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发信人: yanyanyan (风), 信区: Physics
标  题: 物理学和哲学 - 第二章量子论的历史
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月28日14:42:27 星期四), 站内信件

发信人: cathermit ( 老 猫), 信区: physics
标  题: 物理学和哲学 - 第二章量子论的历史
发信站: BBS 曙光站 (Tue Jun 26 00:52:13 2001)

    量子论的起源是和一个大家熟悉的现象相联系的，这一现象并不属于原子物
    理学的中心部分。任何一块物质在被加热时，都会开始发光，并在较高温度下达到
红热和白热。发光的颜色与材料表面关系不大，而对于黑体，则只与温度有关。
    因此，这样一个黑体在高温下发出的辐射是物理学研究的适当对象；它是一个简单
的现象，并且应该可以根据已知的辐射和热学定律找到一个简单的解释。但是，瑞利勋
爵（Lord Rayleigh ）和琼斯（Jeans ）在十九世纪末所作的努力却失败了，并且揭示
了种种严重的困难。这里无法以简单的词句描述这些困难。但只要指出他们应用已知定
律不能导出合理的结果这一点，应该也就够了。当普朗克（Planck）在1895年进入这条
研究路线时，他试图将问题从辐射转到辐射原子方面。这种转换不能消除问题中固有的
任何困难，它只简化了经验事实的解释。正当这个时候，即在1900年的夏天，库尔包姆
（Curlbaum）和鲁本斯（Rubens）在柏林对热辐射光谱作了很准确的新测量。当普朗克
听到这些结果时，他试图根据他对热与辐射的一般联系的研究，用简单的、看来好象是
合理的数学公式来表示它们。有一天，普朗克和鲁本斯在普朗克家中喝茶，他们将鲁本
斯的最新结果和普朗克提出的新公式作比较。比较的结果表明二者完全相符。这就是普
朗克热辐射定律的发现。
    
    就在这个时候，普朗克开始了艰巨的理论工作。什么是新公式的正确物理解释呢，
既然普朗克能根据他以往的工作把他的公式毫不费力地翻译成关干辐射原子（所谓振子
）的陈述，那么他一定很快就发现了，他的公式似乎表明振子只能包含分立的能量子—
—这个结果与经典物理学中任何已知的东西是那么不同，似致他在开始的时候一定会觉
得难以相信。但是，在1900年夏天最紧张的工作时期中，他终于确信无法避免这个结论
。普朗克的儿子曾说，他的父亲曾在通过柏林近郊的森林——绿林的漫长的散步中谈到
了他的新观念。在这次散步中，他解释说，他感到他可能已经完成了一个第一流的发现
，或许只有牛顿的发现才能和它相比。所以，这个时候曾朗克一定认识到了，他的公式
已经触动我们描述自然的基础，并且有朝一日，这些基础将从它们现有的传统位置向一
个新的、现在还不知道的稳定位置转移。普朗克由于在整个世界观上是保守的，他根本
不喜欢这个后果，但他还是在1900年12月发表了他的量子假说。
    
    能量只能以分立的能量子发射或吸收，这个观念是这样新奇，以致它不能适合物理
学的传统框架。普朗克企图把他的新假说和老的辐射定律调和起来的尝试，在几个根本
点上都失败了。这一尝试花了五年时间，直到能够朝新方向迈出第二步时为止。
    
    这时候出现了年轻的阿耳伯特。爱因斯坦（Albert Einstein ），物理学家中的一
个有革命性的天才，他不怕进一步背离旧的观念。他在两个问题中应用了新观念。一个
就是所谓光电效应，即金属在光的作用下发射出电子。许多实验——特别是勒纳（
Lenard）的那些实验——都表明，发射电子的能量与光的强度无关，而只与光的颜色有
关，更准确地说，即只与光的频率有关。根据传统的辐射理论，这是难以理解的。爱因
斯坦将普朗克的假说解释为光是由穿过空间的能量子组成的，这样，他就成功地解释了
上述的观测结果。按照普朗克的假说，一个光量子的能量应当等于光的频率乘以普朗克
常数。
    
    另一个问题是固体的比热。从传统理论推导出来的比热值与高温时的观测记录相符
，但在低温肘就不相符了。又是爱因斯坦成功地指出，将量子假说应用到固体中原子的
弹性振动上去，就可以理解这种性状。这两个结果标志了一个很重要的进展，因为它们
表明，普朗克的作用量子（在物理学家中称为普朗克常数）
    也出现在若干与热辐射并无直接关系的现象中。同时，它们还揭示了新假说的深刻
的革命性，因为第一个问题导出了与光的传统的波动图象边然不同的描述。光既可以按
照麦克斯韦的理论解释为由电磁波所组成，又可以解释为由光量子，即由以高速穿过空
间的能包所组成。但是，是否两种解释都成立呢？爱因斯坦当然知道，著名的衍射和干
涉现象只有根据波动图象才能解释。他不能消除这个波动图象和光量子观念之间的根本
矛盾；他甚至也不企图消除这种解释的不一致性。
    他只是简单地把这种矛盾看作是某种大概只有在很久以后才能弄清楚的东西。
    
    在这期间，贝克勒耳（Becquerel ）、居里（Curie ）和卢瑟福（Rutherford）
    的实验，对原子结构的问题作了某种程度的澄清。1911年，卢瑟福认他对穿过物质
的alpha 射线与物质的相互作用的观测，推导出他的著名的原子模型。原子被怎么样的
呢？人们能够看到电子通过一个云空，有时它们是从一个原子中打出来的；为什么它们
不再运动到原子之中去呢，确实，在原子的正常态即最低能态中，电子或许可能是静止
的。但是还有许多较高的能态，在这些态里电子壳展有一个角动量。那里的电子不可能
是静止的。人们还能够举出许多类似的例子。人们一而再、再而三地发现，用物理学的
传统术语来描述原子事件的企图，结果总是导致矛盾。
    
    到二十年代的初期，物理学家们逐渐变得习惯于这些困难了，他们得到了关于麻烦
会在哪里发生的某种模糊的知识，并且还学会了回避矛盾。他们知道，对于所探讨的特
殊实验，关于原子事件的哪一种描述是正确的。这虽然还不足以为一个星子过程中所发
生的一切构成一幅前后一致的一般国象，但它是这样地改变了物理学家们的见解，以致
他们多少领会了量子论的精神。因此，甚至在人们建立起前后一致的量子论形式系统以
前的相当时期，人们就已多少知道～些实验的结果将是个什么样子。
    
    人们常常讨论到那种所谓理想实验。这样的实验是被设计来回答判决性的问题的，
不管它们实际上是否能够实现。当然，重要的是原则上应当能够实现这个实验，但在技
术上可能是极端复杂的。这些理想实验在澄清某些问题方面是十分有用的。如果物理学
家们对某个理想实验的结果没有～致的意见，那就常常可以找到一个与之相似但更为简
单的能够实现的实验，从而使实验答案能从基本上对量子论的阐明有所贡献。
    
    那几年有一个最奇怪的经验：在阐明过程中，量子论的佯谬并没有消失；恰恰相反
，它们甚至变得更为显著，更加激动人心了。例如，康普顿（Compton ）
    有一个关于X 射线散射的实验就是这样。在以往关于散射光干涉的实验中，散射无
疑地主要以下列方式发生：入射光波使得处于光束中的一个电子以光波的频率振动；然
后振荡的电子发出一个同样频率的球面波，从而产生了散射光。然而康普顿在1923年发
现，散射出来的X 射线的频率与人射X 射线的频率不同。假设散射是用跪无线电波那样
的三维波，而是在多维位形空间中的波，因而是颇为抽象的数学量。
    
    即令在这个时候，即在1926年夏天，在各种情况下应当怎样使用数学形式系统来描
述给定的实验状况，也还是没有搞清楚。人们知道怎样描写一个原子的定态，但不知道
怎样描述一个简单得多的事件——例如通过云室的一个电子。
    
    当薛定谔在那个夏天证明了他的波动力学形式系统在教学上等价于量子力学以后，
他一度试图全部放弃量子和“量子跳变”的观念，并简单地用他的三维物质波来代替原
子中的电子。他当时热衷于这种尝试是由于他得到了一个成果，即在他的理论中氢原子
的能级似乎正好就是驻立物质波的本征频率。因此，他以为把它们叫做能量是错误的；
它们只不过是频率。但在玻尔、薛定谔和哥本哈根学派的物理学家们于1926年秋在哥本
哈根举行的讨论会中，很快就弄清楚，这样一种解释甚至还不足以解释普朗克的热辐射
公式。
    
    在这些讨论以后的几个月内，在哥本哈根对有关解释量子论的全部问题所作的紧张
研究，正如许多物理学家所相信的那样，终于对情况作出了全面的、令人满意的阐明。
但这不是一个容易被人接受的解答。我记得有一次同玻尔讨论了几个钟头，直到深夜才
几乎在绝望中结束；当讨论结束时，我独自到邻近的花园中去散步，当时我一再反复问
我自己：难道自然界真能象这些原子实验给我们的印象那么荒诞无稽吗，
    最后的解答是从两条不同的道路逐渐接近的。一条是改变问题的提法。代替这样一
个问题：“人们怎样才能够在已知的数学方案中表示出一个给定的实验状况？”提出了
另一个问题：“只有能在数学形式系统中表示出来的实验状况才能在自然中发生，也许
这是正确的？”如果假设这实际上是正确的，结果就将对自牛顿以来成为经典力学基础
的那些概念的适用范围施加限制。像在牛顿力学中那样，人们能够谈论一个电子的位置
和速度，并能够观察和测量这些量。但是，人们不能以任意高的准确度同时测定这两个
量。实际上已经发现，这样两个不准确度的乘积不应当小于普朗克常数除以粒子的质量
。从其他实验状况也能推出类似的关系。它们通常称为测不难关系，或测不准原理。人
们已经知道，老概念只是不准确地吻合自然。
    
    另一条接近的道路是玻尔的互补概念。薛定谔已经不把原子描述为一个原子核和电
子的系统，而把它描述为一个原子核和一些物质波的系统。这种物质彼图象当然也包含
一个真理的因素。玻尔把两种图象——粒子国象和波动图象——看作是同一个实在的两
个互补的描述。这两个描述中的任何一个都只能是部分正确的，使用粒子概念以及波动
概念都必须有所限制，否则就不能避免矛盾。如果考虑到能够以测不准关系表示的那些
限制，矛盾就消失了。
    
    这样，自从1927年春天以来，人们就有了一个量子论的前后一致的解释，它常常被
称为“哥本哈根解释”。1927年在布鲁塞尔举行的索尔维（Solvay）会议上，这个解释
接受了严峻的考验。对那些总是导致最坏的佯谬的实验全都再三地在所有细节上作了讨
论，特别是爱因斯坦。人们还设想了一些新的理想实验去探索理论的任何可能的不一致
性，但是这个理论被证明为前后一致的，并且对于人们所知道的一切实验，看来都是符
合的。
    
    这个哥本哈根解释的细节将是下一章的主题。应当强调指出这一点：从最初提出存
在能量子的观念到真正理解鼻子理论的定律，已经过去了四分之一世纪以上。这表明了
，在人们能够理解新情况之前，有关实在的基本概念必须发生巨大的变革。
    
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我的爱, 是长程力, 不服从平方反比律.

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