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第76章 王子追电子探得微观新奥秘 数学加物理辟出力学新体系——量子力学的创立(2)

各位读者,容作者在这里插几句闲话。德布罗意和戴维逊等人证明电子是波,这实在抽象,我们这里只举一个例子就可知这个理论的威力。我们平常所以能看到东西是靠光,那是平常的光作用于物体,再反射到我们眼里。光学显微镜显示物体微小细部的能力,以所使用的光的波长短到什么程度而定。因此,放大能力最强的显微镜便使用紫外光。这好比我们撬一块大石头,要用一根粗木棍,而剔牙时却只能用一根细牙签了。好了,现在证明电子和光一样也是波,而且它的波长比紫外光要小几千倍,何不用它来代替光显示物体呢?果然,人们把电子束集中在一个焦点上,射过物体,便在荧光屏上得到一个放大的图像。1932年世界上出现第一架电子显微镜。1938年美国人制成了一架能放大3万倍的电子显微镜,而当时最大的光学显微镜也只能放大2500倍,现在人们使用的电子显微镜已经能放大到20万倍以上了。

好了,闲话暂且不提,我们还回到德布罗意的故事上来。这德布罗意假设一提出,当时大部分物理学家都抱着试试看的态度。其中有一个奥地利物理学家薛定谔(1887—1961)1926年正在苏黎世大学(就是爱因斯坦曾工作过的那所大学)任教授。有人建议他把这个假设拿到学生中去讨论,他很不以为然,只是出于礼貌,才勉强答应下来。可是当他为讨论准备介绍报告时,立即被德布罗意的思想抓住了。现在我们又要看到科学史上一次惊人的相似。这薛定谔的特长是数学很好,于是他就像牛顿总结伽利略、开普勒的成果,麦克斯韦总结法拉第的成果一样,立即用数学公式将德布罗意的思想又提高了一层,得出一个著名的“薛定谔方程”。这个方程一公布立即震惊物理界。它就像牛顿方程解释宏观世界一样,能准确地解释微观世界。它清楚地证明原子的能量是量子化的;电子运动在多条轨道上,跃迁轨道时就以光的形式放出或吸收能量;电子在核外运动有着确定的角度分布。这样,他用数学形式辟出一个量子力学新体系。同时还有一个德国物理学家海森堡从另一角度研究量子力学,提出一个矩阵力学体系。薛定谔用的是微积分形式,海森堡用的是代数形式,物理学早已不是人们靠眼看手摸形状、温度来描述,它现在要用更抽象的概念才能作出更准确的表述了。正像我们绘画时为了更准确更传神,白描反而不够,而要用写意。再说这个海森堡(1901—1976)越研究越深。最后,他发现我们虽然可以在宏观世界里准确地观察任何现象,而在微观世界里简直做不到这一点。这好比我们用一支粗大的测海水温度的温度计去测一杯咖啡的热量,温度计一放进去,同时就要吸收掉不少热量,所以我们根本无法测准杯子里原来的温度。而作为原子内的能量如此之小,任我们制成怎样精确的仪器,也会对它有所干扰。观察者及其仪器永是被观察现象的一个不可分割的部分,一个孤立自在的物理现象是永不存在的。这便是“测不准原理”。我们生活在这个物理世界,身在此山中,难识庐山真面目。

量子理论现在是越发展越深,当初的一个幼芽,现在已经渐渐长成一棵枝叶扶疏的大树。于是,1930年一批物理学家又齐集布鲁塞尔召开第六届索尔维会议,检阅1911年第一次会议以来量子理论的发展成果。这次会议的主角已不是普朗克,而是玻尔(1885—1962)。

这玻尔是丹麦人,1911年毕业于哥本哈根大学,后追随卢瑟福求学,1916年起就返回母校任教,并创办了物理研究所。他将当时世界上一批有才华的青年如海森堡、泡利等都团结到自己的身边。玻尔治学严谨,却又继承了老师卢瑟福的民主学风。他有一句名言,就是:“我从不怕在年轻人面前暴露自己的愚蠢。”

在他的研究所里一争论起学术问题,便没有长幼、师生之分。这种充分的学术民主,依靠集体的智慧,后来被称为哥本哈根精神。

玻尔身体强壮,年轻时他们兄弟二人都是丹麦国家足球队队员,所以他后来获诺贝尔奖金时,一家丹麦报纸曾有这样一条幽默的大标题:足球名将玻尔获诺贝尔物理学奖金。后来,玻尔虽已成了名人,但还时常干一点儿孩子们爱干的事情。一天晚上他和几个学生外出归来,街上静悄悄的,一个学生看到银行大楼的墙面是用水泥格子拼成,就好奇地向上爬了两层。玻尔也要逞能,说他也敢爬。

当他爬到一层高时,跑来两个警察,以为是盗贼在作案,可是走近一看,说了声:

“这不是玻尔教授吗?”便走开了。还有一次他和几个学生看电影,看到电影里的恶棍和英雄比武,总是恶棍被打死。他解释说这是因为英雄有一种自我反射,所以比恶棍动作快,学生们不服。于是他们就吵吵嚷嚷地到玩具店里买了几支手枪,在院里比武。结果玻尔真的将他们一个一个“打死”了。玻尔就像卢瑟福当年领导卡文迪许实验室一样,在哥本哈根当着孩子王,其纯朴、天真可见一斑。再说第六届索尔维会议开幕,玻尔打出的第一张牌就是“测不准原理”。他阐述道:“根据这个原理,我们要想精确地测定粒子的位置,就无法测定它的速度,反过来,要想测定其速度,就无法测定它的位置。”

正当与会的大部分科学家都点头表示理解时,想不到爱因斯坦一人站起来反对:“事物是客观具体地存在的,我不相信上帝会在随便丢骰子,碰运气。”

“这和你的相对论并不矛盾啊?”

“可是你在这里否定了因果关系,我不相信世界是捉摸不定的。现在我来设计一个实验,请您解释。假如有一个理想的盒子,里面有光源,在固定的时间打开一下盒上的闸门,放出一些光来。我们再称一下盒子的重量,根据质量的变化就能算出光放出的能量。这样,我们不就可以任意精确地测出光放出的能量、放光的时间了吗?”

爱因斯坦真不愧为理论物理学家,他随意就设计出一个思想实验,一时把个玻尔问得无言以对,好端端的一个会议竟无法再开下去。

这玻尔哪能服气,整整一晚上没有睡觉,召集他的学生们紧急商讨对策。第二天,天一亮,玻尔就去敲爱因斯坦的门,并且手里真的捧着一个“爱因斯坦盒子”,盒子吊在弹簧秤上。他笑眯眯地说:“爱因斯坦先生,请看您的盒子,它一放出光,质量就要变化,弹簧抽动,盒子做上下运动,盒子中的钟也在动,就是说它在引力场中的位置已经变化。而根据您的相对论,这时时钟的速率必定也要变化。这样您首先就得不到准确的时间。时间测不准,当然您的盒子还是逃不出我的测不准原理啊。”

爱因斯坦正因昨天的胜利甜甜地睡了一个好觉,玻尔三言两语反教他张口结舌,无言以对了。但是爱因斯坦还是不服气,不到一天,他又想出了一个实验,可是以后每次设计的实验都让玻尔驳倒。就这样,这场争论一直持续了几十年,直到爱因斯坦离开人世,他也不承认测不准原理。人们很为他第一个支持普朗克的量子论,但最后又反对量子力学感到遗憾。但是玻尔和爱因斯坦无论怎样争论,双方都襟怀坦荡,谦虚地吸取对方的意见,发展自己的理论。这与牛顿同莱布尼茨的争论已经截然不同了。爱因斯坦称赞玻尔说:“他无疑是当代科学领域中最伟大的发现者之一。”玻尔则深情地说:“在征服浩瀚的量子现象的斗争中,爱因斯坦是一位伟大的先驱者,但后来他却远而疑之。这是一个多么令我们伤心的悲剧啊,从此他在孤独中摸索前进,而我们则失去了一位领袖和旗手。”

这玻尔虽和爱因斯坦经常争论,但是两人友谊极深,他每次到美国的普林斯顿讲学,并不住什么旅馆、饭店,而是干脆住在爱因斯坦家里。一来是老友多时不见。感情上很愿意能多呆在一起,二来便于继续探讨问题。1939年,玻尔又来到美国,他爬上爱因斯坦的那个二层小楼,还不等气喘平息便说:“亲爱的,您知道我今天带来什么重大消息?”

“不过是又想出了什么思维实验的好例证,来证实您的测不准理论罢了。”

“不,今天已顾不上辩论理论问题,这可是实验物理学家们干出的大事,它可能直接关系着我们的生活,关系着政治。”

到底玻尔说出一件什么大事,且听下回分解。

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