科學網—量子力學誰創立?

2021-01-15 科學網

 

■本報記者 韓天琪

量子力學,這一研究微觀粒子運動規律的物理學分支學科,與相對論一起奠定了現代物理學的基石。如果說牛頓力學是宏觀物理世界的理論基礎,那麼量子力學毫無疑問在微觀物理世界扮演相同的角色。河北大學科學技術史教授厚宇德認為:「在量子力學問世90年後的今天,人們認識到無論從技術領域的重要應用,還是從對其他學科、對人類思想的影響等角度去看,都難有其他科學分支像量子力學這樣對人類社會有如此巨大的影響和推動。然而對於如此重要的量子力學的創建歷史,卻存在著模糊不清甚至完全錯誤的認識。」

流行說法:玻爾而非玻恩

「學術界及社會公眾很長一段時間以來都認同這樣一個觀點,玻爾是建立量子力學的核心人物,而玻爾的哥本哈根研究所是建立量子力學的指揮部和大本營。」厚宇德在接受《中國科學報》記者採訪時表示。

這種認知看似並非空穴來風。玻爾是20世紀最重要的物理學家之一,甚至有人將其與愛因斯坦比肩作為20世紀對物理學發展作出最重要貢獻的二人之一。玻爾在物理學上通過引入量子化條件,提出了玻爾模型來解釋氫原子光譜,提出互補原理和哥本哈根詮釋來解釋量子力學,他還是哥本哈根學派的創始人,並於1922年榮獲諾貝爾物理學獎。從1925年至1926年,海森堡、玻恩、約爾丹、薛丁格、狄拉克等人從不同的路徑成功地創立了原子內部過程的全新理論量子力學。這其中玻恩、海森堡、約爾丹建立的矩陣力學是第一個量子力學理論體系。其後玻爾提出的「互補原理」曾被認為奠定了哥本哈根學派對量子力學解釋的基礎。「哥本哈根詮釋」對於哲學界影響巨大。

長期以來,由玻爾領銜的哥本哈根學派被中國學界視為20世紀第一物理學派。很多物理學家和物理學史學者都認為,哥本哈根學派以其高水平、多成就、大貢獻受到世界矚目,在20世紀20年代居於物理學研究的前沿。哥本哈根學派所在的玻爾研究所,會集了當時世界上最優秀的一批物理學家。在很多學派和研究所難以維繫、物理學家生存困難的時期,玻爾研究所卻因其充足的經費為物理學家們提供了難得的工作環境,成為當時物理學家的國際俱樂部。

有領袖、有理論、有學派、有「大本營」,玻爾作為量子力學的締造者似乎順理成章。但根據厚宇德的研究,這些現有證據都缺乏史料支撐。

玻爾對量子力學創建的影響

由玻爾創立的哥本哈根學派被認為「孕育」出了量子力學。但在厚宇德看來,哥本哈根學派的性質及其在量子力學創建過程中發揮的真正作用值得探討:「我認為哥本哈根學派的本質特徵是哲學觀點相似而不是物理學研究綱領相似的團體。」據厚宇德介紹,一個科學學派需要有學術界認同的核心人物、特色鮮明的學術思想、明確的研究綱領、穩定的學術隊伍、固定的研究所或實驗室及穩定的經費保證、開拓性的標誌成果等六個條件。而所謂的哥本哈根學派只符合其中第一個和第五個條件。厚宇德告訴記者,在向楊振寧先生請教時,楊先生曾說他熟悉「哥本哈根詮釋」,但似乎未聽過哥本哈根學派的說法。

此外,量子力學的重要理論貢獻主要完成於1925~1926年間,而所謂的「哥本哈根學派」從1927年才開始出現,彼時新量子力學的表述形式已經基本完成。費恩曼質疑過玻爾的貢獻,也有其他物理學家認為玻爾在建立量子力學方面的作用被高估了。哥本哈根詮釋與互補原理更屬於哲學認識論範疇的觀點,而鮮有物理學層面的實際意義。本質上說,哥本哈根學派是一個哲學學派。

「玻爾研究所對於當時的物理學界的確非常重要,但我認為這其中有一個很大的因素是通過不斷邀請外界著名物理學家和嶄露頭角的年輕人來研究所講學或短期工作而匯集了很多優秀物理學家,但這個集體既沒有建立量子力學的正確研究綱領、也沒有目標明確的穩定的學術隊伍、更沒有標誌性的開拓成果。」厚宇德認為將玻爾研究所說成創立量子力學的指揮部、大本營不符合史實。

玻恩:締造量子力學的領袖

厚宇德認為,在量子力學建立時期,玻恩與玻爾秉持的是完全不同的研究綱領。根據厚宇德的研究,海森堡晚年對於玻恩與玻爾在建立量子力學過程中的方法與思路有過比較說明。海森堡認為,玻恩更重視數學和形式化的立場,而玻爾則更重視哲學的立場。對於玻恩而言,物理學的描述永遠應該是數學的描述,所以他的注意力集中於如何藉助合適的數學去描寫我們在實驗室看到的有趣的事實。今天的物理學家清楚,玻恩當時選擇了正確道路。玻恩所領銜的哥廷根物理學派才是有領袖、有穩定隊伍、有理論、有標誌性成果的建立量子力學的「大本營」。

「首先,玻恩與弗蘭克是這個學派的核心人物。其次,玻恩具有鮮明的學術思想:嘗試改造彭加勒除了行星運動的微擾理論,使之適合於應用在原子世界;在創建矩陣力學之前,玻恩已多年向學生宣傳可觀察性原則,並將其明確表達出來;用數學手段改變了玻爾的對應原理,建立了玻恩對應法則。」厚宇德接著說,「第三,在建立量子力學的過程中,玻恩一直設法建立一個數學體系描述已有的物理現象,而不是像玻爾那樣設想從哲學意義上弄清楚現象背後的思想內涵。第四,玻恩、弗蘭克作為教授,與布羅迪、泡利、海森堡、約當、奧本海默等等助手或學生組成了基本穩定的學術隊伍。第五,哥廷根大學的理論物理研究所藉助於當時德國政策和愛因斯坦的特殊關照獲得了足夠維持研究之用的經濟資源。」最重要的是,玻恩1924年的《關於量子力學》一文及帶領海森堡、約當所做矩陣力學標誌性的一系列文章都是量子力學建立過程中經典開拓性的學術貢獻。

「科學史研究的是文獻資料,而不像科學本身那樣研究實在的客觀現象。文獻往往不充分,甚至有時存在彼此的截然衝突;人們的認識也不可避免要受到社會、經濟、政治、傳播,以及科學家個人與團體特徵等等的影響。這些都使歷史研究變得複雜起來。然而在研究科學史的過程中,最重要的還是遵循史學的研究徑路,要有理有據,要靠史料說話。」厚宇德最後提示道。

《中國科學報》 (2015-11-13 第6版 歷史)

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