上帝掷骰子吗--量子物理史话+作者+曹天-第12章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页,按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页,按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部!
————未阅读完?加入书签已便下次继续阅读!
一位政治家,曾于1873-1874年间当过法国总理,同时也是一位出色的历史学家,尤其精于晚罗马史,写出过著作《罗马教廷史》(Histoire de l'église et de l'empire romain)。小路易斯在祖父的熏陶下,决定进入巴黎大学攻读历史。18岁那年(1910),他从大学毕业,然而却没有在历史学领域进行更多的研究,因为他的兴趣已经强烈地转向物理方面。他的哥哥,莫里斯?德布罗意(第六代德布罗意公爵)是一位著名的射线物理学家,路易斯跟随哥哥参加了1911年的布鲁塞尔物理会议,他对科学的热情被完全地激发出来,并立志把一生奉献给这一令人激动的事业。
转投物理后不久,第一次世界大战爆发了。德布罗意应征入伍,被分派了一个无线电技术人员的工作。他比可怜的亨利?莫斯里要幸运许多,能够在大战之后毫发无伤,继续进入大学学他的物理。他的博士导师是著名的保罗?朗之万(Paul Langevin)。
写到这里笔者需要稍停一下做一点声明。我们的史话讲述到现在,虽然已经回顾了一些令人激动的革命和让人大开眼界的新思想(至少笔者希望如此),但总的来说,仍然是在经典世界的领域里徘徊。而且根据本人的印象,至今为止,我们的话题大体还没有超出中学物理课本和高考的范围。对于普通的读者来说,唯一稍感陌生的,可能只是量子的跳跃思想。而接受这一思想,也并不是一件十分困难和不情愿的事情。
然而在这之后,我们将进入一个完完全全的奇幻世界。这个世界光怪陆离,和我们平常所感知认同的那个迥然不同。在这个新世界里,所有的图象和概念都显得疯狂而不理性,显得更像是爱丽丝梦中的奇境,而不是踏踏实实的土地。许多名词是如此古怪,以致只有借助数学工具才能把握它们的真实意义。当然,笔者将一如既往地试图用最浅白的语言将它们表述出来,但是仍然有必要提醒各位做好心理准备。为了表述的方便,我将尽量地把一件事情陈述完全,然后再转换话题。虽然在历史上,所有的这一切都是铺天盖地而来,它们混杂在一起,澎湃汹涌,让人分不出个头绪。在后面的叙述中,我们可能时时要在各个年份间跳来跳去,那些希望把握时间感的读者们应该注意确切的年代。
我们已经站在一个伟大时刻的前沿。新的量子力学很快就要被创建出来,这一次,它的力量完完全全地被施展开来,以致把一切旧事物,包括玻尔那个半新不旧的体系,都摧枯拉朽般地毁灭殆尽。它很快就要为我们揭开一个新世界的大幕,这个新世界,哪怕是稍微往里面瞥上一眼,也足够让人头晕目眩,心驰神摇。但是,既然我们已经站在这里,那就只有义无返顾地前进了。所以跟着我来吧,无数激动人心的事物正在前面等着我们。
我们的话题回到德布罗意身上。他一直在思考一个问题,就是如何能够在玻尔的原子模型里面自然地引进一个周期的概念,以符合观测到的现实。原本,这个条件是强加在电子上面的量子化模式,电子在玻尔的硬性规定下,虽然乖乖听话,总有点不那么心甘情愿的感觉。德布罗意想,是时候把电子解放出来,让它们自己做主了。
如何赋予电子一个基本的性质,让它们自觉地表现出种种周期和量子化现象呢?德布罗意想到了爱因斯坦和他的相对论。他开始这样地推论:根据爱因斯坦那著名的方程,如果电子有质量m,那么它一定有一个内禀的能量E = mc^2。好,让我们再次回忆那个我说过很有用的量子基本方程,E = hν,也就是说,对应这个能量,电子一定会具有一个内禀的频率。这个频率的计算很简单,因为mc^2 = E = hν,所以ν = mc^2/h。
好。电子有一个内在频率。那么频率是什么呢?它是某种振动的周期。那么我们又得出结论,电子内部有某些东西在振动。是什么东西在振动呢?德布罗意借助相对论,开始了他的运算,结果发现……当电子以速度v0前进时,必定伴随着一个速度为c^2/v0的波……
噢,你没有听错。电子在前进时,总是伴随着一个波。细心的读者可能要发出疑问,因为他们发现这个波的速度c^2/v0将比光速还快上许多,但是这不是一个问题。德布罗意证明,这种波不能携带实际的能量和信息,因此并不违反相对论。爱因斯坦只是说,没有一种能量信号的传递能超过光速,对德布罗意的波,他是睁一只眼闭一只眼的。
德布罗意把这种波称为“相波”(phase wave),后人为了纪念他,也称其为“德布罗意波”。计算这个波的波长是容易的,就简单地把上面得出的速度除以它的频率,那么我们就得到:λ= (c^2/v0 ) / ( mc^2/h) = h/mv0。这个叫做德布罗意波长公式。
但是,等等,我们似乎还没有回过神来。我们在谈论一个“波”!可是我们头先明明在讨论电子的问题,怎么突然从电子里冒出了一个波呢?它是从哪里出来的?我希望大家还没有忘记我们可怜的波动和微粒两支军队,在玻尔原子兴盛又衰败的时候,它们一直在苦苦对抗,僵持不下。1923年,德布罗意在求出他的相波之前,正好是康普顿用光子说解释了康普顿效应,从而带领微粒大举反攻后不久。倒霉的微粒不得不因此放弃了全面进攻,因为它们突然发现,在电子这个大后方,居然出现了波动的奸细!而且怎么赶都赶不走。
电子居然是一个波!这未免让人感到太不可思议。可敬的普朗克绅士在这些前卫而反叛的年轻人面前,只能摇头兴叹,连话都说不出来了。假如说当时全世界只有一个人支持德布罗意的话,他就是爱因斯坦。德布罗意的导师朗之万对自己弟子的大胆见解无可奈何,出于挽救失足青年的良好愿望,他把论文交给爱因斯坦点评。谁料爱因斯坦马上予以了高度评价,称德布罗意“揭开了大幕的一角”。整个物理学界在听到爱因斯坦的评论后大吃一惊,这才开始全面关注德布罗意的工作。
证据,我们需要证据。所有的人都在异口同声地说。如果电子是一个波,那么就让我们看到它是一个波的样子。把它的衍射实验做出来给我们看,把干涉图纹放在我们的眼前。德布罗意有礼貌地回敬道:是的,先生们,我会给你们看到证据的。我预言,电子在通过一个小孔的时候,会像光波那样,产生一个可观测的衍射现象。
1925年4月,在美国纽约的贝尔电话实验室,戴维逊(C。J。Davisson)和革末(L。 H。 Germer)在做一个有关电子的实验。这个实验的目的是什么我们不得而知,但它牵涉到用一束电子流轰击一块金属镍(nickel)。实验要求金属的表面绝对纯净,所以戴维逊和革末把金属放在一个真空的容器中,以确保没有杂志混入其中。
不幸的是,发生了一件意外。这个真空容器因为某种原因发生了爆炸,空气一拥而入,迅速地氧化了镍的表面。戴维逊和革末非常懊丧,不过他们并不因此放弃实验,他们决定,重新净化金属表面,把实验从头来过。当时,去除氧化层的好办法就是对金属进行高热加温,这正是戴维逊所做的。
两人并不知道,正如雅典娜暗中助推着阿尔戈英雄们的船只,幸运女神正在这个时候站在他俩的身后。容器里的金属,在高温下发生了不知不觉的变化:原本它是由许许多多块小晶体组成的,而在加热之后,整块镍融合成了一块大晶体。虽然在表面看来,两者并没有太大的不同,但是内部的剧变已经足够改变物理学的历史。
当电子通过镍块后,戴维逊和革末瞠目结舌,久久说不出话来。他们看到了再熟悉不过的景象:X射线衍射图案!可是并没有X射线,只有电子,人们终于发现,在某种情况下,电子表现出如X射线般的纯粹波动性质来。电子,无疑地是一种波。
更多的证据接踵而来。1927年,G。P。汤姆逊,著名的J。J汤姆逊的儿子,在剑桥通过实验进一步证明了电子的波动性。他利用实验数据算出的电子行为,和德布罗意所预言的吻合得天衣无缝。
命中注定,戴维逊和汤姆逊将分享1937年的诺贝尔奖金,而德布罗意将先于他们8年获得这一荣誉。有意思的是,GP汤姆逊的父亲,JJ汤姆逊因为发现了电子这一粒子而获得诺贝尔奖,他却因为证明电子是波而获得同样的荣誉。历史有时候,实在富有太多的趣味性。
*********
饭后闲话:父子诺贝尔
俗话说,将门无犬子,大科学家的后代往往也会取得不亚于前辈的骄人成绩。JJ汤姆逊的儿子GP汤姆逊推翻了老爸电子是粒子的观点,证明电子的波动性,同样获得诺贝尔奖。这样的世袭科学豪门,似乎还不是绝无仅有。
居里夫人和她的丈夫皮埃尔?居里于1903年分享诺贝尔奖(居里夫人在1911年又得了一个化学奖)。他们的女儿约里奥?居里(Irene Joliot…Curie)也在1935年和她丈夫一起分享了诺贝尔化学奖。居里夫人的另一个女婿,美国外交家Henry R。 Labouisse,在1965年代表联合国儿童基金会(UNICEF)获得了诺贝尔和平奖。
1915年,William Henry Bragg和William Lawrence Bragg父子因为利用X射线对晶体结构做出了突出贡献,分享了诺贝尔物理奖金。
我们大名鼎鼎的尼尔斯?玻尔获得了1922年的诺贝尔物理奖。他的小儿子,埃格?玻尔(Aage Bohr)于1975年在同样的领域获奖。
卡尔?塞班(Karl Siegbahn)和凯伊?塞班(Kai Siegbahn)父子分别于1924和1981年获得诺贝尔物理奖。
假如俺的老爸是大科学家,俺又会怎样呢?不过恐怕还是如现在这般浪荡江湖,寻求无拘无束的生活吧,呵呵。
四
“电子居然是个波!”这个爆炸性新闻很快就传遍了波动和微粒双方各自的阵营。刚刚还在康普顿战役中焦头烂额的波动一方这下扬眉吐气,终于可以狠狠地嘲笑一下死对头微粒。《波动日报》发表社论,宣称自己取得了决定性的胜利。“微粒的反叛势力终将遭遇到他们应有的可耻结局——电子的下场就是明证。”光子的反击,在波动的眼中突然变得不值一提了,连电子这个老大哥都搞定了,还怕小小的光子?
不过这次,波动的乐观态度未免太一厢情愿,它高兴得过早了。微粒方面的宣传舆论工具也没闲着,《微粒新闻》的记者采访了德布罗意,结果德布罗意说,当今的辐射物理被分成粒子和波两种观点,这两种观点应当以某种方式统一,而不是始终地尖锐对立——这不利于理论的发展前景。对于微粒来说,讲和的提议自然是无法接受的,但至少让它高兴的是,德布罗意没有明确地偏向波动一方。微粒的技术人员也随即展开反击,光究竟是粒子还是波都还没说清,谁敢那样大胆地断言电子是个波?让我们看看电子在威尔逊云室里的表现吧。
威尔逊云室是英国科学家威尔逊(C。T。R。Wilson)在1911年发明的一种仪器。水蒸气在尘埃或者离子通过的时候,会以它们为中心凝结成一串水珠,从而在粒子通过之处形成一条清晰可辨的轨迹,就像天空中喷气式飞机身后留下的白雾。利用威尔逊云室,我们可以研究电子和其他粒子碰撞的情况,结果它们的表现完全符合经典粒子的规律。在过去,这或许是理所当然的事情,但现在对于粒子军来说,这个证据是宝贵的。威尔逊因为发明云室在1927年和康普顿分享了诺贝尔奖金。如果说1937年戴维逊和汤姆逊的获奖标志着波动的狂欢,那10年的这次诺贝尔颁奖礼无疑是微粒方面的一次盛典。不过那个时候,战局已经出乎人们的意料,有了微妙的变化。当然这都是后话了。
捕捉电子位置的仪器也早就有了,电子在感应屏上,总是激发出一个小亮点。Hey,微粒的将军们说,波动怎么解释这个呢?哪怕是电子组成衍射图案,它还是一个一个亮点这样堆积起来的。如果电子是波的话,那么理论上单个电子就能构成整个图案,只不过非常黯淡而已。可是情况显然不是这样,单个电子只能构成单个亮点,只有大量电子的出现,才逐渐显示出衍射图案来。
微粒的还击且不去说他,更糟糕的是,无论微粒还是波动,都没能在“德布罗意事变”中捞到实质性的好处。波动的嘲笑再尖刻,它还是对光电效应、康普顿效应等等现象束手无策,而微粒也还是无法解释双缝干涉。双方很快就发现,战线还是那条战线,谁都没能前进一步,只不过战场被扩大了而已。电子现在也被拉进有关光本性的这场战争,这使得战争全面地被升级。现在的问题,已经不再仅仅是光到底是粒子还是波,现在的问题,是电子到底是粒子还是波,你和我到底是粒子还是波,这整个物质世界到底是粒子还是波。
事实上,波动这次对电子的攻击只有更加激发了粒子们的同仇敌忾之心。现在,光子、电子、α粒子、还有更多的基本粒子,他们都决定联合起来,为了“大粒子王国”的神圣保卫战而并肩奋斗。这场波粒战争,已经远远超出了光的范围,整个物理体系如今都陷于这个争论中,从而形成了一次名副其实的世界大战。玻尔在 1924年曾试图给这两支军队调停,他和克莱默(Kramers)还有斯雷特(Slater)发表了一个理论(称作BSK理论),尝试同时从波和粒子的角度去解释能量转换,但双方正打得眼红,这次调停成了外交上的彻底失败,不久就被实验所否决。战火熊熊,燃遍物理学的每一寸土地,同时也把它的未来炙烤得焦糊不清。
物理学已经走到了一个十字路口。它迷茫而又困惑,不知道前途何去何从。昔日的经典辉煌已经变成断瓦残垣,一切回头路都被断绝。如今的天空浓云密布,不见阳光,在大地上投下一片阴影。人们在量子这个精灵的带领下一路走来,沿途如行山阴道上,精彩目不暇接,但现在却突然发现自己已经身在白云深处,彷徨而不知归路。放眼望去,到处是雾茫茫一片,不辨东南西北,叫人心中没底。玻尔建立的大厦虽然看起来还是顶天立地,但稍微了解一点内情的工程师们都知道它已经几经裱糊,伤筋动骨,摇摇欲坠,只是仍然在苦苦支撑而已。更何况,这个大厦还凭借着对应原理的天桥,依附在麦克斯韦的旧楼上,这就教人更不敢对它的前途抱有任何希望。在另一边,微粒和波动打得烽火连天,谁也奈何不了谁,长期的战争已经使物理学的基础处在崩溃边缘,它甚至不知道自己是建立在什么东西之上。
不过,我们也不必过多地为一种悲观情绪所困扰。在大时代的黎明到来之前,总是要经历这样的深深的黑暗,那是一个伟大理论诞生前的阵痛。当大风扬起,吹散一切岚雾的时候,人们会惊喜地发现,原来他们已经站在高高的山峰之上,极目望去,满眼风光。
那个带领我们穿越迷雾的人,后来回忆说:“1924到1925年,我们在原子物理方面虽然进入了一个浓云密布的领域,但是已经可以从中看见微光,并展望出一个令人激动的远景。”
说这话的是一个来自德国的年轻人,他就是维尔纳?海森堡(Werner Heisenberg)。
在本史话第二章的最后,我们已经知道,海森堡于1901年出生于维尔兹堡(Würzburg),他的父亲后来成为了一位有名的希腊文教授。小海森堡9岁那年,他们全家搬到了慕尼黑,他的祖父在那里的一间学校(叫