第四章 白云深处
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就在差不多的时候,爱因斯坦也收到了一封陌生的来信,寄信地址让他吃惊不已:居然是来自遥远的印度!写信的人自称名叫玻色(S.N. Bose),他谦虚地请求爱因斯坦审阅一下他的论文,看看有没有可能发表在《物理学杂志》上面。爱因斯坦一开始不以为意,随手翻了翻这篇文章,但马上他就意识到,他收到的是一个意义极为重大的证明。玻色把光看成是不可区分的粒子的集合,从这个简单的假设出发,他一手推导出了普朗克的黑体公式!爱因斯坦亲自把这篇重要的论文翻译成德文发表,他随即又进一步完善玻色的思想,发展出了后来在量子力学中具有举足轻重地位的玻色-爱因斯坦统计方法。服从这种统计的粒子(比如光子)称为“玻色子”(boson),它们不服从泡利不相容原理,这使得我们可以预言,它们在低温下将表现得非常不同,形成著名的玻色-爱因斯坦凝聚现象。2001年,三位分别来自美国和德国的科学家因为以实验证实了这一现象而获得诺贝尔物理学奖。这条书摘已被收藏0次+1
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“德布罗意事变”将第三次波粒战争推向了一个高潮。电子,乃至整个物质世界现在也被拉进有关光本性的这场战争,这使得战争全面地被升级。事实上,波动这次对电子的攻击只有更加激发了粒子们的同仇敌忾之心。现在,光子、电子、a粒子、还有更多的基本粒子,他们都决定联合起来,为了“大粒子王国”的神圣保卫战而并肩奋斗。这场波粒战争,已经远远超出了光的范围,整个物理体系如今都陷于这个争论中,从而形成了一次名副其实的世界大战。现在的问题,已经不再仅仅是光到底是粒子还是波,现在的问题,是电子到底是粒子还是波,你和我到底是粒子还是波,这整个物质世界到底是粒子还是波。波动和微粒,这两个对手的恩怨纠缠,在整整三个世纪中犬牙交错,宿命般地铺展开来,终于演变为一场决定物理学命运的大决战。这条书摘已被收藏0次+1
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德布罗意把这种波称为“相波”(phasewave),后人为了纪念他,也称其为“德布罗意波”。计算这个波的波长是容易的,就简单地把上面得出的速度除以它的频率,那么我们就得到德布罗意波长公式。……电子居然是一个波?!这未免让人感到太不可思议。可敬的普朗克绅士在这些前卫而反叛的年轻人面前,只能摇头兴叹,连话都说不出来了。德布罗意把相波的证明作为他的博士论文提交了上去,但并不是所有的人都相信他。“证据,我们需要证据。”在博士答辩中,所有的人都在异口同声地说,“如果电子是一个波,那么就让我们看到它是一个波的样子。把它的衍射实验做出来给我们看,把干涉图纹放在我们的眼前。”德布罗意有礼貌地回敬道:“是的,先生们,我会给你们看到证据的。我预言,电子在通过一个小孔或者晶体的时候,会像光波那样,产生一个可观测的衍射现象。”这条书摘已被收藏0次+1
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在玻尔体系内部,也已经蕴藏了随机性和确定性的矛盾。就玻尔理论而言,如何判断一个电子在何时何地发生自动跃迁是不可能的,它更像是一个随机的过程。1919年,应普朗克的邀请,玻尔访问了战后的柏林。在那里,普朗克和爱因斯坦热情地接待了他,量子力学的三大巨头就几个物理问题展开了讨论。玻尔认为,电子在轨道间的跃迁似乎是不可预测的,是一个自发的随机过程,至少从理论上说没办法算出一个电子具体的跃迁条件。爱因斯坦大摇其头,认为任何物理过程都是确定和可预测的。这已经埋下了两人日后那场旷日持久争论的种子。这条书摘已被收藏0次+1
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玻尔的革命是一次不彻底的革命,量子的假设没有在他的体系里得到根本的地位,而似乎只是一个调和经典理论和现实矛盾的附庸。玻尔理论没法解释,为什么电子有着离散的能级和量子化的行为,它只知其然,而不知其所以然。玻尔在量子论和经典理论之间采取了折中主义的路线,这使得他的原子总是带着一种半新不旧的色彩,最终因为无法克服的困难而崩溃。……但是,它的伟大意义却不因为其短暂的生命而有任何的褪色。是它挖掘出了量子的力量,为未来的开拓者铺平了道路。是它承前启后,有力地推动了整个物理学的脚步。玻尔模型至今仍然是相当好的近似,它的一些思想仍然为今人所借鉴和学习。它描绘的原子图景虽然过时,但却是如此形象而生动,直到今天仍然是大众心中的标准样式,甚至代表了科学的形象。比如我们应该能够回忆,直到80年代末,在中国的大街上还是随处可见那个代表了“科学”的图形:三个电子沿着橢圆轨道围绕着原子核运行。这个图案到了90年代终于消失了,想来总算有人意识到了问题。这条书摘已被收藏0次+1
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量子化的思想,在玻尔理论里只是一支雇佣军,它更像是被强迫附加上去的,而不是整个理论的出发点和基础。比如,玻尔假设电子只能具有量子化的能级和轨道,但为什么呢?为什么电子必须是量子化的?它的理论基础是什么呢?玻尔在这上面语焉不详,顾左右而言他。当然,苛刻的经验主义者会争辩说,电子之所以是量子化的,因为实验观测到它们就是量子化的,不需要任何其他的理由。但无论如何,如果一个理论的基本公设令人觉得不太安稳,这个理论的前景也就不那么乐观了。在对待玻尔量子假设的态度上,科学家无疑联想起了欧几里德的第五公设(这个公设说,过线外一点只能有一条直线与已知直线平行。人们后来证明这个公理并不是无可争议的)。无疑,它最好能够从一些更为基本的公理所导出,这些更基本的公理,应该成为整个理论的奠基石,而不仅仅是华丽的装饰。后来的历史学家们在评论玻尔的理论时,总是会用到“半经典半量子”,或者“旧瓶装新酒”之类的词语。它就像一位变脸大师,当电子围绕着单一轨道运转时,它表现出经典力学的面孔,一旦发生轨道变化,立即又转为量子化的样子。虽然有着技巧高超的对应原理的支持,这种两面派做法也还是为人所质疑。这条书摘已被收藏0次+1
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我的意思是,如果原子体系放大10〜倍,它的各种力学和结构常数就非常接近于我们观测到的银河系。还有人提出,原子应该在高能情况下类比于同样在高能情况下的太阳系。也就是说,原子必须处在非常高的激发态下(大约主量子数达到几百),那时,它的各种结构就相当接近我们的太阳系。这种观点,即宇宙在各个层次上展现出相似的结构,被称为“分形宇宙"(Fractal Universe)模型在它看来,哪怕是一个原子,也包含了整个宇宙的某些信息,是一个宇宙的“全息胚”。所谓的“分形”,是混沌动力学里研究的一个饶有兴味的课题,它给我们展现了复杂结构是如何在不同的层面上一再重复。宇宙的演化,是否也遵从某种混沌动力学原则,如今还不得而知,所谓的“分形宇宙”也只是一家之言罢了。这条书摘已被收藏0次+1
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从一粒细沙看见世界。从一朵野花窥视天裳。用一只手去把握无限。用一刹那来留住永恒。——威廉•布莱克(William Blake)这条书摘已被收藏0次+1