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二十世纪十大物理实验之八:卢瑟福ALPHA粒子散射实验暨量子力学发展史(十)

时间:2019-02-20来源:理学院点击:651

人们沉闷地听了半天,突然狄拉克站起来,指出最后导出的公式中括号里的第四项符号应为负号。西名大吃一惊,难道他事先推导过么,可是这个公式是自己第一次展示呀。狄拉克很肯定地说,一定错了,你刚才在某个地方弄错了符号,而且是一共用错了奇数次。

事后一查当真如此。

但是他本人自认为最重要的发现却成了最大的笑柄。那还是在他和一位教授太太闲谈的过程中他一直盯着女士打毛衣的手。夫人抬起手来很惊讶的问,博士,您又有什么新发现么?他半天不言语,然后一拍大腿叫道,我找到了另外一种织毛衣倒着用针的方法。当夫人迷惑地看他用手比画了半天的之后,禁不住大笑起来,原来顺织反织是妇女中流传几百年的织法。

狄拉克早期最重要的贡献是提出狄拉克方程,它第一次把量子力学和狭义相对论统一了起来。不过这个方程导出一个很大的问题,就是在数学上预言出还存在一个和我们这个世界完全相反的世界,在这个负的世界里,所有的物质都具有负的质量和负的能量。

更奇怪的是在那个世界里如果我们想把物体朝前推,则必须向后使劲。两个物体如果撞到一起,不仅不会各自弹开,反而会以更快的速度一起向前奔去。

而且这些性质怪异的反物质不仅仅是存在于宇宙某个不为人知的角落里,而是就充斥于这个世界的每一角落。按照狄拉克的说法,我们所在世界的所谓真空都是整整齐齐地布满了反物质的组成元素之一正电子海,这就是所谓的狄拉克海。

刚开始大家谁都没有把它当回事,这不过是狄拉克为他的理论所虚拟的假象而已。然而在1931年,美国物理学家安德尔森在研究宇宙射线中的高能离子束,为了测得电子的运动速度,他把电子引入一个强磁场中,结果电子一半顺时针旋转,一半逆时针旋转。这两类电子性质完全相反,如果碰在一起就会瞬时湮灭成光。

后来人们在能量极高的加速器中还观察到反质子,反中子,如此一来反物质的要素就找全了。但是我们至今也不能在宇宙中确认哪个地方存在反物质,如果有的话,它和我们这个空间接触的边缘一定会发生惊心动魄的大爆炸。试想正反物质一旦碰在一起就会是质量就会像一减一等于零一般灭于无形的,根据爱因斯坦的公式“E=mc2”释放出的能量委实可怖。

但是现在宇宙中还没有发现这种爆炸,可能我们的观测范围是不够的,要么就是上帝是个偏心眼,他没能创造出和真实世界等量的反物质来,不过这与千百年年来人们所习惯并依赖的对称美是格格不入的。

另外狄拉克方程的副产品是推演出电子的自旋。就像地球围绕太阳旋转的同时自身也在旋转,电子本身也在像一个陀螺一样飞转。最早在1925年由乌伦贝克和高德斯密特提出的这一观点,他们当时都不过是二十出头的小伙子。当他们的导师外出度假时,两人在一起合计如何作点让老师惊喜的工作,找来找去最后落到了电子的自旋上。他们忙了几天终于将稿子写好,并寄给了一本物理学期刊。

然而导师回来耐心地听完二人的报告后,冷冷地说,你们的想法未免太过天真,难道没有想过如果电子有那么大的自旋的话,那它的边缘上物质的运动速度就会超过光速了么?

二人恍然大悟,准备追回稿件,但是杂志社回话已经出版了。两人只能尴尬地对笑一下。

谁也没把这两人的工作当回事,可当胖子泡利懒懒地坐在躺椅上,随意浏览到这篇文章时,登时慌着从椅子上跳了下来,原来他这几天一直在为自己的泡利不相容原理苦恼,这篇文章帮了大忙。

所谓泡利不相容原理是泡利研究电子运动时提出的一条神秘的定理:两个运动状态完全一样的电子是不能处于同一轨道。如果电子仿佛在一条条轨道上飞奔的汽车,按照泡利这位大肚子交警的规定,一条轨道上是不允许跑两辆小车的。可是偏偏有的电子不守交通规则,照样两辆车挤在一起。泡利急得抓耳挠腮也没有办法。

现在就好说了,因为电子有自旋,当然就有顺时针转的和逆时针转的,显然跑在同一轨道上的电子旋转方向是不一样的,这样一来这两个电子就算不上是状态完全相同,跑在一起也是不妨的。泡利的原理又得以自圆其说。

泡利就得意洋洋地在研究所的一次会议上努力阐述他的理论,可是泡利平时就积怨过深,而且那些人稍加分析就可以找到电子自旋的弊病。所以无论泡利怎么舌战群儒,都丝毫不占上风。

后来泡利干脆从风衣口袋里掏出一个儿童玩的陀螺,在讲台上转了起来,努起嘴道,绝对没错,电子就是这个样子的。

接着包括玻尔在内的一群聪明人都围在讲台上对着陀螺指指点点,有人用照相机记录下这个珍贵的镜头,至今照片还保存在玻尔研究所里。

上面可以清楚地看到泡利腆着肚子兀自争个不停,海森堡双目斜睨,一副不屑的神情,而玻尔则一如既往瞪圆了双眼陷入深思。

历史证明泡利是对的,我们不能简单地把电子简单看成转动的实体,而自旋更是电子本身所固有的一种性质,就像它的电荷,质量一样。

从那个时代到今天又是七八十年过去了,很多风行一时的理论早已烟消云散,又有很多原被认为亘古不变的真理亦未得善终,但是泡利的不相容原理却始终站稳了脚跟。无怪泡利一直把自己的不相容原理看成是生平的得意之作。

到狄拉克这里自然就把自旋概念从方程里引进来了,至此电子自旋之争才算是告以段落。

狄拉克后来获得剑桥大学的卢卡斯教授的席位,这是牛顿当年设立并终身担任的,仅此一点就可以想象狄拉克在英国物理学界泰山北斗般的地位。

量子力学最后在他手里终于被极为美妙地形式化,成为一套逻辑清晰,结构缜密的一套体系。他的那本经典著作《量子力学原理》更是对后世产生极为深远的影响。他写的书最大的特点是简明深奥,要求读的人必须全神贯注。

当后世的学生们能以最为迅捷明了的方式掌握量子力学时,实在是应该感谢这位大宗师的。

不管怎么说,一切关于量子力学的问题都将在1927年的深秋举行的第五次索尔维会议上作个了断。

出席这次会议的共有32位,他们中很多都是诺贝尔奖金的获得者,包括洛伦兹,普朗克,爱因斯坦,玻尔,玻恩,德布罗意,薛定谔,索末菲,德拜,海森堡,泡利,狄拉克等等。从二十岁到七十岁的都有。

还是在第一次索尔维会议上,洛仑兹就吹响了向微观世界进军的号角。十六年过去了,洛仑兹在有生之年看到新力学诞生的愿望达到了,但是老人出人意料地非常不满意:

在我看来,电子仅仅是个粒子,它在确定的时间,一定处在一个确定的位置,如果有人企图用可笑的几率观点来解释它,那是绝对错误的。

出席会议的学者中和老洛仑兹持同一观点的人实是大有人在。他们不停地鼓掌。

老人越说越激动,我再也不会相信,现在所谓的科学还会与客观事实相符合。我也不知道我为什么还活着,我只遗憾自己没在五年之前死去,那时这些讨厌的东西至少还没在我眼前出现。

老人在为经典物理作最后几乎悲壮的辩护。

玻尔沉默不语,他只瞥了一眼坐在左边的爱因斯坦。这时的爱因斯坦早已威名赫赫,但他也是一言不发,只是不停地摆弄着手中的大烟斗。

一直令玻尔惴惴不安的便是此君。在此以前他曾经几次征询过爱因斯坦对量子力学的看法。即便驽钝如玻尔很快也明白爱因斯坦是这种新兴力学最大的敌人,他曾几次在公开场合幽默地宣称:上帝是不掷骰子的。爱因斯坦是笃信上帝一定会给出确定性的解,而不会含糊其词的。

更令玻尔不安的是海森堡和泡利两员大将都还没到。他们出发已经足一个礼拜了呀。

正迟疑间,忽见一高一胖的两个人影从侧门悄悄晃了过来。不用说就是他们两个了。但是一见面玻尔还是吓了一跳,两人俱皆蓬头丐面,胡子也像很久没有刮过了。

原来这二人在转车住旅馆时争论地忘了形,被小偷光顾,结果连手上的行李到随身的车票和剃须刀都没保住。两人狼狈之极,偏偏在附近又没有认识的朋友,在火车站辗转流浪了几天总算赶到了这里。

他们刚坐定,正式的大辩论就开始了。所有的人都想站起来发言,现场的情形用混乱不堪来形容是远远不够的。

在遥远的菲律宾群岛上,有80种不同的语言,有时你跨过田埂就仿佛置身异地,有的语言一共也就十几个人会讲,1927年的量子力学就是这个情形。

这场辩论从会场一直持续到咖啡馆里。不管是店主还是服务员都惊讶地看着这群人或者高声争辩,或者用手蘸着咖啡在桌子上画着些奇怪的符号。

更有一位教授顺手掏出钢笔就在桌布上演算起来,昏暗的灯光下居然将偌大的桌布写得密密麻麻,但尽管如此仍未说服他的对手。最后他只得徒然地直起腰,转眼瞥见店主望着桌布痛惜的神情,走过去拍拍肩膀安慰道,老兄,留着这块桌布吧,这可是有很大的纪念意义呢!

当地的新闻记者们也都不明白这些人聚在这里为什么,公园球场里的冠军杯足球赛,各大剧院上演的最新歌剧,更多地吸引了他们的目光。可是在报告厅里的每一个人,都抑制不住心头的狂喜,一个全新的量子时代就要到来。 

(版权所有:meemei 原作)

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