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第六十三回:王子追电子探得微观新奥秘,数学加物理辟出力学新体系【数理化通俗演义】 皮皮少儿阅读频道

时间:2019-09-11来源:第一文学网

第六十三回:王子追电子探得微观新奥秘,数学加物理辟出力学新体系

——量子力学的创立上回说到爱因斯坦被德国法西斯势力迫害流亡美国。从此,世界物理学研究中心便开始逐渐从欧洲向美国转移。在这个大转移还未全部完成以前,让我们看看欧洲大陆的物理学家们,正在赶紧做一点什么工作。

前几回讲的那个索尔维量子讨论会,与会科学家中有一个叫莫里斯的,此人出身公爵世家,却酷爱科学,他在自己巴黎的住宅内还装备了一个完善的实验室。莫里斯有一个弟弟,叫路易斯•德布罗意(1892-),本是学文科的,但他很尊敬哥哥,也常来他的实验室里好奇地问这问那。这弟兄二人,毫无贵族子弟常有的那种浮浪之气,整日潜心读书,研讨问题。

再说莫里斯那天开完会从布鲁塞尔刚回到巴黎,德布罗意便到家中看望哥哥,并且打听会议上可有什么科学新闻。莫里斯将会上关于量子理论的争论如此这般地讲了一回,德布罗意早听得如醉如痴。半天,他突然张口说道:“哥哥,我要跟您一起研究物理。”

“什么?”莫里斯大吃一惊,“你再有两年就要拿到历史学方面的学位,现在改行岂不前功尽弃?”

“您放心,文科学位我照样要争到手,但是我觉得应给自己再开辟一块知识领地。历史,是在人们对已经知道的甚至亲身经历过的事实进行梳理、编织;而物理则是去探寻那些早已存在却还不为人知的事实,他对我有更大的吸引力。”

“可是现在早已不是伽利略、牛顿时代,物理学已伸入到微观世界,每走一步就更加艰苦。而且过去的宏观经典理论已不适应,新的理论体系还远未建立。这时你来入伙实在冒险,也许我们这些人费尽九牛二虎之力,捞的却是一个水中的月亮。”

“,我直觉地感到量子理论是很有希望的,我决心献出全部精力弄清这神秘量子的真正本质。”

正是:

金衣玉食何足贵?过眼烟云不多时。

聪明贵胄有奇志,不爱虚荣爱真知。

再说德布罗意刚下定决心开始对理论物理的研究,不久,第一次世界大战就爆发了,他便服兵役上了前线,直到1922年他才重回哥哥的实验室继续中断许久的研究。渐渐地他生成了一个大胆的思想:光波是粒子,那么粒子是不是波呢?就是说光的波粒二象性是不是可以推广到电子这类的粒子呢?就像当年法拉第由电变磁推想磁变电一样,德布罗意思路一开立即拓出一片新的天地。1923年他接连发表三篇论文,提出“物质波”的新概念,他坚信大至一个行星,一块石头,小至一粒灰尘,一个电子,都能生成物质波。物质波有其独特之处,它能在真空中传播不要介质,因此不是机械波。但它又可以由不带电的物体运动生成,因此它又不是电磁波。他还运用爱因斯坦的相对论,推出了物质波的波长公式λ=h/mu。即波长与粒子的质量和速度的乘积成反比。他还算出中等速度的电子的波长应相当于X射线的波长。

第二年,1924年,德布罗意将自己的这个新思想写成一篇论文《关于量子理论的研究》去考博士学位。可以说是当时物理学界一个独一无二的新中医对癫痫病治疗有效果吗观点,许多人看了文章都摇头,眼看德布罗意的博士学位是毫无希望了。这时他的老师朗之万出来说了一句话:“我虽然很难相信德布罗意的这种观点,但是他的论文实在是才华横溢,因此我还是同意授予他博士学位。”他总算勉强通过答辩。再说朗之万对这件事总是不放心,也不知他的这个学生到底该算是个才子还是个疯子,便将论文稿寄给爱因斯坦审阅。爱因斯坦真不愧为一个理论物理大师,他刚读完文章就拍案叫绝,并立即向物理学界的几个大人物写信,吁请对这个新思想给予关注:“请读一读这篇论文吧,这可能是一个疯子写的,但只有疯子才有这种胆量。它的内容很充实。看来粒子的每一个运动都伴随着一个波场,这个波场的物理性质虽然我们现在还不清楚,但是原则上应该能够观察到。德布罗意干了一件大事,另一个物理世界的那幅巨大的帷幕,已经被轻轻地掀开了一角。”

花开两朵,各表一枝。在物理学中同一个题目常常是理论和实验双管齐下,稿纸上的推算和实验室里的测试刀枪并举,经过一场激战,堡垒才宣告攻克。

事有凑巧,就在爱因斯坦这话刚说过不久,和法国隔洋相望的美国出了一件事。在纽约的贝尔电话实验室里有一个研究人员叫戴维逊,长期以来他和助手革末在做电子轰击金属的实验。这天二人正聚精会神地观察,忽然一声巨响,一只盛放液态空气的瓶子倒地炸裂。这下可糟了,实验用的金属靶子是置于真空条件下的,现在液态空气立即气化,弥漫全室,钻进了真空系统,那块当靶子的钝锌板立即就被氧化。他们只好自认倒霉,连夜加班,将这块锌板换下来又是加热,又是洗刷,费力地将锌板表面的氧化膜去乾净,再装回真空容器里。

第二天,戴维逊和革末又来到实验室,他们将仪器安置好后又开始了那个不知重复了多少次的实验。戴维逊板动开关将电流直向锌板射去,一边喊革末调整一下锌靶的角度。革未将锌靶轻轻转了一个角度,戴维逊却吃惊地喊道:“见鬼,今天怎么连电子也学会与我绕弯子!——革末,再将锌靶转个角度。”

“先生,您发现了什么?”革末一边转动锌靶,一边问道。

“您自己来看,莫非是我的眼睛出了毛病?”戴维逊说着和革末换了个位置。

“哎呀,电子束怎么不稳定了呢?”

各位读者,你道他们发现了什么?原来随着锌板的取向变化,电子束的强度也在变化,这种现象很像一束波绕过障碍物时发生的衍射那样,但是电子明明是粒子啊,它怎么能有波的性质呢?戴维逊师徒两人又将这个实验重复了多遍,仍然如此,他们一下跌入闷葫芦里。要说电子也是波,这简直就好像说人头上长角一样不可思议。他们就这样百思不得其解,在闷葫芦里一直闷了两年。

两年后的夏天,戴维逊访问英国,遇到著名的物理学家玻恩。两人刚坐好,戴维逊就迫不及待,将那个在肚子里憋了两年的问题提了出来。玻恩不听犹可,一听戴维逊如此这般地描述,便喜不自禁,也不顾是与客人初次见面,突然在对方肩上拍了一把,大声说道:“朋友,您已经撞开了上帝的大门。”

“难道电子真的也是一种波吗?”

“是的,光有波粒二象性,一切物质微粒也河南羊羔疯医院专家在线有波粒二象性,电子也不例外。这正是欧洲大陆上近年来最新的理论。可惜这个假设还从没有人来验证,想不到证据却操在你的手里。”

“看来我们美国与这里远隔重洋,真是消息闭塞。我要是早一点来访问,何至于苦闷两年呢?快请您告诉我是谁提出了这个伟大的假设?”

“就是那个法国人德布罗意,这个人本是学文科的,半路出家投身物理。但也正因此他没有我们同行中惯有的旧框子,所以倒捷足先登。他不但提出假设,还推出公式,能具体地求出粒子的波长呢。他的论文发表在法国科学院会议周报上和英国的《哲学杂志》上,您可以仔细研究一下。”

这两个科学家越谈越有劲,而戴维逊心里已在悄悄地说:只今天这一席谈话我就不虚此行了。拜会过玻恩之后戴维逊已无心再到哪里转了,便草草结束了这次访问。他回到美国后,重做了两年前的实验,果然与德布罗意的预言和计算完全一致。原来两年前的那次液态气瓶爆裂帮了他的大忙。他和革末对锌板加热、洗刷后,锌板就变成了单晶体,而任何一种波经过晶体,都会生成强度周期性的变化现象。他们真是因祸得福。同时还有另一名英国物理学家小汤姆生,则从另一条途径获得一张电子衍射的照片。德布罗意理论从此得到了有力的证实。德氏因此获得1929年的诺贝尔物理学奖金,而戴维逊和小汤姆生则共同分享了1937年的诺贝尔物理学奖金。读者或许要问:这个小汤姆生与我们前面提到的老汤姆生是何关系?原来他们正是一父一子,老子发现了电子,儿子又证实了电子是波,父子二人在物理学方面做着接力研究,一时在科学史上传为美谈。

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,好像实在抽象,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。光学显微镜所能显示的物体微小细部的能力,因所使用的光的波长小到什么程度而定。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,便在萤光屏上得到一个放大的图像。1932年世界上发明第一架电子显微镜。1938年美国人制成了一架能放大三万倍的电子显微镜,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二十万倍以上。

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锷(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。这薛定锷的特长是数学很好,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山西治疗癫痫医院哪家较强罗意的思想又提高了一层,得出一个著名的“薛定锷方程”。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。薛定锷用的是微积分形式,海森堡用的是代数形式,物理学早已不是人们可以眼看手摸的形状、温度,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地传神,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作不到这一点。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年一批物理学家们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水泥格子拼成,就好奇地向上爬上两层。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。于是他们就吵吵吱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。玻尔就像庐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、天真可见一般。

再说第六届索尔维会议开安徽哪家医院可以治癫痫病幕,玻尔打出第一张牌就是“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量光放出的能量、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。他笑咪咪地说:“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的睡了一个好觉,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?”

“不过是又设想出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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