量子力学是科学中最晦涩难懂的理论。本书面向的是不了解量子力学,但有兴趣尽自己所能去理解量子力学是什么、意味着什么的读者。作者以讲故事的方式开始叙述,笔调幽默,简单涉及人物相关事件,时常令我捧腹大笑。
量子力学理论的诞生原子是构成一切物质的最小基石。它是如何构成事物的电子是如何在原子内部运动的玻尔和他的同事们围绕这一问题研究了十多年,仍一无所获。像文艺复兴时期的画家组建工作室一样,在哥本哈根,玻尔将他所能找到的最优秀的年轻物理学家聚集在自己身边,共同探索原子之谜。
在这些年轻物理学家中,就有海森堡的同校同学,极其出色、聪明、傲慢自负的沃尔夫冈·泡利。尽管泡利骄傲自大,但他还是将他的朋友海森堡引荐给了伟大的玻尔,说要想研究获得进展,就必须叫上海森堡。玻尔听从了他的建议,并于1924年邀请海森堡前往哥本哈根。海森堡的这一跃既大胆又简单。没人能找到致使电子做出如此离奇运动的推动力好的,那我们就先不去想什么新的力。我们就用已知的力:将电子吸引到原子核周围的电力。
我们找不到能解释玻尔的电子运行轨道和"跃迁"的规律好的,那我们就继续使用已知的运动学定律,不去改变它。需要改变的是我们看待电子的方式。我们要放弃将电子视为沿着一条轨道运动的物体。放弃描述电子的运动,只描述我们从外界能观测到的东西,即电子发光的强度和频率。我们仅以可观测量为基础。这就是他的主要想法。
海德堡用表格替代了物理变量。马克斯·玻恩亲自将海森堡的作品提交给了《物理杂志》。他凭直觉意识到了自己年轻助手迈出的这一步的重要性。他试图使结论变得明晰。他让自己的学生帕斯夸尔·约尔旦(1902-1980)也加入进来,以便厘清海森堡离奇古怪的计算结果。而海森堡则尝试邀请泡利加入,但泡利没怎么被说服,他觉得这是一个过于抽象晦涩的数学游戏。
因此,一开始研究这个理论的人只有三个:海森堡、玻恩和约尔旦。他们在短短几个月的时间里狂热地工作,最终成功建立起了一套完整的全新力学结构体系。他们将变量替换成了由数字构成的表格,即"矩阵"。现在只需将新理论应用到原子结构中去,看看它是否能够适用了。
新理论真的可以计算出所有的玻尔轨道吗?事实证明计算过程十分困难,哥廷根的三人无法完成它。他们向最才华横溢的(也是最傲慢的)泡利寻求帮助,泡利回答说:"这计算确实太难了……但只是对你们而言。"他在短短几周之内就用如杂技般高难度的技巧完成了计算。计算结果十分完美:使用海森堡、玻恩和约尔旦的矩阵理论计算出的能量值与玻尔提出的假说完全一致。奇怪的玻尔原子定律也可以用新理论系统来解释。不仅如此,使用新理论可以计算出电子跳跃时释放出的光的强度,而使用玻尔定律无法算出。而这也被实验证明是正确的!
量子力学理论预测无一出错的不败战绩延续了一个世纪,不曾间断,且现在仍在继续。量子力学理论是迄今为止唯一一个未曾犯过错误,且在其应用范围方面尚未发现局限的认知世界的基本理论。
从以上文字可一窥作者写作风格,以及他如何解释复杂问题。当然,这只是个开始,故事还将继续。接下来就杀出了薛定谔,他提出电子是会发生衍射的波,仅此而已。这种"波的力学"乍一看比哥廷根的"矩阵力学"更具说服力,尽管二者所得出的演算值是相同的。薛定谔的演算也比泡利的简单。20世纪前半叶的物理学家熟悉波,也熟悉描述波的方程,但一点也不熟悉矩阵。一位著名的物理学家回忆说:"薛定谔的理论对我们是一种解脱:我们不用学习古怪的数学矩阵了。似乎是薛定鄂大获全胜。
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