量子力学的八大护法金刚
2017-11-19 09:59:50
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作者: 李韵阁 

来源:机器人小妹

1900年,物理大厦建成的一片繁盛背后,量子幽灵开始从老绅士普朗克的方程中脱胎出来,游荡于欧洲上空,以其与生俱来的革命性与破坏性,毫不留情地将20世纪物理学构筑起来的精密体系砸成废铁,千百年来不变的公理被扔进垃圾箱中不得翻身。这反叛而躁动的幽灵,每走一步都向旧世界的体系发出质疑,每走一步都将自己弄得遍体鳞伤。它没有牛顿力学熠熠闪光的个人天才光辉,却以一种不畏霸权的叛逆精神,吸引整整一代的精英共同促成它的光荣,汇聚精英中的八大金刚穷极一生为它保驾护航。

NO.1
玻尔
坐标:哥本哈根研究所
天赋技能:原子辐射理论
量子榜单:玻尔模型

量子幽灵有如神话中的英雄海格力斯,一出生就被抛弃在荒野里,它的创造者普朗克抛弃它后,还四处告诫世人,在引用普朗克常数h时,不到万不得已,千万不要胡思乱想。好在,玻尔骨子里天生具有探险家的气质,爱刺激,对神秘幽灵好奇万分,又爱挑战,大逆不道地试图去推翻麦克斯韦体系,整天怀疑电磁理论是否能作用于原子。

1913年,这份原子悸动终于在巴耳末公式的启发下,以《论原子和分子的构造》、《单原子核体系》和《多原子核体系》三部伟大的论文“交响曲”,奏响了量子物理历史上划时代的到来,一个完整的关于量子的理论体系第一次被建造起来。

玻尔的电子轨道模型,非常有说服力地解释了原子的性质和行为,它的预言和实验结果基本上吻合得丝丝入扣。在不到两年的时间里,玻尔理论便取得了辉煌的胜利,动摇了延绵几百年的经典物理根基,使全世界的物理学家们都开始接受玻尔模型。

尽管,后来玻尔体系的衰落和它的兴盛一样迅猛,但玻尔驱动的这股原子潮流,早已不可阻挡,在哥本哈根和哥廷根,物理天才们兴致勃勃地谈论着原子核、电子和量子,写满了公式和字母的一页页手稿承载着灵感和创意,交织成一个大时代到来的序幕。

NO.2
德布罗意
坐标:巴黎大学
天赋技能:波粒二象性
量子榜单:德布罗意方程组

德布罗意,这个与世无争的工作狂人,出生于名门望族,却清心寡欲,打了一辈子光棍,终生未娶,与物理结缘,认物理为伴,过着平俗简朴的生活。学业生涯,曾以一篇毕业论文斩获诺贝尔奖,以“波粒二象性”解放了电子,以德布罗意方程组划定了现代量子力学的里程碑。

20世纪20年代,当玻尔理论因无法解释为什么电子有着离散的能级和量子化的行为,而深陷在泥潭里无法自拔之时,新的颠覆者已然诞生。两耳不闻窗外事,整天待在巴黎大学图书馆的德布罗意经常思考着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。电子在玻尔的硬性规定下,不情不愿地乖乖臣服于量子化模式的样子,实在让德布罗意心生怜悯,他渴望能将电子解救出来,赋予被奴役的电子一个基本的性质,让它们拥有公民的自主权,自觉地表现出种种周期和量子化现象。

后来,在爱神相对论的点拨下,德布罗意通过一系列推导,直接断言:“电子就是一个波。”结论一出,连爱神都忍不住赞叹,德布罗意的波粒二象性“揭开了大幕的一角”,物理界各士,则无不震惊折服。此后,德布罗意方程组的出现,更是让为量子理论争论不休的各大佬们握手言欢,量子幽灵第一次被有效收服了。

NO.3
海森堡
坐标:哥本哈根研究院
天赋技能:测不准原理
量子榜单:矩阵力学

号称继爱神之后,最有作为的科学家之一的海森堡,与爱因斯坦年幼呆头呆脑,遭老师厌恶不同。海森堡自小天资聪慧,多才多艺,且文理通杀,是一典型的好学生,长大后不仅得导师波恩喜爱,还被玻尔赏识,亲笔书信,邀请至哥本哈根研究所访问学习。

话说,这次访问对海森堡可影响不小,哥本哈根学派里浓浓的“量子气氛”,与玻尔等大咖的碰撞交流,都大大地刺激了海森堡,使他投身于量子体系的构建当中,后来,成功地以矩阵力学构建起了新的量子力学。

1925年,染了花粉热的海森堡远离喧嚣地来到小岛赫尔格兰休养,在那里,他发明了一种古怪的不遵守交换率的矩阵乘法I×II6=II×I,试图沿着这条奇特的表格式道路去捉捕量子幽灵,很快,他在运用矩阵规则到经典的动力学公式里去时,成功地把玻尔和索末菲旧的量子条件改造成了新的由坚实的矩阵砖块构造起来的方程,并自然而然地推导出量子化的原子能级和辐射频率。

如果说矩阵力学建立起的新量子力学,刷新了量子界的新记录,那么,1927年,海森堡提出的著名的“测不准原理”则为整个科学界树立了新世界观。过去的决定论,在微观体系里顿然失效,测不准原理迫使科学家们不得不抛弃过去严格的物质因果观。在量子的世界里,一切都是不确定的,上帝或许真的在掷骰子。

NO.4
波恩
坐标:哥本哈根研究院
天赋技能:晶格动力学
量子榜单:《论量子力学II》

相较于20世纪风起云涌的其他天才少年,波恩可谓是大器晚成,40多岁才获诺贝尔大奖,不过,在量子幽灵成型的历程中,他却同样功不可没。

作为量子的革命派,旧量子理论的摧毁者,波恩认为旧量子论本身内在矛盾是根本性的,为公理化的方法所不容,构造特性架设的办法只是权宜之计,新量子论必须另起炉灶,用公理化方法从根本上解决问题。

于是,当海森堡同波恩分享他在小岛上的所想所思时,波恩深深地被那古怪的矩阵方程给迷住了,并当即召寻搭档,力求用严整的数学形式全面系统地阐明海森伯的理论。最后,波恩与约旦当、海森堡三人共同发力,以《论量子力学II》建立了新量子力学的宏伟大厦。

NO.5
狄拉克
坐标:剑桥卡文迪许实验室
天赋技能:捕捉正电子
量子榜单:狄拉克方程

杨振宁曾评:狄拉克的文章给人“秋水文章不染尘”之感,没有任何渣滓,直达深处,触及宇宙之奥秘。

文如其人,堪称理工科标本级人物的狄拉克,生性孤僻,不善言谈,遗世而独立,视功名为粪土,且天赋异禀,智力超群。当波恩和约尔当还在苦心孤诣地钻研繁复的矩阵力学,埋头苦干地搬运着庞大而沉重的表格式方砖时,狄拉克仅凭一己之力,以他独行侠望眼欲穿的本领,轻而易举地穿透繁琐的表格,直取海森堡体系里的精髓,用动力学中的“泊松括号”建立新的相连代数“q数”与“c数”,搞定了海森堡需要合众人之力、进行大量数学运算的矩阵力学。

尽管一直一人独闯量子江湖,但狄拉克却以一当十。他提出的狄拉克方程,成功地发现了正电子,预言了“反物质”的存在,为物理帝国打开了一个“新大陆”。玻尔和爱因斯坦因此而握手言欢;量子界的大佬们因此而更好地认知了真空;化学界则借此圆满地解释了元素周期律,用它巩固整个化学的基础。

NO.6
薛定谔
坐标:阿罗萨
天赋技能:虐猫
量子榜单:波动方程

不同于狄拉克不解风情、不谙世事,薛定谔天性风流倜傥,且是个虐猫达人。其试图意淫证明宏观条件下的不完备性,而进行的脑洞大开的“猫思想实验”,让那只猫饱受着“不生不灭”的尴尬状态,至今仍为全世界人民所驻足围观。

但这虐猫达人也并非是个花心大萝卜,做起事来还是用情至深的。当海森堡用抽象难懂的“矩阵力学”为难世人时,薛定谔则精力充沛地投入到德布罗意波中,用珍珠塞着耳朵,整天埋头捣鼓,从经典力学的哈密顿—雅可比方程出发,利用变分法和德布罗意方程,求出了名震整个20世纪物理学史的薛定谔波函数,完成量子力学的大一统。

NO.7

埃弗雷特
坐标:美国国防工业部
天赋技能:时空穿梭
量子榜单:平行宇宙

想象一下,除了每天生活在地球上的你,其实还有另外一个相同的你,在宇宙的另外一个星球里生活着,你们的时间线相背而行。于是,你沿着地球的时间线不断变老的同时,另一个你却在不断地变年轻,这可能吗?

埃弗雷特告诉你可能。

关于埃弗雷特,大多数人闻所未闻,他也长期不被物理学界所待见,但他大胆的“多世界解释”带来的平行宇宙遐想,却不容任何人忽视,并且把量子力学推向了一个新维度。

20世纪50年代,埃弗雷特勇敢地挑战量子界的泰斗玻尔对量子力学的解释,反对修改薛定谔方程,认为不同的叠加态在遇到宏观物体时不会发生坍缩,宇宙中的每一个事物都以薛定谔方程给出的波动力学方式运动。在他看来,我们看到的类似坍缩的现象只不过是因为我们本身也是量子世界的一部分,因此也处于不同的叠加态中。

由此,埃弗雷特前卫地提出了“多世界解释”,认为量子理论为现实世界提供了它自己的解释,即宇宙分裂成了多个平行的世界。

NO.8
爱因斯坦
坐标:瑞士专利局
天赋技能:光电效应
量子榜单:EPR佯谬

光究竟是什么?

当时,面对如天神般高高在上的麦克斯韦理论,人们认为光是一个电磁波的波动。

但史上最牛逼的公务员爱因斯坦,在专利局清闲养生的同时,却敏锐地观察到光电效应和电磁理论存在着不协调之处。实验表明,增加光的强度只能打击出更多数量的电子,与电磁理论相悖,无法增加电子的能量。如果要打击出更高能量的电子,则必须提高照射光线的频率。

提高频率,提高频率!

在这一瞬顿悟之中,爱神通过普朗克的E=hv推导出Ekm=hv-W0,提出了光量子假说,用以解决光电效应与电磁理论的矛盾之处,并以此向经典物理体系发出了挑战,奠定量子论的基石。

不过,晚年,爱神却对他20多岁时的奇思幻想产生强烈质疑,他不相信上帝在和宇宙投骰子,对这横空出世的量子幽灵,始终保持着警惕状态。于是,他整出了个杀手锏“EPR佯谬”来质疑量子力学对物理实在的完备描述。对此,玻尔等人毫不示弱,以测量仪器与客体实在的不可分性为由,否定了EPR实验的悖论性质。

历史难得与爱神开了个玩笑,以“EPR佯谬”反向助力地推动了量子力学的发展,由此,物理帝国掀起了量子力学新理论、新学派的新大浪。

结语
上帝会掷骰子吗?

20世纪初,牛顿构建而起的经典力学大厦,让物理学界几乎所有人都欢呼雀跃,人们天真地认为物理大厦已修建完毕,只需再添添补补即可,对量子力学的诞生则恐惧万分,堪称“神学”,因其一切的不确定性打破了我们的所有习惯。爱因斯坦说上帝不会掷骰子,但玻尔的反问更有意思:你怎么知道?

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