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惊喜和诅咒并存

时间:2022-02-14 理论教育 版权反馈
【摘要】:薛定谔的波动方程公开发表以后,出现了科学史上极罕见的、几乎是绝对对立的态度。但年轻的一代物理学家们则深恶痛绝、切齿愤盈,驱之犹恐不及。1926年4月23日,薛定谔在写给爱因斯坦的信上感谢爱因斯坦对他的鼓励,并坦率承认他受惠于爱因斯坦的影响。海森伯对薛定谔试图保留和恢复经典物理学连续性概念的努力,持严重怀疑态度,坚持认为矩阵力学才是描述原子运动最好的方式。两天后,他为巴伐利亚物理学会重复了在柏林的报告。

薛定谔的波动方程公开发表以后,出现了科学史上极罕见的、几乎是绝对对立的态度。老一辈的物理学家如爱因斯坦、普朗克、劳厄等,都惊喜得如久旱逢雨一样,欢呼雀跃、以手加额、奔走相告。但年轻的一代物理学家们则深恶痛绝、切齿愤盈,驱之犹恐不及。

早在1926年4月初,普朗克在收到波动力学的第一篇奠基性论文的抽印本之后,立即写信给薛定谔说:

 

我正像一个好奇的儿童听解他久久苦思的谜语那样,聚精会神地拜读您的论文,并为在我眼前展现的美而感到高兴。

 

几个星期以后,他又告诉薛定谔:“您可以想象,我怀着怎样的兴趣和振奋心情沉浸在对这篇具有划时代意义的著作的研究之中,尽管现在我在这特殊的思维过程中前进得十分缓慢。”

以前玻尔兹曼在赞扬麦克斯韦电磁场方程时,曾引用歌德的浮士德》中浮士德那热情洋溢的话:“这种符号难道不是出自上帝之手吗?”现在玻恩在赞扬薛定谔方程时,感叹地说:“在理论物理学中,还有什么比他在波动力学方面的最初六篇论文更出色呢?”

爱因斯坦也高兴地写信给薛定谔说:“您的著作的构思证实着真正的独创性。”

1926年4月23日,薛定谔在写给爱因斯坦的信上感谢爱因斯坦对他的鼓励,并坦率承认他受惠爱因斯坦的影响。他写道:

 

您和普朗克同意德布罗意的物质波的观点,对我比半个世界还有价值。而且,如果不是您的第二篇关于气体简并的论文,使德布罗意思想的重要性恰到好处地引起我的注意的话,全部事情一定还不能,或许永远不能得到发展(我不是说被我发展)。

 

4月26日,爱因斯坦又回信给薛定谔说:“我确信,你已经出了一次决定性的发展……正如我同样确信,海森伯……路线已经偏离了正轨。”

雅默尔(M. Jammer)在他的《量子力学概念的发展》(The Conceptual Development of Quantum Mechanics)一书中说:

 

薛定谔的光辉论文无疑是科学史上最有影响的贡献之一。他深化了我们对原子物理现象的理解,最终成为用数学求解原子物理、固体物理及某种程度上核物理问题的便利基础。他还打开了新的思路,事实上,非相对论性量子力学以后的发展,在很大程度上仅仅是薛定谔工作的加工和运用。

 

由雅默尔的评价我们大致上可以了解,薛定谔波动方程何以如此受到重视和欢迎。尤其是在海森伯提出矩阵力学以后,由于物理学家们普遍不熟悉这种代数方法,加上它过强调德布罗意物质波的不连续性,从而使大部分物理学家心慌神迷不知所措。正在这时,薛定谔用他的波动方程恢复了波动的连续性,能以大家非常熟悉的数学方法微分方程,消除玻尔提出的令人怀疑的量子跃迁,这是何等让人兴奋的事情!海森伯的实验物理导师维恩高兴地说薛定谔方程是“阐明量子理论最重要的一步”,并且希望此后不再要陷入“量子泥坑”他还预言“严格的物理学将再度占上风”。海森伯的导师索末菲一开始惊呼薛定谔的波动力学“完全疯了”,但是他很快改变了看法,并且宣称:“虽然矩阵力学的真实性是不容置疑的,但是它的处理方式却极其复杂而且过于抽象,几乎令人害怕。现在好了,有薛定谔帮助我们解了围!”连发现矩阵力学的主将玻恩也在6月份就宣称,“波动力学是量子定律的最深刻的形式”。

但实际上,薛定谔这种片面强调波动性而完全抛弃了波粒二象性的观点,将给量子力学带来许多困难。因此泡利称薛定谔的理论是一种苏黎世的“地方偏见”,让薛定谔难受了好一阵子。泡利还因此写信劝慰并加以解释:“这不是针对你个人的不友善行为,我其实只想表达自己的观点:量子现象很自然地展示出连续物理学场物理)概念所无法表达出的内容。”但是当泡利发现薛定谔方程可以相对轻松地解决原子问题时,他十分惊讶地对约尔丹说:“我相信这是薛定谔最近发表的论文里最重要的论文,你一定要仔细和认真地读完它。”

海森伯比泡利更激进地反对薛定谔的理论,他写信给泡利说:“对薛定谔理论的物理部分考虑得越多,我就越是厌恶它。薛定谔写的文章几乎没有任何意义,换句话说,我认为简直是在胡说八道。”海森伯对薛定谔试图保留和恢复经典物理学连续性概念的努力,持严重怀疑态度,坚持认为矩阵力学才是描述原子运动最好的方式。当他得知玻恩“变节”后十分恼火。而薛定谔则认为矩阵力学缺少形象的模型,根本无法解决量子力学中的新问题,他写信给洛伦兹说:“玻尔模型中的电子跃迁看起来真是荒谬。

1926年7月16日,薛定谔在柏林德国物理学会报告,题目是《波动理论中原子论的基础》17日晚上还普朗克家举行晚宴。柏林的老一辈物理学家,如爱因斯坦、普朗克、劳厄、能斯特,对薛定谔的数学天赋及半经典化解释都显示了莫大的热情。普朗克甚至开始认真考虑来年退休后让薛定谔到柏林来接任他的职位。(1927年10月普朗克退休后,薛定谔果然被任命为普朗克在柏林大学物理学教授职位的继任人。)

19267月21日,薛定谔来到慕尼黑大学索末菲的“星期三讨论会”上报告。两天后,他为巴伐利亚物理学会重复了在柏林的报告。海森伯恰好探亲也在慕尼黑,他去听了薛定谔的这次演讲。

在演讲前,维恩说:“现在研究原子内部的问题,有了正确的理论,大家放了心。”索末菲插了一句:“薛定谔的发现是20世纪最惊人的发现。”

接着,薛定谔报告。海森伯越听越觉得薛定谔的说法有问题。他看了索末菲一眼,心想:“索末菲教授也不会同意薛定谔的想法,他怎么不发言表示不同意呢

又听了一会儿,海森伯简直坐不住了,一等到提问时他就站起来问道:“请问您如何利用您的连续模型,解释如光电效应和黑体辐射这样的量子过程?”

维恩是东道主,觉得海森伯太狂,不给他请来的客人一点面子;再加上两年前在博士考试时的不愉快,没有等到薛定谔回答就抢先气愤地打断了海森伯的话:

 

年轻人,你还要先好好学点物理才行!我知道,由于薛定谔教授的发现,使你的那些奇怪的东西失去了意义,你的心情不好,但你不能如此无理。你提到的困难,我想,薛定谔教授一定会很快解决的。……所有像量子跃迁之类的废话都结束了。

 

由于维恩大发脾气,当时的情景就正像后来海森伯对泡利说的那样,“差一点把我从报告厅里扔出去!”于是会场秩序大乱。大家议论纷纷,像出了什么大乱子一样。索末菲见不妙,连忙出面为薛定谔说好话:“薛定谔的理论是很受欢迎的,不应该怀疑他的讲演。”

这次讨论会使海森伯颇为沮丧,他无法让自己的观点给众人留下印象。一向看重他的索末菲都不支持他,特别让他心烦意乱。他立即给玻尔写信谈到这儿发生的事情,于是玻尔写信给薛定谔,邀请他到哥本哈根认真地讨论一番。

这一去又有了许多故事。

资料链接:简并(degeneracy)

以白矮星(white dwraf)为例,白矮星体积小、质量很大,因此引力极大,例如天狼星表面的引力是地球的23 500倍。在如此强大引力的挤压下,原子中的电子离开了正常情形下的运动轨道,被压到一块儿,成了所谓的“自由”电子,而原子核成了“裸露”的核。这种状态称为简并态

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