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一代天骄波尔兹曼(Boltzmann)与统计物理(24) 精选

已有 7832 次阅读 2014-5-31 14:42 |系统分类:科普集锦

话说欧洲北海之上,6月的夜里还是寒风瑟瑟。海小侠坐在岩石之上,听着涛声,哆里哆嗦,就是不想回屋里去。终于等到朝阳。那五彩晨曦让他静下心来。一溜烟跑回房间,挥笔疾书。几天后把文章寄给伙伴小侠泡利(Pauli。这泡小侠刚刚泡好电子的不相容原理(参考),正忙着著文把海小侠的文章随便看了看,看得发懵,说这力学里电子连轨道也没了,那就是说位置和速度没了。那位置和速度这一对物理量是用来描述物体的运动的,叫物理状态。我那不相容原理用得正是状态,说的是两个电子不能处在同一个状态之上。你把状态都弄丢了,叫我何去何从?

泡利(Pauli)

海侠又寄给波恩。说写了一篇文章,心里没底不敢寄出去发表,你看看有无价值。这波真人一看,忍不住笑,说这小厮那把矩阵画戟,抡得怎一个笨字了得。就写信说你快回来,我帮你抡。等小侠回来,真人又叫上小童子约尔丹(Jordan),三人一起做起矩阵力学的道场来。

海森堡和约尔丹

其实海小侠的初衷很简单。既然电子绕核运动及其轨道是看不见摸不着的东西,不如不考虑它们。要紧的是力学的可观测量,如能量动量角动量等。既然这些量都只能取观测到的离散数值,比如氢原子能量的各个楼层,那我就只考虑这些数值,用它们构成矩阵。一个物理量对应一个矩阵。我这力学的数学形式就是矩阵代数,取名矩阵力学。因为矩阵乘法有可交换或不可交换一说,由此又联想到力学量不能准确观测的问题。便是后来的测不准原理(参考)。比如电子的位置和动量不能同时测得准。一个准了,另一个就完全模糊了。前文提到原子模型经常是云山雾罩的,此原理脱不了干系。直到今天,量子世界还是阴呼呼的梅雨天,人人满头雾水,擦也擦不干。

闲话少说。这矩阵力学,被散仙挂在量子王国大殿之上,冠冕堂皇,没几天竟然出事了。

出什么事了?说来也巧,差不多正当海小侠在德国北海小岛上谢绝仙女花香之时,一个奥地利仙人跑到德国南边瑞士的山里,也去找新鲜空气。这便是8章提到的薛公(Schrodinger),养肺结核养出个薛定谔方程。因为薛公的方程是波动方程,所以这个量子力学也叫波动力学(参考)。

波动力学辉煌出场,万众仰慕,一举平了量子力学的天下。众仙趋之若鹜,早把海小侠的矩阵力学丢在脑后。这是为何?

原来海小侠的矩阵力学充其量是个美容手段。当然有用,很有用,甚至效果神奇。把散仙波尔原来四壁空空的量子大殿挂上了一点数学装饰,看着好舒服。这正是散仙的败仗一个接一个,几乎绝望之时。这么大的进展,给了王国众仙巨大的希望。继续做起统一天下的美梦。

但毕竟是美容。美则美矣,基因还是变不了的。该丑的还丑,该老的也年轻不了。矩阵力学的基因之丑,在于它伸手把物理量的离散数值拿来修成矩阵,却不知道为什么物理量会这样离散,能量为什么分层,原子半径为何分段等等。一如前面那座噩梦般的埃菲尔铁塔(21章)。好好的流水,怎么就叫人抽刀斩断了呢?你把矩阵那方天画戟抡的再圆,也遮不住这个最根本的难题。有如孔雀开屏,在前边看的是辉煌。你转到后边,就会看出那‘漏洞’来!

你再看那波动力学,从一个被试验证实的假设出发,不但能把矩阵力学给你推导出来,还能够严格地证明能量为什么离散,半径为什么截断,为什么会有21章的噩梦般的铁塔。为什么抽刀断水易如反掌等等。同时又揭示了微观世界运动的几率特性,便是前面提过的那两根拧在一起的盲肠(10章)。这盲肠理论为何如此神奇?究其原因,要把话说回到1924年。

话说当年爱因斯坦(Einstein)听到佛祖普朗克(Planck)说物体发光必然是一口一口吐的,但发出的光仍然是连续的电磁波,犹如流水,颇不以为然。就用光线可以从金属表面打出电子的光电效应(见10章),说明光波也是粒子,叫光子。物体发光是一口吐一个光子,物体吸光也不例外,把那粒子一口一个,犹如吞枣。这一下流水都变成了冰雹,砸开了量子世界的窗户。11年后的1916年,又搞出个广义相对论,加上以前搞的狭义相对论,单枪匹马就把牛顿王国给吞并了,变成自己的附属国。1919年(八十五年前的今天),二十八宿之一爱丁顿(Eddington,星宿是2761Eddington)跑到非洲西面的仙山岛国叫圣多美(Sao Tomé),趁着日全食的阴影,看见一个遥远星体射来的光线被太阳引力扳弯了。虽然天气不好测量结果不准,但还是验证了相对论。这一下不得了,加上得了诺奖,爱卿的学问是搞不成了。从1920年起受邀周游列国,所到之处,人山人海,礼炮相迎,总统帝王接见,装么做样听他讲相对论。那里能懂?听得困顿难熬,东倒西歪。这爱卿几个轮回演出下来,钱赚了不少。钱少的国度,就算答应好的后来也不去了(蔡元培本来想凑那个热闹,后来只好自惭腰包瘦小)。

光阴似箭。说着就到了1924年,爱卿回绝了所有穷国的邀请,想安下心来搞搞学问。一日睡到太阳光晒屁股,想起自己的光量子来,又想起波散仙这几年来念的经,那个什么量子论,哭笑不得,心想成何体统,这种无逻辑无数学的东西也叫物理吗?好在去年康普顿做了个实验,用光子轰击电子(康普顿效应,参考),证实光子碰撞电子时能量动量都守恒,一下把疯子散仙能量不守恒的想法给否掉了。不过话说回来,不要散仙的量子论,出路何在?

浪之万(Langevin)

正在想的出神,太太递过来一封信,是巴黎索邦(Sorbonne)大学的浪之万(Langevin)写来的。爱卿纳闷,说这老道找我何事?莫不是又出了风流浪事,怕影响得诺奖,找俺调停?




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