数理化通俗演义: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(2)

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。