个地方错了,直接导致玻尔无法混下去了。


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【原创翻译】第三章·金子般的丹麦人(2) 17

第三章·金子般的丹麦人(1)

1895年10月,卢瑟福来到卡文迪许实验室,在汤姆森的指导下学习,当时的他可不是几年以后那位生机勃勃、信心满满的卢瑟福。在新西兰的时候,卢瑟福曾致力于探测“无线(wireless)”波,也就是后来大家所说的无线电波(Radio Waves),来到剑桥以后,他继续进行这项研究工作,从那一刻起,他开始了自身的转变。短短几个月之间,卢瑟福就开发出一种非常先进的探测装置,并准备靠这项发明赚些外快。也就是在那时,他意识到当时的科学界对申请专利并不热衷,很少有人会为了金钱目的而进行学术研究,在这种文化氛围下,如果他这样做,则可能会给自己带来负面效应。不多久,意大利工程师古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi:1874~1937)因为在同一领域斩获颇丰,声名鹊起,而这些荣誉本来应该是属于卢瑟福的。卢瑟福放弃了在无线电探测方面的工作,而专注研究一项当时成为世界各大报纸头版头条的重要发现,对此,他从不后悔。

1895年11月8日,威廉·康拉德·伦琴(Wilhelm Conrad Rontgen:1845~1923)发现每次当有高压电流通过一个真空玻璃管时,某些未知的辐射会导致一张涂满氰亚铂酸钡(barium platinocyanide)的纸片发光。伦琴当时是维尔茨堡大学的物理学教授,时年50岁,当有人问他对这种神秘莫测的新射线有什么看法时,他回答说:“我没有看法;我只调查。”整整六周,伦琴“重复这一实验若干次,直至确信这种射线确实存在”,他因此判断真空管是引起这一荧光的辐射源。

伦琴让自己的妻子贝塔(Bertha)将手放在照相底片上方,然后用这种被他命名为“X射线(X-rays)”的辐射进行照射。15分钟以后,伦琴洗出了照片。贝塔一看那张照片,顿时吓坏了,照片上面显现出她的骨骼结构,还有两只戒指,而暗色部分则对应着手掌上的肉。1896年1月1日,伦琴给德国以及海外的所有顶尖的物理学家们寄出一个邮包,里面装着他的论文《一种新的射线(A New Kind of Rays)》的副本,以及显现出贝塔的手掌骨骼的照片。数天之内,关于伦琴的新发现和他那些摄人魂魄的照片的消息,像野火一样,让整个世界都燃烧起来,就连出版界都被那张鬼魅般的骨骼照片牢牢地吸引住眼球。一年之内,有49本书,以及超过1000篇关于X射线的科学论文和科普文章探讨了X射线。

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伦琴的这篇文章的英译版在1896年的1月23日的《自然(Nature)》周刊上发表,而在这之前,汤姆森就已经开始着手研究这种奇妙的X射线。他一直在研究电子在气体中的传导特性,而在他读到这些文章时,他发现很多作者陷入一个误区——他们简单地把气体看做是一种导体了。在得到确认以后,他马上就让卢瑟福观测一下当X射线穿过气体时会有什么现象。而这项工作帮助卢瑟福在随后的两年间发表了四篇相关论文,并使他得到了国际学术界的认可。汤姆森为第一篇论文写了一个简短的评述,建议说X射线有可能像光一样,也是一种电磁辐射现象,这一论断后来被人们证实。

卢瑟福正忙着做实验的时候,一位叫亨利·贝可勒尔(Henri Becquerel:1852~1908)法国人在巴黎也正进行着自己的实验,他想确认一种在黑暗中能发光的荧光物质能否释放X射线。虽然他得到了否定的答案,但是他却因此发现含铀化合物能够释放辐射,而且与该化合物是否能够发出荧光无关。贝可勒尔所发现的这种“铀射线(Uranic Rays)”在当时反响寥寥,并没有引起科学界的重视,而新闻报导对此更是只字未提。不过,还是有一小拨儿物理学家对贝克勒尔的新发现很感兴趣,他们以及该射线的发现者自己都认为只有含铀化合物才能释放出这种射线。但是,卢瑟福却决定着手调查一下“铀射线”对气体的导电性有什么影响,这个决定在后来被他称作是其一生中最重要的一个决定。

卢瑟福使用一种名为“荷兰金属”(即一种铜锌合金)的薄层来研究铀辐射的穿透效应,他发现辐射量取决于这种薄层的数量,而当薄层数量增加到一定值时,薄层的增加对辐射强度的影响微乎其微;而随着薄层的继续增加,辐射强度突然开始再一次下降。卢瑟福重复进行这一实验,并在其它材料上也反复实验,他得到了相似的结果,对此卢瑟福只能给出一个解释,即存在两种辐射,也就是他所命名的“α射线”和“β射线”。

德国物理学家格哈德·施密特(Gerhard Schmidt:1865~1949)发现钍(Thorium)及其化合物也能释放出辐射,卢瑟福将其辐射与α射线和β射线进行比较后,他发现钍辐射的能量更强一些,因而判断“这是一种穿透力更强的射线”,该射线后来被命名为“γ射线”。“放射性(Radioactivity)”是玛丽亚·居里(Marie Curie:1867~1934)创造的一个词汇,用来描述释放辐射的现象,而且她将能够释放“贝可勒尔射线”的物质标定为“有放射性的(Radioactive)”。她认为放射性并不仅仅限于铀这一元素,而应该是一种原子现象。在这一思想的指导下,她和自己的丈夫皮埃尔(Pierre Curie:1859~1906)先后发现了镭(Radium)和钋(Polonium)这两种放射性元素。

1898年4月,居里夫妇的第一篇相关论文在巴黎发表。这时候,卢瑟福听说位于加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学(McGill University)有一个教授职位的空缺。尽管当时卢瑟福在放射性研究这一新领域已经被公认为是弄潮儿之一,而且汤姆森还为他写了一封充满溢美之辞的推荐信,但他对自己能否被聘用并不抱太多的希望。“我的学生里面从未有像卢瑟福先生这样对创新性研究抱有如此的热情和干劲,”汤姆森在信中写道,“而且我坚信一旦他有幸获得这一教职,他将会在蒙特利尔创建一所卓越的物理学院。”最后,他总结说:“如果卢瑟福先生能成为一名物理学教授,在我看来他将会为你们带来一笔宝贵的学术财富。”在经历了一场雷雨交加的航海旅行之后,年仅27岁的卢瑟福在九月底的时候来到了蒙特利尔,在这儿他将渡过随后的九年时光。

在他离开英格兰之前,他就明白“人们期望他能做出大量的开创性工作,并最终建成一所研究院,击败那些傲慢自大的美国佬儿!”他的确做到了这一点,而他的第一个成就就是发现钍的放射强度一分钟之后会减半,在接下来的下一分钟之后再次减半。三分钟之后,钍的放射强度只有其初始值的八分之一。卢瑟福将放射性的这种指数衰减称之为“半衰期(Half Life)”,即放射强度衰减一半时所需的时间。接下来的发现将为他赢得曼彻斯特大学的教授一职以及一份诺贝尔奖。

1901年10月,卢瑟福和同在蒙特利尔的弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy:1877~1956),这位时年25岁的英国化学家,一起对钍和其放射性开展合作研究,他们很快就发现钍有可能会变成另外一种元素。索迪回忆说,当这个念头爬上心头时,他呆住了,不由自主地嗫嚅“这是核嬗变(Nuclear Transmutation)”。“老天爷,索迪,千万别叫它什么嬗变”,卢瑟福警告说,“咱们可不是炼金术士。”

这对伙伴迅速意识到放射现象实质就是一种元素通过释放辐射转化成另外一种元素。他们这种离经叛道的理论起初被大家挖苦嘲笑,但实验结果很快就证明他们的理论是正确的,那些批评家们不得不放弃他们长久以来所珍视并信奉的物质不变性理论。从此以后,这不再是一个炼金术士的幻想,而是成为了科学事实:所有的放射性元素都会自发地从转化为其它元素,在其半衰期内,一半的原子将完成这一转化。

“他年纪轻轻,精力旺盛,喜欢热闹,但看上怎么都不像是一位科学家”,这就是曼彻斯特大学的化学家及后来的以色列第一任总统哈伊姆·魏茨曼(Chaim Weizmann:1874~1952)对卢瑟福的印象,“他可以在光天化日之下兴致勃勃地谈论任何话题,哪怕他经常对所谈的东西一无所知。每次去食堂的路上,我总能听到他的大嗓门在走廊上轰鸣。”魏茨曼发现卢瑟福“缺乏政治常识或意识,全部身心都扑在他那些划时代的科学研究上”。而这些研究中的核心工作就是利用α粒子探测原子。

但是,到底什么是α粒子?这个问题一直困扰着卢瑟福,特别是在他发现α粒子实质是一种阳性电荷,在强磁场中会发生偏转以后。他坚信α粒子就是氦离子,即一个失去两个电子的氦原子,但他却很少在公开场合宣扬自己的观点,因为他还只有间接的证据。在发现α射线十年之后,卢瑟福觉得现在已经到了揭示其真正的特性的时候了。当时,β射线已经被证实为是一束高速运动的电子。25岁的德国小伙儿汉斯·盖革(Hans Geiger:1882~1945)当时是卢瑟福的一位助手,在他的帮助下,卢瑟福在1908年的夏天证实了他长期以来坚信不移的观点:α粒子的的确确是一个失去两个电子的氦原子。

当卢瑟福和盖革忙着揭示α粒子的奥秘时,他经常抱怨说:“散射就是魔鬼”。其实早在两年前,当他还在蒙特利尔的时候就注意到这一效应:α粒子的运行轨迹本应该是一条直线,但是一些粒子穿过云母片以后会发生轻微的偏离现象,并导致显像相纸上面一片模糊。卢瑟福对此印象颇深,在他抵达曼彻斯特不久,他就列出一个包含各种潜在研究课题的项目表。现在,卢瑟福要求盖革着手其中的一个项目,即调查一下α粒子的散射效应。

俩人一起设计了一个简单的实验:让α粒子穿过一张薄薄的金箔,击中一张涂满硫化锌的纸屏,则这些α粒子会在纸屏上打出一些细小的光点,他们要做的就是统计一下这些闪光点的数目。这项计数工作枯燥乏味,要求他们得长时间呆在黑暗的环境下。但让卢瑟福感到欣慰的是,盖革是“一个工作狂,他能够通宵在那儿统计光点,而且还乐在其中”。他发现,α粒子或者是直线通过金箔,或者是偏离一、两度。这种结果在卢瑟福意料之中,但真正让他比较吃惊的是盖革向他汇报的一种现象——有一部分α粒子“偏离角度比较大”。

卢瑟福对盖革的实验结果迷惑不解,但这个时候传来一则好消息。由于卢瑟福发现放射性反映出一种元素向另一种元素转化,他被授予了诺贝尔化学奖。对这位一向认为“科学,除了物理学之外,就是收集邮票”的人而言,他自己明明是个物理学家,却被当成是化学家,这简直有点滑稽搞笑。在卢瑟福从斯德哥尔摩带着诺贝尔奖返回以后,他开始学着利用概率方法来研究α粒子的散射角度问题。他的计算结果显示α粒子穿过金箔以后出现大角度偏离的概率非常小,几近于零。

还在卢瑟福忙着对实验结果做计算的时候,盖革建议他给一位叫欧内斯特·马斯登(Ernest Marsden:1889~1970)的出色的本科生分派一点工作。“好啊,”卢瑟福说,“干嘛不让他看看α粒子是否能够以大角度散射?”没想到马斯登很快观察到了这种现象,这使卢瑟福倍感惊讶。但随着搜索范围的加大,预计中将以更大角度散射且会在硫化锌纸屏上击出一个个光点的α粒子并没有出现。

卢瑟福苦苦思索着这个问题,试图弄清楚“到底是什么样强大的电力或磁力让一束α粒子发生偏转或者散射”,同时他让马斯登检查一下是否还存在一些被反弹回来的粒子。其实,卢瑟福并不指望马斯登能发现啥东西,但当马斯登告诉他说确实有一些α粒子从金箔上反弹回来时,卢瑟福被吓了一跳。卢瑟福说:“这简直是太不可思议了!你能想象得出一枚15英寸的炮弹击中一张薄如蝉翼的纸片,然后再被弹回来打中你自己吗?”

盖革和马斯登开始利用不同的金属做对比实验,他们发现金所能弹回来的α粒子的数量比银高两倍,且比铝要高二十倍以上。当α粒子束击中铂以后,每8000个粒子中仅有一个被弹回来。1909年6月,他们将这些观测结果发表出来,但只仅仅做了简单的现象描述,而没有做进一步的评述。卢瑟福对这些结果也百思不得其解,在其后的十八个月中,他一直苦苦思索这个问题,试图找到一个合理的解释。

在整个19世纪,关于原子是否存在是一个广受争议的科学和哲学问题,但到了1909年,原子的存在已经得到广泛而理性的认同。那些对原子理论持批判态度的人士在越来越多的证据面前闭上了嘴巴,而这些证据中有两个是最为关键的,其中一个是爱因斯坦关于布朗运动的理论解释被证实,而另一个就是卢瑟福所发现的不同元素之间可以通过放射现象实现转化。在以前的几十年中,很多杰出的物理学家和化学家都否认原子的存在,而同时大家最为认同的有关原子的描述是汤姆森所提出的梅子布丁模型(Plum-pudding Model)。

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1903年,汤姆森提出了一种原子模型,即原子应该是一个质量为零的带正电荷的球体,被带负电荷的电子(汤姆森在六年前发现了电子)所包围着,就像是浸在布丁里的梅子一样。由于正电荷的存在,电子之间的排斥力彼此抵消掉,因而不会将原子撕裂。汤姆森认为,对于任何元素而言,其原子所拥有的电子是以一系列同心环状进行分布的,且该分布模式是独一无二的。他提出正是由于其电子的数目及分布模式的差异能让金和铅这样的金属之间相互区分。但是,在汤姆森所提出的原子模型中,只有电子是有质量的,因此哪怕是最轻的原子也必须包含成千上万个电子。

恰好在100年前的1803年,英国化学家约翰·道尔顿(John Dolton:1766~1844)首先提出了任何元素的原子都具有自己独特的重量,从而能藉此与其它原子相区分。由于无法直接观测原子的重量,道尔顿只能通过分析化合物中不同元素所占的比例来估算其相对重量。首先,他需要一个参考点。氢是已知的最轻的元素,道尔顿因此设定其原子重量为1,则其它各种元素的原子重量都可以依据氢原子相应地固定下来。

汤姆森在研究了包括X射线和β粒子在内的很多原子实验结果后,意识到自己的原子模型是错误的,他高估了电子的数目。根据他的最新计算结果,原子拥有的电子数目不能超过由其原子重量所决定的一个定值。不同元素所拥有的电子数目还只是一个未知数,但第一步可以先确定一个最高值,至少这是一个正确的方向。原子重量为1的氢原子可能仅仅拥有一个电子,但是,原子重量为4的氦原子则有可能有二、三甚至是四个电子,对于其它元素也存在类似的推断。

(相对于汤姆森以前所提出的旧模型,)电子的数量大幅度下降,这就说明原子的大部分质量应该是来自于那个带有正电荷的球体。汤姆森当初提出原子模型时,主要是为了保证原子的稳定性和中性,但在这电光火石的一刹那间,他头脑中的这个模型终于接近了它的真实面目。然而,这个改进的新模型既无法解释α粒子的散射效应,也无法给出任一原子中的电子的准确数目。

【原创翻译】第三章·金子般的丹麦人(3)


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通宝推:桥上,青颍路,逍遥清风,
最后于2018-09-28 06:41:08改,共1次;
2018-09-26 09:23:10
2018-09-26 20:13:09
4368469 复 4368375
fingerlakefingerlake`60521`/bbsIMG/face/0000.gif`70`951`386`8435`从七品上:朝散郎|翊麾校尉`2010-08-13 22:30:54`0
其实到了1912年,大多数人还不知道氢原子里面有几个电子 2

玻尔能够拿到1922的诺贝尔奖,就是猜对了氢原子中有一个电子,这是玻尔模型成功的第一步。当时绝大多数的人根本搞不清氢原子里面有几个电子。有时候诺贝尔奖就是这样,在别人的糊涂的时候首先想明白了,然后就得奖了。


2018-09-26 20:13:09
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