20世纪的科学怪杰：鲍林(29)

应天故事汇　>　名人传记　>　20世纪的科学怪杰：鲍林　>	上一页　　　　下一页
二九

1927年春夏之际，量子力学进入了一个新的阶段。上一年年末，薛定谔和英国神童保罗·狄拉克着手弥补波动力学和矩阵力学之间的裂缝。他们的研究表明，这两大体系在数学上是对等的，两者为相同的问题给出了相同的答案。但是数学背后的物理现实是什么呢？在与玻尔进行了一次马拉松式的会谈后，薛定谔放弃了他原先提出的观点，即他的波动方程描述的是实际存在的电子“云”。玻恩和其他一些科学家的研究显示，他的方程式描述的不是实际的波，不是一个物理意义上的“现象”，而是一个统计学意义上的概率，即在一定区域找到一个电子的数学可能性。　　薛定谔和海森伯的成功并不在于表述了原子，而是用数学捉住了原子，驯服了原子，这样就可以预测原子的性态。这一预测的能力相当强大，而且至关重要。那些思想开放的物理学家在一瞬间就意识到了新的量子力学是成功的，在旧的体系一筹莫展的地方，新的量子力学指明了前进的方向。但是，海森伯和薛定谔仍将继续就数学背后的现实进行争论。　　比如说，电子如何能同时既是波又是粒子呢？这仍是一个悬案。在对这一问题进行了数月的钻研，在和薛定谔，特别是和海森伯进行了无数次精疲力尽的探讨之后，玻尔断定，两种描述都是正确的。原子现实（至少）是两面的：你发现的电子取决于你选择观察它的方式。波和粒子的描述都是正确的，都是必须的，两者是互补的。鲍林在丹麦期间，这一种对量子物理进行修饰的“哥本哈根解释”占据了玻尔大多数的时间。　　这一解释似乎是在回避问题。电子是什么？人们越来越清楚地认识到，没有人能够以一种可想见的方式来描述它。波粒两重性以及量子跃迁是人们从未经历过的现象；事物在原子层次的运动规律与在感官层次的运动规律似乎是截然不同的。在与玻尔进行了长时间的讨论之后，海森伯会一个人长时间地散步和苦思冥想：自然界可能像在这些原子实验中显示的那么荒谬吗？　　物理学现在逐渐与哲学合流了，而海森伯在1927年3月提出的“测不准原理”更加剧了这种倾向。在对其矩阵思想作了相当简单的推广之后，海森伯指出，一个观测者无法同时知道一个电子的确切位置和速度。你能够肯定的只不过是一个电子在某一区域的统计可能性，而无法保证它是否真的在那儿。他的思想在从本质上来说是基于实际经验的：要想观察电子，你一定得借助于一定的光能，但即使是最小的光束也会把电子撞到一边，从而影响到观察的结果。我们在观察电子时永远找不到其确定的位置。在原子水平，我们达到了观察能力的极限。　　这就对认识自然提出了一个更大的问题。如果海森伯所说的是真的，那么我们不光是达到了精确观察的极限，而且在原子里我们原先认为的因果关系也不复存在：如果你只能够说电子“可能”在附近，那么你就不能说电子肯定引发了什么。在此之前，物理学是建筑在决定论基础上的。如果已知两个台球的大小、速度和碰撞角度，那就可以预测碰撞后将会发生怎样的情况。同样，按照牛顿的经典物理学，宇宙中粒子的当前位置和速度，通过因果关系的推断，就可决定每个粒子未来的位置和速度。未来扎根于现在。但是，海森伯的测不准原理说，你连一个电子的未来都无法预测，更不用说宇宙了。　　海森伯把自己关于测不准原理的论文校样稿给鲍林看，鲍林马上意识到这一思想将会引发一场关于诸如命运等哲学问题的争论。但是鲍林是一个实用主义者，他觉得这场争论是毫无意义的。鲍林在后来一次接受访问时指出：“即使这是一个经典的世界，我们也不可能靠实验来确定宇宙中所有粒子的位置和动量。即使我们知道了这些数据，我们又如何来进行计算呢？我们对于一个涉及1020或者1010个粒子的系统尚且不能详细地进行讨论。我认为不管有没有测不准原理，争论命运和自由意志是毫无意义的。”对鲍林而言，任何与显示世界中的实验和观察无涉的问题都是无足轻重的。如果没有实际操作意义，“那不过是一个语言符号，”他说。作为结果，“我从未费神去参加有关量子力学意义的详细和深入的探讨。” 　　他对玻尔关注的大问题不感兴趣，而在哥本哈根，他在化学键的计算上也没有获得多大的成功。1927年初，一位年轻的丹麦物理学家布劳发表了一篇论文，成功地将薛定谔波动方程式运用到了最简单的分子上：氢分子离子，由一个电子维系的两个原子核。布劳的结果显示，电子的分布在两个原子核中间最集中，在此电子对原子核的引力正好与原子核相互的斥力平衡。这是大门显露的第一条缝隙，表明波动方程可以解决化学键问题。鲍林把布劳的理论又推进了一步，用来解决有两个电子和两个原子核的氢分子。但是他一无所获。正如鲍林在关于离子大小的论文中所经历的那样，波动方程在表述单个原子的电子时已经相当复杂了。下一步的复杂程度是一个严峻的挑战。你得考虑和计算两个原子核之间的斥力，每一个电子对每一个原子核的引力，两个电子的相互斥力；很快，数学表达式就复杂得难以求解。一定需要对分子形式作一定的简化和假设。海森伯与狄拉克联手也难以逾越这一难题。鲍林在哥本哈根期间也败下阵来。　　不过，鲍林与玻尔身边如云的学者中的一位建立了很有价值的联系：塞缪尔·戈尔德施密特，就是两位发现电子自旋的科学家之一。他刚写完自己的博士论文。同别人一样，鲍林亲切地称他为“塞姆”。戈尔德施密特对用量子力学来解释光谱的精细结构很感兴趣，鲍林帮他进行了一些理论运算。不久鲍林就建议由他帮助把戈尔德施密特的博士论文译成英文。　　在哥本哈根过了几星期后，鲍林终于同戈尔德施密特一起被召进了玻尔的办公室。玻尔听说他俩在一起进行运算，他让两人介绍一下工作的情况。两个年轻人讲话的时候，他冷漠地坐在那里，厚重的眼皮耷拉着，偶尔吐出一声“嗯，嗯”。当他俩说完之后，他说了声“很好”。他们被打发了出来。鲍林在哥本哈根呆了一个月，就见过玻尔这么一回。　　＊＊＊　　在去苏黎世访问薛定谔的路上，鲍林夫妇在哥廷根的马克思·玻恩研究院逗留了几日。这里是精密数学的王国，矩阵力学的摇篮，许许多多青年理论家的精神家园——海森伯、泡利、狄拉克和约尔丹都是二十几岁的青年——因而也是年轻小伙子的物理世界。它也像磁石一样吸引了许多年轻的美国人；在这段时间里，获得古根海姆科学奖学金的学者来到哥廷根的比到其他地方的都要多。鲍林遇到了量子革命的许多关键人物：迪拉克、海森伯、约尔丹，以及玻恩本人，尽管时间非常短。他也遇到了来自哈佛大学，身材瘦削、神态紧张的青年学者奥本海默①。他正在哥廷根攻读博士学位，鲍林和他进行了长时间的讨论。　　①奥本海默（Julius Robert Oppenheimer，1904—1967），美国物理学家，曾任美国研制原子弹的“曼哈顿计划”实验室主任，制成第一批原子弹，后任原子能委员会总顾问委员会主席，1949年因反对试验氢弹被解职。　　鲍林希望薛定谔会比玻尔容易接近些，但是他又一次失望了。在过去的一年中，波动力学在解决所有的问题时都显示了强大的威力，每个人都想学习它。薛定谔被邀请在欧洲各地巡回演讲，并在1927年春天游历了美国，其中包括在加州理工学院所作的愉快停留。保罗·爱泼斯坦还安排他顺道去了好莱坞和圣莫尼卡的海滨。尽管他在美国过得挺愉快，他仍然不喜欢美国人，认为他们不够文明，贪得无厌，好管闲事。他说，自由女神就差在火炬下戴一只手表了，要是南加利福尼亚在以前留给了印第安人和西班牙人，那么情况将会比现在好得多。最糟糕的是，禁酒令使得到一杯啤酒或葡萄酒也变得极为困难了。就在鲍林抵达苏黎世开始夏季学期的学习时，薛定谔得到了德国科学界最崇高的地位，接任由马克思·普朗克空出的理论物理学会柏林分会主席一职。在39岁的时候，薛定谔在一夜之间成了科学界的超级巨星，而且他十分乐意扮演这一角色。这当然就给来访的美国学者留出了极少的时间。　　到8月份的时候，鲍林感到有些沮丧。他在给一位同事的信中写道：“我很后悔在这里呆的将近两个月时间，因为我无法和薛定谔建立起联系。大约每周一次，我会在研讨会上见到他。我努力地试图弄清楚他在做些什么，而且由于他对我的工作没有兴趣，我主动提出对任何他感兴趣的问题进行计算；但是无功而返……所以尽管在这里过了两个月，我没有关于物理学的任何最新进展的消息告诉你。”

应天故事汇(gsh.yzqz.cn)
上一页回目录回首页下一页