量子力學那點事群雄逐鹿之二:不相容與不確定

2020-12-03 科學背後的故事

泡利很著急,因為他生得晚,比德布羅意足足小了八歲,他還很有雄心壯志,因為他的教父就是威震天下的馬赫,馬赫可是愛因斯坦的心靈導師。

泡利覺得要是這麼按部就班的混下去,說不定新發現都被搶光了,那可是枉為馬赫的教子了,所以泡利決定不走尋常路。

泡利中學畢業後,就拿著父親的介紹信找到了索末菲教授,要求不讀大學,直接讀博士。這個操作太騷了,足足比別人省了四年時間啊,而海森堡比他小一歲,狄拉克比他小兩歲,他還省四年時間,他要是不成為量子力學的創始人都對不起他的騷操作。

索末菲也很為難,答應吧,從來就沒有人這麼幹過,拒絕吧,以後還能不能和老朋友一起玩耍。索末菲沉吟良久,決定騎牆走中庸之道,先學著吧,要是不行,就回去老老實實讀大學,要是行呢?不可能吧,這麼可能有人直接讀博士呢?

還真可能,泡利還真順利畢業了,天才就是天才,誰也沒辦法。

博士畢業後,泡利還為德國的《數學科學百科全書》寫了一個長達273頁的關於相對論的詞條,想一想小王子的論文,確實有點水,不過人家憑藉博士論文獲得了諾貝爾獎,這恐怕也是唯一一個靠博士論文獲獎的吧。

這個詞條得到了愛因斯坦的高度讚揚,這堅定了泡利要成為愛因斯坦繼承人的信心。要成為科學王國的繼承人,單單理解與解釋還是不夠的,必須要有自己獨創的見解。

1925年,泡利提出了泡利不相容原理,這到底是起點還是終點?泡利認為這只是他的起點,可對於物理學史來,這有點象他的終點。

泡利指出在原子中,不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的狀態。這是量子力學的支柱,也是量子力學基本的原理之一,而且承擔著量子論和量子力學承前啟後的作用。

首先,泡利不相容原理是量子論的巔峰,可以用來解釋玻爾—索末菲模型,還發展了量子論,不僅可以用在氫原子模型,還可以用在多原子上。

其次,泡利不相容原理還可以由量子力學推導出來,可是這個工作並不是泡利完成的,不相容原理可以推導出電子自旋,又很可惜泡利錯過了,依據不相容原理,費米解決了費米—狄拉克統計。

以泡利的天才可以吊打當時的所有天才少年,也包括愛因斯坦這樣的前輩,玻爾遇到難題的時候第一個想到的就是泡利,可是泡利的貢獻遠不能和他的天才匹配,想起了難免唏噓。

海森堡來到索末菲門下的時候,索末菲門下已經人才濟濟,索末菲都忙不過來了,於是索末菲就安排了一個助教來看著這群年輕人,這個助教就是泡利。雖然泡利只比海森堡大一歲,可是已經博士畢業了,作為大師兄,泡利和小師弟們打成了一片,學習氣氛非常融洽。

真的很難相信,如此溫爾文雅的海森堡以後居然成了納粹的幫兇

恰逢玻爾來到這裡演講,作為物理界的上帝之鞭,泡利自然掄起鞭子一頓亂抽,玻爾還無可奈何,誰叫自己的理論不完美呢?海森堡沒有師兄這麼囂張,對玻爾尊敬有加,這也開始了他們半輩子的友誼。

海森堡認為玻爾原子模型中的軌道頻率這些東西看不到摸不著的,根本就不能用來觀測,為什麼要用這些物理量來構建理論呢?為什麼不用能觀測到的光譜的頻率強度來演繹呢?

「電子在原子中的軌道是觀察不到的,但是從原子發出來的光,如它在放電過程中發出來的,則我們可以直接求出其頻率及振幅一知道了振動數和振幅的全體,那就等於是在迄今的物理學中知道了電子的軌道。由於這個理論裡只應接受可以觀察的量,所以在我看來,很自然只有引進這個整體來作為電子軌道的代表。」海森堡如是評價玻爾的原子模型

依據可觀察性原則把原子光譜的頻率振幅組成數組,又根據對應性原理把數組表示為電子的坐標和動量,這樣很快海森堡就提出了一種新理論,在新理論中海森堡還發現了一種新的數學方法,就是數組相乘不符合乘法交換律,簡單說來就是p×q≠q×p,這對於海森堡來說是個神奇的結論,海森堡非常得意,以為自己要象牛頓一樣開創一門新數學了。

其實這根本不是什麼新數學,而是矩陣。

海森堡創建了矩陣力學,可是他卻不懂矩陣,有點奇怪吧,不過確實是這樣,其實這也是造化弄人,海森堡的老師就是索末菲,索末菲數學水平頗高,一生最喜歡的事情就是拿別人的想法做數學推演,例如把玻爾原子模型就推演出了玻爾—索末菲結構,可是出來混,總是要還的,他的學生海森堡就因為數學不好,自己的想法被別人拿去做了數學推演,以至於和人共享了矩陣力學的發明權,天道好輪迴,蒼天饒過誰。

波恩看到了海森堡的論文後,立刻意識到這就是矩陣,可是波恩雖然知道,卻並不精通,於是找來約爾當一起重新構建了海森堡的論文,看來,多學數學是有好處的,這個愛因斯坦頗有感觸,他就是因為數學不好差點錯失廣義相對論的發明權。

矩陣力學是量子力學的第一個數學表達形式,不但涵蓋了玻爾原子模型,由於徹底拋棄了電子軌道這些經典概念,對於多原子模型也可以解釋。可以說是量子力學發展史上具有裡程碑意義的理論。

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