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有史以来汇聚最多超级聪明人的一张照片见证第一次量子力学大论战

2017-11-29  东西二王

有史以来汇聚最多超级聪明人的一张照片见证第一次量子力学大论战

小智雅汇 2017-11-26 20:34:39

1927年,第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开了,主题是光子和电子,讨论当时新近构建的量子力学。

索尔维会议是20世纪初一位比利时的实业家欧内斯特·索尔维(Ernest Solvay, 1838-1922)创立的物理、化学领域讨论的会议。1911年,第一届索尔维会议在布鲁塞尔召开,讨论辐射和量子。以后每3年举行一届。

一张汇聚了物理学界智慧之脑的“明星照”则成了这次会议的见证,数十个涵盖了众多分支的物理学家都留下了他们的身影。

有史以来汇聚最多超级聪明人的一张照片见证第一次量子力学大论战


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第三排皮卡尔德亨里奥特埃伦费斯特赫尔岑顿德尔薛定谔维夏菲尔特泡利海森堡福勒布里渊
第二排德拜努森布拉格克雷默狄拉克康普顿德布罗意玻恩玻尔

第一排朗缪尔普朗克居里夫人洛伦兹爱因斯坦朗之万古耶威尔逊理查森


有史以来汇聚最多超级聪明人的一张照片见证第一次量子力学大论战

第三排A.Piccard、E.Henriot、P.Ehrenfest、E.Herzen、Th.deDonder、E.Schrödinger、J.E.Verschaffelt、W.Pauli、W.Heisenberg、R.H.Fowler、L.Brillouin;

第二排P.Debye、M.Knudsen、W.L.Bragg、H.A.Kramers、P.A.M.Dirac、A.H.Compton、L.deBroglie、M.Born、N.Bohr;

第一排I.Langmuir、M.Planck、M.Curie、H.A.Lorentz、A.Einstein、P.Langevin、Ch.E.Guye、C.T.R.Wilson、O.W.Richardson;

有史以来汇聚最多超级聪明人的一张照片见证第一次量子力学大论战

量子力学产生以来,正确性以被大量实验验证。然而,量子力学存在一个重大问题没有解决:量子力学是否是完备的,波函数是否精确描写了单个体系的状态。

会议分为三派:

哥本哈根学派:波尔波恩海森伯
爱因斯坦派:爱因斯坦德布罗意薛定谔
实验派:布拉格康普顿

哥本哈根学派认为:

1 波函数精确地描述了单个体系的状态。

2 波函数提供统计数据,测不准关系的存在是由于粒子与测量仪器之间的不可控制性。

3 在空间,时间中发生的微观过程和经典因果律不相容。

爱因斯坦对此并不认同,一个没有严格因果律的物理世界是不可想象的。他认为量子力学可能出了问题。

论战展开

德布罗意说:粒子是波场中的一个奇异点,波引导着粒子运动。

泡利狠狠批评这个理论,举出一系列实验结果反驳德布罗意,德布罗意被迫放弃自己的观点。

海森伯和波恩说:我们主张量子力学是完备的,它的基本物理假说和数学假设不能进一步修改。他们攻击薛定谔的电子云。

薛定谔承认自己的计算不完美,但谈论电子轨道是胡扯。

爱因斯坦发言

爱因斯坦终于说话了,他提出一个模型:

一个电子通过一个小孔得到衍射图像。

爱因斯坦指出两种观点:

1 这里没有一个电子,只有一团电子云。

2 的确只有一个电子,波函数是“几率分布”。

爱因斯坦反对观点2,因为:

这种随机性表明同一过程产生不同结果。

即感应屏的许多区域同时对电子观测作出反应。

而这似乎暗示一种超距作用,从而违背相对论。

海森伯的回忆

"讨论很快就变成一场爱因斯坦和波尔之间的决斗。"

"我们一般在旅馆用早餐就见面,于是爱因斯坦就描绘一个思维实验,他认为从中可以清楚地看出歌本哈根解释的内部矛盾。"

"一般来说玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验完全心中有数,他会在晚餐时把它们分析给爱因斯坦听。爱因斯坦对这些分析提不出反驳,但在心里他是不服气的。"

论战结果

爱因斯坦如此虔诚地信仰因果律,以致决不能相信哥本哈根那种愤世嫉俗的概率解释。"上帝不掷骰子!"但是第一次论战他输了,输给玻尔的哥本哈根学派。

第二次论战

三年后的秋天,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。爱因斯坦瞄准最关键的精髓所在:不确定性原理!

爱因斯坦提出光箱实验

箱子里有若干光子。

打开时间Δt,只放出一个光子,Δt确定

于是箱子轻了Δm,可以用理想的秤测出

将Δm代入E=mc^2,ΔE也确定

ΔE和Δt都确定,测不准原理

ΔEΔt > h/2π不成立

这个实验的精髓所在是:

在精确测量Δt时,可以精确测量Δm

而Δm可以由质能方程转化为精确的ΔE

ΔE,Δt都是精确的,测不准关系失效了

玻尔对此毫无准备,他脸如死灰,呆若木鸡。

第二天,玻尔的胜利到来了。

玻尔指出:

一个光子跑了,箱子轻了Δm

用弹簧秤称,设置零点,设位移Δq

根据广义相对论的红移效应,箱子在引力场移动Δq,Δt也相应改变ΔT

可以计算:ΔT>h/Δmc^2

代入E=mc^2得ΔEΔT > h/2π

这次轮到爱因斯坦说不出话了。

爱因斯坦的广义相对论推翻了他自己。

哥本哈根学派大获全胜。

爱因斯坦没有出席第七届索尔维会议,由于纳粹德国的迫害而背井离乡。

而这次会议的主题已改成原子物理。

量子力学的索尔维会议已经结束了。

然而事情并没有就此完结。

1935年,薛定谔发表论文《量子力学的现状》,提出了恶梦般的猫实验。

对此,哥本哈根学派只能吞下苦水,承认那只猫是处于"死活混合"的幽灵态。

Solvay Conferences on Physics

NoYearTitle
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111958The structure and evolution of the universe
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232005The Quantum Structure of Space and Time
242008Quantum Theory of Condensed Matter
252011The theory of the quantum world
262014Astrophysics and Cosmology
272017The physics of living matter: Space, time and information in biology

爱因斯坦

爱因斯坦,美籍德国犹太裔,理论物理学家,相对论的创立者,现代物理学奠基人。

1921年获诺贝尔物理学奖,1999年被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

爱因斯坦曾经是量子力学的催生者之一,但是他不满意量子力学的后续发展,爱因斯坦始终认为“量子力学(以波尔为首的哥本哈根诠释:“基本上,量子系统的描述是机率的。一个事件的机率是波函数的绝对值平方。”)不完备”,但苦于没有好的解说样板,也就有了著名的“上帝不掷骰子”的否定式呐喊!爱因斯坦到过世前都没有接受量子力学是一个完备的理论。爱因斯坦还有另一个名言:“月亮是否只在你看着他的时候才存在?”

1927年10月参加第五届布鲁塞尔索尔维物理讨论会,开始同哥本哈根学派就量子力学的解释问题进行激烈论战。发表《牛顿力学及其对理论物理学发展的影响》。

M·普朗克

第五届索尔维会议讨论的核心是有关量子力学的,而追溯量子力学就不得不提及一个人,那便是马克斯·普朗克(Max Planck1858~1947,前排左二),德国物理学家,“量子力学之父”。

参加这届索尔维会议时他已经69岁,德高望重,是当然的前辈。

19世纪末,扬弃古典物理学的观念已提上日程。因而消除牛顿力学和麦克斯韦电磁场这两大理论之间的不一致,就成为二十世纪物理学发展的前提。普朗克此时提出了一个大胆的假说,在科学界一鸣惊人。这一假说认为辐射能(即光波能)不是一种连续的流,而是由小微粒组成的。他把这种小微粒叫做量子。普朗克的假说与经典的光学学说和电磁学说相对立,使物理学发生了一场革命,使人们对物质性和放射性有了更为深刻的了解。

H·A·洛伦兹

荷兰物理学家亨德瑞克·安图恩·洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz,1853—1928,前排左四),在莱顿大学任教期间创立了电子论,并与塞曼因研究磁场对辐射现象的影响,发现塞曼效应,分享了1902年度诺贝尔物理学奖。

1904年他提出著名的洛仑兹变换公式,并指出光速是物体相对于以太运动速度的极限。

洛伦兹不仅是物理学界的明星人物,由于其通晓人文地理,且掌握多门外语,是国际物理学界的各种集会很受欢迎的主持人,此次物理学家的峰会便是由其主持。

P·朗之万

这些物理界的明星人物中,有一人还对中国物理学会的成立起过积极的作用,那便是保罗·朗之万(Paul Langevin,1872—1946,前排右四)。

朗之万生于巴黎,1905年他看到爱因斯坦的论文后,对相对论表示了浓烈的兴趣,并和爱因斯坦结下了深挚的友谊。他形象地阐述相对论并作了大量宣传工作,因而有“朗之万炮弹”的美称。

1931年,正值“九一八事变”发生,朗之万受国际联盟委托来中国考察教育,对中国人民的抗日活动表示声援。他甚至呼吁中国物理学界联系起来,催化了当时酝酿已久的中国物理学会成立。朗之万本人也成为中国物理学会第一位名誉会员。

P.埃伦费斯特

埃伦费斯特(P.Ehrenfest,1880-1933,后排左三),荷兰物理学家。如果说,玻尔的对应原理是在经典物理学和量子力学之间架起的一座桥梁,那么埃伦费斯特的浸渐原理则是两者之间的又一座桥梁。

1906年,埃伦费斯特开始研究普朗克辐射定律的统计力学基础。爱因斯坦对他的思想评价颇高,1914年称埃伦费斯特的原理为“浸渐假说”。玻尔也充分肯定埃伦费斯特的贡献,承认在自己后来的工作中浸渐原理起了很重要的作用。

P.A.M.狄拉克

保罗·阿德里·莫里斯·狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac,1902-1984,中排左五)是一位英国物理学家。他长期从事科学研究,创立量子电动力学;1928年建立“狄拉克方程”,即相对论形式的薛定谔方程;这个貌似简单的方程式从理论上预言了正电子的存在,具有划时代的意义;它对原子结构及分子结构都给予了新的诠释。

1935年他曾来中国,在清华大学讲学,并曾被选为中国物理学会名誉会员。

P.德拜

彼得·德拜(Peter Debye,1884-1966,中排左一),是出生于荷兰的美国物理化学家,发明了著名的德拜相机,使得X光材料分析成为一门课程。

1936年,因通过偶极矩研究及X射线衍射研究对分子结构学科所作贡献而获诺贝尔化学奖。

M.居里夫人

物理学,在通常的认识中是被男性占据的领地。梦之队差一点又将佐证这一常识,但偏偏就有那么个“出格”的人打破了这一“神话”,那便是居里夫人。

1867年出生的玛丽·斯可罗多夫斯·居里(Marie Curie,1867-1934,前排左三)尽管受教育较晚,却一点都没阻拦她在物理学、化学等领域的研究和所作的贡献。

居里夫人凭着坚韧的精神前进在严肃的学术领地中,她选择“放射性”作为其一生要攻克的领地,研究了许多物质,发现钍及其化合物的特性与铀相同。研究沥青铀矿时,她发现了镭和钋。

1910年她成功地分离了纯镭。

因居里夫人的突出贡献,她曾两次获诺贝尔奖,1903年的物理奖,1911年的化学奖。

-End-

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