讲一些量子力学和海森堡的故事好了,量子力学的革命是1925年海森堡先发动的,
在1900年Max Planck从黑体辐射发现能量量子化到Bohr氢原子模型我们称之为古量子论
1925年海森堡想出矩阵力学,他的师兄Pauli用海森堡的矩阵力学解释了氢原子而轰动一时
同年薛丁格也想出了波动力学,后来这二个曾经争执不休,直到薛丁格证明这二个是等价的
那为什么量子力学这么重要呢?
大学念的近代物理和物理化学几乎都是建立在量子力学基础上面,你能想像的所有
物理系研究所宅宅在研究的基本工具几乎都是量子力学居多,用到爱因斯坦相对论反而少
很多,量子力学其实某方面算是四大力学最简单的东西,但是想出量子力学需要却好几打
的天才还有无数阵亡的物理学家,我们可以从这段历史思考为什么西方可以想出这些学问,
我的观察是这些人的西方哲学底子非常非常好,以致于他们可以做出漂亮的物理
言归正传,海森堡是公认20世纪第三名物理学家,仅次于爱因斯坦和Bohr,爱因斯坦的
名气和贡献不用多说,Bohr是因为他是量子力学的哥本哈根学派的教主,这个学派是当时
量子力学的主流
海森堡1901年出身在一个书香世家,从小受到良好教育,甚至很年轻就加入德国的
青年军,类似以前的救国团,除了到处露营旅游之外,甚至参加过镇压巴伐利亚苏维埃共和国
的行动,这可看出他应该很效忠德国爱国分子
海森堡从小就是一个多才多艺尤其对数学和物理都具有极大天分的人,此外他钢琴,
台球,西洋棋都很不错,甚至可以用电话下盲棋,他师兄Pauli常常骂他务要浪费时间在物理
以外的事
海森堡大学念慕尼黑,本想跟大数学家Ferdinand von Lindemann学数学,结果竟被
瞬间打枪因为德国当时实在是太多优秀的数学天才和数学家,即使当时的德国是极度穷困
和战后被凡尔赛条约压迫的超惨,但是德国学术在当时是世界第一,诺贝尔奖有一半是德国
人,后来学数学不成跑去跟Lindemann的学生也是当时德国最伟大的物理家之一的
Arnold Sommerfeld学物理,海森堡因而认识了他的师兄也是天才物理学家Wolfgang Pauli
海森堡博士论文是做流体力学超难的湍流(turbulence),据说论文被口委Wilhelm Wien
认为没创意差一点毕不了业,后来Sommerfeld替他说情拿到博士,这一年他23岁
但是在1922年Niles Bohr去哥廷根大学做了学术访问给了7次有关原子论的演讲,那个
访问在跟哥廷根大学引起非常大的轰动,所有德国物理学家都跑来听这个丹麦大物理学家的
演讲,在那个演讲Niles Bohr无意间认识了二个年轻有为的天才,海森堡和Wolfgang Pauli
后来1924年去哥廷根大学跟Max Born做博士后,当时海森堡研究很不顺利,不知为何跟
他老板Born有严重的冲突,这个冲突一辈子都没有解决,因为Born也是当年大物理学家和数
学家,甚至要求海森堡去作短期休假,当时的Max Born要去美国当客座教授一年,还好那时
1924年到1925年Bohr写信给洛克菲勒基金会资助的国际教育委员会,给海森堡奖学金到
当时哥本哈根大学跟他进行物理研究,这改变了海森堡的一生
1925年4月底到5月某天海森堡由于严重花粉过敏而患病,Bohr要他到北海Helgoland岛
度假修养,正是在这种情况下,海森堡在极度的痛苦作出了他一生最大的物理成就-矩阵力学
也就是这时候海森堡的开始了他的奇蹟年,1927年测不准原理是他人生中第二大物理成就
当时的物理学其实遇到一个非常大的瓶颈,因为到底原子物理的难题要怎么解决,当时
物理学家都束手无策,99.99%的物理学家都从当时比较成熟的Maxwell电磁学出发解释辐射
写paper,但是除了选择规则(selection rule),几乎没有一篇paper留下给后人,这告诉我们
不是写paper不重要,而是在一个历史的交替和革命中,一个新的物理思想和图像是重要的
因为从古典电磁辐射出发会导致致命的缺失,电子虽然加速和减速会辐射能量,但是
却会因为能量损耗而掉进原子核,这与实验不符合,当时Bohr等人的量子论又充满缺失
到底电子是粒子还是波无法被理解
在海森堡去哥本哈根之前,有三大物理学家Bohr,Kramers和Slater发展一个重要的
理论叫做BKS理论,这个理论曾是当时最好的理论,BKS能调和粒子和波动的矛盾,他告诉我们
每个稳定的原子都存在一个虚拟的振动(virtual oscilltor)这概念从Bohr对应原理出发,
可以和古典的振动来互相对应,所以学量子力学会学到一点古典的振动模式(normal modes)
但是这理论却必须抛弃动量和能量守恒的基本信仰,认为这只是一种统计下的平均,事后被
爱因斯坦认为这代价实在太大,所以被放弃了,因为后来实验证明守恒只在统计下的平均是
错误的,光的量子化是真实存在的东西
http://en.wikipedia.org/wiki/BKS_theory
As suggested by a letter to Born,[11] for Einstein the corroboration of
energy and momentum conservation was probably even more important than his
photon hypothesis: "Bohr's opinion of radiation interests me very much. But I
don't want to let myself be driven to a renunciation of strict causality
before there has been a much stronger resistance against it than up to now. I
cannot bear the thought that an electron exposed to a ray should by its own
free decision choose the moment and the direction in which it wants to jump
away. If so, I'd rather be a cobbler or even an employee in a gambling house
than a physicist. It is true that my attempts to give the quanta palpable
shape have failed again and again, but I'm not going to give up hope for a
long time yet."
Bohr's reaction, too, was not primarily related to the photon hypothesis.
According to Heisenberg,[12] Bohr remarked: "Even if Einstein sends me a
cable that an irrevocable proof of the physical existence of light-quanta has
now been found, the message cannot reach me, because it has to be transmitted
by electromagnetic waves." For Bohr the lesson to be learned from the
disproof of the BKS theory was not that photons do exist, but rather that the
applicability of classical space-time pictures in understanding phenomena
within the quantum domain is limited.
但是BKS理论不是一无是处,海森堡从Kramers的虚拟的振动(virtual oscilltor)灵感
得到的色散关系(dispersion relation),这时候海森堡又从Mach和爱因斯坦的哲学观得到
一种看法,就是物理研究的对象应该是从可观察量出发得到一些结果,而不是无法观察的东
西或是纯推理的逻辑,当然这有时候也不绝对完全是正确的哲学,但是却帮海森堡打开量子
力学的大门
这个哲学是从爱因斯坦狭义相对论给海森堡启发,既然乙太怎么测量都量不到,我们就
不要管乙太了.同样地,既然电子的轨道量测不到,我们就不要再去测量电子轨道,而是去
去找出实验可以观测的数据,在这里能观测的就是电子的频率和原子相对的能阶差
后来海森堡就做了他这辈子最繁重的工作之一,找出一种新的物理思考方式来建构他的
理论,这种东西就是现在的矩阵来描述,在当时矩阵是一个物理学很陌生的数学,这里面其实
有很多物理学家参与,最重要又倍受略的是Ernst Pascual Jordan,这个人对
量子力学包括矩阵力学代数和量子场论的发展也是相当重要,可惜诺贝尔物理奖提名没上
http://en.wikipedia.org/wiki/Ernst_Jordan
至于海森堡的矩阵力学对乡民来说实在是太难理解了,暂时说到这里,谢谢观看
至于他的S矩阵和海森堡反铁磁模型有空在解释,海森堡和薛丁格晚年也在做统一场论的
工作,甚至得到诺贝尔奖的Higgs当时提出Higgs模型被海森堡痛斥为无稽之谈
这告诉我们有时候权威当下不一定是真正正确的,历史能给这些人公道