解读《上帝掷骰子吗》4、物理世界的大混乱
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解读《上帝掷骰子吗》4、物理世界的大混乱

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如果说这世界上只有一本书能让我搞懂量子理论的话,那就是它了。让我们一起回到当年,沿着量子论走过的道路展开一次奇幻探险。

上期节目我们说到,热力学之父开尔文,在著名的乌云演讲中提到了两朵小小的乌云,其中一朵是黑体辐射实验,他引爆了量子论革命。

物体辐射的频率与温度之间存在函数关系,当时科学家们分别从粒子和电磁波两个角度出发,推导出了两套公式。可是一套只对短波有效,另一套只对长波有效,没办法协调统一。

1900年,普朗克已经研究黑体问题有6年之久,一天下午他灵光乍现,决定放弃理论推导,直接用数学的方法拼凑出一套适用于所有波长的公式,于是得到了普朗克黑体公式。

而这套公式背后的物理意义想要成立,必须有一个前提假设,能量在传递的时候不能是连续的,而是一份一份的,要有一个最小单位,于是量子诞生。

但是,这个假设等于是直接移走了经典物理大厦的地基,量子之父普朗克自己都认为这是不可接受的,因此一再强调,量子并非物理事实,而仅仅只是为了方便计算的假设。量子虽然降生,却备受冷落。

1905年,爱因斯坦用量子论解释了光电效应,提出了光量子假说。光的本质到底是微粒还是波,争论又陷入到长期的僵持状态。

1911年,第一节索尔维会议召开,全世界最顶尖的24位科学家齐聚布鲁塞尔,从这个时开始,量子就真正来到物理世界舞台的正中央。

说到这里,尼尔斯·玻尔就要登场了,他为量子力学的发展做出了奠基性的贡献,更是哥本哈根学派的创始人。1885年,玻尔出生在丹麦。1903年,18岁的玻尔进入哥本哈根大学攻读物理。8年之后,26岁获得博士学位的玻尔渡过英吉利海峡,来到英国剑桥大学继续深造。

一次非常偶然的机会,玻尔结识了刚刚从第一节巫师盛会上归来,同时也是自己十分仰慕的科学家卢瑟福。

两人是一见如故,相谈甚欢,随后玻尔便转战曼切斯特,加入了卢瑟福的实验室。当时卢瑟福在一个物理问题的研究上取得了不小的成功,这个课题是关于原子的。

早在古希腊时期,就有哲学家猜测,万事万物都是由原子这个最小单元组成的。在19世纪初的时候,科学家们证实了原子。那原子还可以再分吗?可以。在1897年,英国科学家在原子中找到了电子,它带负电,是目前我们所找到的,这个世界上最小的存在了。

因为电子带负电,而原子整体呈现电中性,因此当时人们提出了葡萄干蛋糕结构的原子模型。电子就像很小的葡萄干,塞在带正电的物质中,整个就是原子。

但是这个结构模型很快就被推翻了,因为卢瑟福。他做了一件什么事情呢?他用带正电的阿尔法粒子去轰击一张极薄的金箔。如果按照葡萄干蛋糕模型,那应该部分被反弹,部分穿透。可结果却是绝大部分粒子都穿过去了,只有极少部分反弹了回来。

这说明原子内大部分都是空的,只有当粒子打到那很小的同样带正电的硬核的时候,才会被反弹回来。

因此我们在中学物理教科书上看到的原子模型,就是卢瑟福提出的,和我们的行星系统很像,原子核在中间就像是太阳,而电子则像行星围绕着原子核运动。

卢瑟福这个人,我们有必要多说两句。他自己是一位伟大的物理学家,这毋庸置疑。同时他还是一位非常伟大的物理导师。他用自己敏锐的眼光去发现那些天才,再以伟大的人格去关怀他们,挖掘出他们的潜力。卢瑟福身边的助手和学生,后来都成长得非常出色,其中不乏卓越之才。

他一生培养出了10位诺贝尔奖得主,其中最出名的像是20世纪最伟大的物理学家之一,我们马上就要说的玻尔,量子论创始人之一的狄拉克等等。

卢瑟福的实验室,被后人称为诺贝尔奖得主的幼儿园。他的头像被印在新西兰的百元大钞上,作为国家对他最崇高的尊敬和纪念。

卢瑟福的行星系统模型,当时是一个巨大的进步,但是这个模型存在一个没法解释的问题。就是根据麦克斯韦理论,这个系统是极其不稳定的,带负电的电子围绕带正电的原子核运动,过程中无可避免的要释放出电磁辐射,导致电子失去能量,最终坠毁在原子核上。

原子会因为自身的坍缩而在瞬间毁于一旦。可我们之所以还能在这儿讨论这个问题,就说明世界并没有因为原子的坍缩而毁灭掉。

于是这个问题就摆在了玻尔面前,要么放弃卢瑟福的模型,要么放弃伟大的麦克斯韦理论。这是不是很像当年普朗克面对黑体辐射问题,以及爱因斯坦面对光电效应时的情况?他们都是通过引入量子化,来解决问题的。

还记得普朗克的量子假设,能量的传递是一份一份的,不连续的。爱因斯坦也认为光是由光量子组成,能量不可叠加,一个光量子对应打出一个电子。

玻尔呢?他面对原子内部结构的问题,也引入了量子化假设。当进入到原子的微观世界之后,在这个地方,我们在宏观世界所得到一切常识都不管用了,接下来同学们需要展开足够的想象力,试着去体会这个光怪陆离的奇境。

玻尔假定,因为能量的传递是量子化的,所以电子对于原子核的相对距离也是量子化的,这个距离可以是1可以是2可以是3,但是不能在1和2之间,2和3之间。当电子处在这些地方的时候,它就是稳定的,也就是处在稳态之中,因此整个系统也就不会崩溃,这叫做稳态假设。

他的这个稳态是什么意思呢?就像是我上楼梯,我可以上一级台阶,可以上两级台阶,我站在楼梯上的状态就是稳定的,但是我绝对不会处在1.5级台阶的地方,否则我不就悬空了吗?

同时玻尔也允许电子在各级轨道之间转换,称之为跃迁假设。但是跃迁的也是一种量子化的行为。比方说,我从3楼做电梯到1楼,必然要经过2楼,并且是经过空间中每一个点,我的运动轨迹一定是连续的。而电子的跃迁是不连续的,就很像是游戏中的闪现。电子在3楼突然消失,与此同时在1楼突然出现。

为什么会有这种神奇的想法?因为能量的获得与释放是量子化的,那么因为能量变化而带来的位置改变也就是跳跃,不连续的。

当年,玻尔的理论非常成功。它可以很好的解释观察到的氢原子内部的行为,也因此获得了1922年的诺贝尔物理学奖。

在他获得或将之前的1919年,应普朗克的邀请,玻尔访问了战后的柏林。在那里普朗克与爱因斯坦热情的接待了他。量子力学三大巨头坐在了一起展开了讨论。玻尔就说电子在轨道间的跃迁是不可预测的,爱因斯坦对此大摇其头,认为任何的物理过程都是确定的和预测的。在这里就已经埋下了两个人旷日持久争论的种子。

又过了两年,玻尔回到哥本哈根,组建研究所,他自己担任所长。玻尔的人格魅力像磁场一样,吸引各地才华横溢的年轻人向这里涌来,在玻尔的主导之下,凝结成了一种富有激情、活力与进取的哥本哈根精神。不久,这里就成了物理学界人们眼中的圣地,深渊的影响着量子力学的未来。

但是,玻尔原子模型理论的寿命竟然非常的短,仅仅13年它就过时了。

一方面,在玻尔的理论中,虽然引入了量子论,但和经典理论还是没有决裂,他始终想把二者调和起来。后人评论玻尔理论,常会说它是半经典半量子的。在玻尔模型中,电子就如同一位变脸大师,当在单一轨道上运行的时候,表现出了经典力学的面孔,而一旦轨道变换,立刻就成了量子化的模样。

当然,更重要的是因为它本身还不够完备,虽然能很好的解释氢原子,但是面对更加复杂的原子就束手无策了。

量子论革命,实际上是一场非常彻底的革命,只有完全与旧的理论割裂之后,才能真正理解量子带给我们的意义。1920年代,是物理史上最伟大的黄金年代之一,很快,一批更加年轻,更加富有朝气的天才即将出现。

接下来我们又要说回波粒战争了,第三次波粒战争进入高潮,竟然是因为一个年轻人的推波助澜。

故事是这样的,有一位年轻的法国人,叫做德布罗意。他们家族从17世纪开始就为法王服务,祖先中出了很多的将军、元帅和部长,所以他们家族被授予公爵称号,德布罗意他爸还当过法国总理。

年轻的德布罗意本来是学历史的。话说他哥哥作为物理学家参加了1911年第一届索尔维巫师盛会,把会议记录带回了家里。德布罗意看到了这些令人激动的科学思想之后,热情完全被激发了出来,于是半路出家,转投物理学的怀抱。读到博士毕业的时候,要写博士论文了。

德布罗意认真学习了爱因斯坦通过光量子假说来解释光电效应的理论之后,他想着,既然爱因斯坦可以认为作为电磁波的光具有粒子性,那我是不是能反过来,一个电子,一个实物粒子,它是不是也能具有波动性呢?德布罗意提出了物质波假设,所有物质其实都是波。

于是他从爱因斯坦的理论出发,把推导证明过程写成了论文,交给了自己的导师。最戏剧性的故事情节是来了,他的论文仅仅就写了两页纸,导师一看怒了,哪里有人博士论文只写两页纸的?德布罗意说我不管,多了我也写不出来,你看着办吧。

他的导师怎么办呢?人家可是公爵,惹不起啊。于是想了个办法,把这两页纸直接寄给了爱因斯坦,说我有一位学生叫德布罗意。他发展了你的光电效应理论,说粒子也有波动性,你看看对不对。如果你说对,那么他就能毕业。如果能顺利毕业,他是法国公爵,那以后你来法国肯定很受欢迎。言下之意如果你说他不对,那么以后法国你也就不用来了。

爱因斯坦多聪明啊,一看那他说的很有道理啊,于是回了一封信。拿着爱因斯坦的回信,德布罗意就毕业了。

毕业之后德布罗意的工作就和物理没啥关系了,成天游手好闲。过了几年,要颁发诺贝尔奖了,突然发现德布罗意说的是对的,于是把奖给了他。他是世界上第一个凭借博士论文拿到诺奖的人。

怎么样?这个故事是不是非常的有趣,但其实完全是杜撰的。德布罗意不是不学无术的官二代,而是一位极具洞察力的科学家。导师确实把他的大胆见解交给爱因斯坦点评,爱因斯坦是赞赏有加,称德布罗意是揭开了大幕的一角。整个物理学界在听到爱因斯坦的评论之后大吃一惊,这才开始全面关注德布罗意的工作。

之前我们说玻尔的原子模型,强行规定了电子的量子化行为,但却没法解释为什么会这样。而德布罗意提出的物质波,就可以为玻尔模型提供理论解释。

更重要的是,德布罗意还做了预言,既然粒子是具有波动性的,那么就一定可以观察到实物粒子的干涉和衍射现象。但是因为实物粒子的波长太短了,现象非常不明显,很难被观测到,但理论上是一定存在的。

后来在1927年,人们真就观察到了电子的衍射现象,证实了德布罗意是正确的。

确实,科学研究大多数时候都是非常辛苦的,绝大多数能拿诺奖的人,都是做了很多的试验与推演。相比之下,德布罗意所做的工作确实轻松很多。他从爱因斯坦的理论出发,解释了玻尔的量子化理论,并且预言了电子的干涉与衍射现象,最终又被玻恩的概率波所解释,概率波这当然是后话了。

其中提到的每一样都是诺贝尔物理学奖的成果,而德布罗意的物质波理论则像是一座桥梁,把他们全部都给链接了起来。

德布罗意的物质波理论一提出,物理界一片哗然。微粒与波动这两只军队一直都僵持不下,电子竟然是一个波的爆炸性新闻很快就传遍了双方的阵营。光到底是什么似乎还有余地慢慢讨论,而电子呢?我们世间的一切都是原子组成的,那这问题可就大了去了。不仅仅是光的本质,如今整个物质世界都陷入到了波动与微粒的战争之中。第三地波粒战争被推向了高潮,熊熊战火燃遍了物理世界的每一个角落。

物理学真正走到了一个十字路口。众人迷茫而困惑,不知道前途何去何从。长期的波粒战争让物理学的基础处在崩溃的边缘,人们甚至都不知道自己到底是站立在什么东西之上。

当时有一个非常流行的笑话,说理学家们不得不在每个星期的一三五把世界看成是粒子的,在二四六又把世界当成波。那星期天呢?他们也不知如何是好,因此只能在家里默默的向上帝祈祷。

但是,我们也无需过多担心,这样的混乱很像是黎明前的黑暗。物理学很快将会迎来自己的曙光。幸运的是,就像当年卢瑟福遇到了自己的接班人玻尔,而玻尔也将遇到自己的接班人,他是谁?后面的故事又将如何?我们下期节目接着聊。

好了,今天我们就先聊这么多。如果我有帮助到您,也希望您愿意帮助我,一个人能走多远,关键在于与谁同行,我用跨越山海的一路相伴,希望得到您用金钱的称赞。

愿生活中所有的美好都不被辜负,晓店期待您的光临。我是晓书童,我在晓书童频道与您,不见不散。

6条评论
  • 苏菲的世界1

    语速有点太快了,听这类书应该有点思考时间
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    2022-03-11 07:46

    看透一切的穷人 回复 @苏菲的世界1: 非常有趣的文章,但语速确实有快了

  • 听友36449718

    讲的挺好,但是理科不好的我听不太懂啊。。
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    2022-02-07 22:04
  • 六月初六星期六

    非常亲人的科普有声
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    2022-01-19 07:17
  • 李B刀

    德布罗意的论文并不是两页纸,以讹传讹了,现在我们仍然可以在网上下载一个81页的英文版PPT
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    2022-05-09 10:09
  • 陈亮通

    不懂
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    2022-09-29 00:57