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百年回望: 经典物理学的危机与量子力学

时间:2011-11-03 00:23:32  来源:  作者:

坐者(从左至右):沃尔特·能斯特(Walther Nernst)、马塞尔·布里渊(Marcel Brillouin)、欧内斯特·索尔维(Ernest Solvay)、亨德里克·洛伦兹(Hendrik Lorentz)、埃米尔·沃伯格(Emil Warburg)、让·皮兰(Jean Baptiste Perrin)、威廉·维恩(Wilhelm Wien)、玛丽·居里(Marie Curie)、亨利·庞加莱(Henri Poincare)。

站者(从左至右):罗伯特·古德施密特(Robert Goldschmidt)、马克斯·普朗克(Max Planck)、海因里希·鲁本斯(Heinrich Rubens)、阿諾·索末菲(Arnold Sommerfeld)、弗雷德里克·林德曼(Frederick Lindemann)、莫里斯·德布罗意(Maurice de Broglie)、马丁·努森(Martin Knudsen)、弗雷德里希·哈森诺尔(Friedrich Hasenöhrl)、乔治斯·豪斯特莱(Georges Hostelet)、爱德华·赫尔岑(Edouard Herzen)、詹姆斯·金斯(James Hopwood Jeans),欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)、海克·卡末林·昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes)、阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)、保罗·朗之万(Paul Langevin)

 

一百年前,欧洲最伟大的科学巨匠们济济一堂来探讨他们面临的一个紧急问题:在那之前的20年,备具探索精神的科学家们有了一些新发现---包括X射线、光电效应、辐射和电子---这些发现动摇了经典物理学的根基。

当19世纪的研究者们以为他们即将可以基于艾萨克·牛顿(Isaac Newton)和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)的公式来解释所有已知的物理进程(physical processes)时,不期而至的新的观测数据摧毁了这浪漫的愿景。一流物理学家们,比如普朗克和欧内斯特相信如此之糟的情况下,需要召开一个国际研讨会以尝试解决当时的物理学困境。

量子革命由此拉开序幕。

这次会议的影响甚至持续到现在。虽然有时候物理学看起来依然可能面临危机,比如研究者至今没能发现希格斯玻色子,和对暗物质以及暗能量缺乏完整的认识,但是若没有第一次索维尔会议奠定的基础,我们目前对这些神秘物质仅有的了解都不会存在。

从1911年的10月30日至11月3号,比利时的布鲁塞尔群贤毕至,18位物理学的巨星参加了日后将声名远播的索维尔会议,会议只有受到邀请者才有资格参加。富有的化学家欧内斯特·索尔维资助并组织了这次会议,嘉宾名单星光璀璨,与会者都是当时的科学巨擘。

除了常被成为量子力学之父的普朗克,还有发现了质子的卢瑟福和发现了超导现象的昂內斯,化学家居里夫人以及数学家庞加莱。这群人中最为年轻的是时年32岁的爱因斯坦。

与会者沉浸在争论中,科学家往往就是这样的。

“布鲁塞尔会议不过是对耶路撒冷废墟的哀叹,”爱因斯坦在日后写给他的工程师朋友米榭·贝索(Michele Besso, 译者注:爱因斯坦的专利局同事)的信中写到。“没有什么取得积极的成果。”

许多研究者所哀叹的被毁坏的“圣殿”就是经典物理学理论,后者统治了19世纪的科学思维。经典力学成功地解释了行星的运行、电磁学行为、和固体、液体以及气体之间的转换关系。但是新观察到的现象带来了新问题。比如在此之前,光被解释为一种波,但是一些实验结果表明这个模型并不完善。

爱因斯坦自己是量子力学这股新潮流的坚定支持者。根据普朗克的理论,他提出了在当时看来惊世骇俗的观点:光同时具有波动和粒子(量子)的特性。我们今天知道这个观点是正确的,但是当时缺乏足够的证据来证明。直到1920年代光的粒子才被命名为光子。

从索维尔会议中可以看出当时物理学家们的世界观和我们今天的现代观点有多大的差异。与会者“可能都同意所谓的量子理论的确是一个有用的工具,但是这个理论于通常意义上的世界无关,目前来说它无论如何不可能被整合成一个协调一致的理论。”爱因斯坦写到。

在当时,波粒二项性的理论并没有经过严格的实验证明。许多与会科学家很可能依旧相信现在看来过时的概念“以太”,以太被假设为光的传播介质,就如同波浪在海洋中运动。

爱因斯坦试探性地将他的观点告知其他与会者。普朗克,爱因斯坦写道,“对一些毫无疑问是先入为主的观点固执己见,”而庞加莱“总体上对该观点持否定态度,尽管他十分聪明,但他根本不理解”。

虽然目标远大,但1911年会议基本一事无成。在闭幕发言中,索尔维对科学家们说:“尽管会议取得了良好成果,但是你们并没有解决真正的迫在眉睫的问题。”直到至少20年之后,实验证据和科学争论才确认量子力学为“真正”的理论。

但是索尔维在第一次会议后,把它发展成一个年度性会议,一流科学家们可以聚在一块研究当时的热门课题。在1927年著名的第五次索尔维会议上,爱因斯坦就量子力学革命是否已经完成和通过概率来描述亚原子粒子的行为(how quantum mechanics had gone too far and reduced the behavior of subatomic particles to probabilities)再次和与会者争论了起来,不过这次他争论的对象换成了玻尔和海森堡。(“上帝不会掷骰子。”相传爱因斯坦这样宣称。)

 

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