1927年,第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開了,主題是光子和電子,討論當時新近構(gòu)建的量子力學(xué)。
索爾維會議是20世紀初一位比利時的實業(yè)家歐內(nèi)斯特·索爾維(Ernest Solvay, 1838-1922)創(chuàng)立的物理、化學(xué)領(lǐng)域討論的會議。1911年,第一屆索爾維會議在布魯塞爾召開,討論輻射和量子。以后每3年舉行一屆。
一張匯聚了物理學(xué)界智慧之腦的“明星照”則成了這次會議的見證,數(shù)十個涵蓋了眾多分支的物理學(xué)家都留下了他們的身影。
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | |
第三排 | 皮卡爾德 | 亨里奧特 | 埃倫費斯特 | 赫爾岑 | 頓德爾 | 薛定諤 | 維夏菲爾特 | 泡利 | 海森堡 | 福勒 | 布里淵 |
第二排 | 德拜 | 努森 | 布拉格 | 克雷默 | 狄拉克 | 康普頓 | 德布羅意 | 玻恩 | 玻爾 | ||
第一排 | 朗繆爾 | 普朗克 | 居里夫人 | 洛倫茲 | 愛因斯坦 | 朗之萬 | 古耶 | 威爾遜 | 理查森 |
第三排A.Piccard、E.Henriot、P.Ehrenfest、E.Herzen、Th.deDonder、E.Schr?dinger、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;
量子力學(xué)產(chǎn)生以來,正確性以被大量實驗驗證。然而,量子力學(xué)存在一個重大問題沒有解決:量子力學(xué)是否是完備的,波函數(shù)是否精確描寫了單個體系的狀態(tài)。
會議分為三派:
哥本哈根學(xué)派: | 波爾 | 波恩 | 海森伯 |
愛因斯坦派: | 愛因斯坦 | 德布羅意 | 薛定諤 |
實驗派: | 布拉格 | 康普頓 |
哥本哈根學(xué)派認為:
1 波函數(shù)精確地描述了單個體系的狀態(tài)。
2 波函數(shù)提供統(tǒng)計數(shù)據(jù),測不準關(guān)系的存在是由于粒子與測量儀器之間的不可控制性。
3 在空間,時間中發(fā)生的微觀過程和經(jīng)典因果律不相容。
愛因斯坦對此并不認同,一個沒有嚴格因果律的物理世界是不可想象的。他認為量子力學(xué)可能出了問題。
德布羅意說:粒子是波場中的一個奇異點,波引導(dǎo)著粒子運動。
泡利狠狠批評這個理論,舉出一系列實驗結(jié)果反駁德布羅意,德布羅意被迫放棄自己的觀點。
海森伯和波恩說:我們主張量子力學(xué)是完備的,它的基本物理假說和數(shù)學(xué)假設(shè)不能進一步修改。他們攻擊薛定諤的電子云。
薛定諤承認自己的計算不完美,但談?wù)撾娮榆壍朗呛丁?/p>
愛因斯坦終于說話了,他提出一個模型:
一個電子通過一個小孔得到衍射圖像。
愛因斯坦指出兩種觀點:
1 這里沒有一個電子,只有一團電子云。
2 的確只有一個電子,波函數(shù)是“幾率分布”。
愛因斯坦反對觀點2,因為:
這種隨機性表明同一過程產(chǎn)生不同結(jié)果。
即感應(yīng)屏的許多區(qū)域同時對電子觀測作出反應(yīng)。
而這似乎暗示一種超距作用,從而違背相對論。
"討論很快就變成一場愛因斯坦和波爾之間的決斗。"
"我們一般在旅館用早餐就見面,于是愛因斯坦就描繪一個思維實驗,他認為從中可以清楚地看出歌本哈根解釋的內(nèi)部矛盾。"
"一般來說玻爾在傍晚的時候就對這些理想實驗完全心中有數(shù),他會在晚餐時把它們分析給愛因斯坦聽。愛因斯坦對這些分析提不出反駁,但在心里他是不服氣的。"
愛因斯坦如此虔誠地信仰因果律,以致決不能相信哥本哈根那種憤世嫉俗的概率解釋。"上帝不擲骰子!"但是第一次論戰(zhàn)他輸了,輸給玻爾的哥本哈根學(xué)派。
三年后的秋天,第六屆索爾維會議在布魯塞爾召開。愛因斯坦瞄準最關(guān)鍵的精髓所在:不確定性原理!
愛因斯坦提出光箱實驗
箱子里有若干光子。
打開時間Δt,只放出一個光子,Δt確定
于是箱子輕了Δm,可以用理想的秤測出
將Δm代入E=mc^2,ΔE也確定
ΔE和Δt都確定,測不準原理
ΔEΔt > h/2π不成立
這個實驗的精髓所在是:
在精確測量Δt時,可以精確測量Δm
而Δm可以由質(zhì)能方程轉(zhuǎn)化為精確的ΔE
ΔE,Δt都是精確的,測不準關(guān)系失效了
玻爾對此毫無準備,他臉如死灰,呆若木雞。
第二天,玻爾的勝利到來了。
玻爾指出:
一個光子跑了,箱子輕了Δm
用彈簧秤稱,設(shè)置零點,設(shè)位移Δq
根據(jù)廣義相對論的紅移效應(yīng),箱子在引力場移動Δq,Δt也相應(yīng)改變ΔT
可以計算:ΔT>h/Δmc^2
代入E=mc^2得ΔEΔT > h/2π
這次輪到愛因斯坦說不出話了。
愛因斯坦的廣義相對論推翻了他自己。
哥本哈根學(xué)派大獲全勝。
愛因斯坦沒有出席第七屆索爾維會議,由于納粹德國的迫害而背井離鄉(xiāng)。
而這次會議的主題已改成原子物理。
量子力學(xué)的索爾維會議已經(jīng)結(jié)束了。
然而事情并沒有就此完結(jié)。
1935年,薛定諤發(fā)表論文《量子力學(xué)的現(xiàn)狀》,提出了惡夢般的貓實驗。
對此,哥本哈根學(xué)派只能吞下苦水,承認那只貓是處于"死活混合"的幽靈態(tài)。
No | Year | Title |
1 | 1911 | The theory of radiation and quanta |
2 | 1913 | The structure of matter |
3 | 1921 | Atoms and electrons |
4 | 1924 | Electric conductivity of metals and related problems |
5 | 1927 | Electrons and photons |
6 | 1930 | Magnetism |
7 | 1933 | Structure & properties of the atomic nucleus |
8 | 1948 | Elementary particles |
9 | 1951 | The solid state |
10 | 1954 | Electrons in metals |
11 | 1958 | The structure and evolution of the universe |
12 | 1961 | Quantum field theory |
13 | 1964 | The Structure and Evolution of Galaxies |
14 | 1967 | Fundamental Problems in Elementary Particle Physics |
15 | 1970 | Symmetry Properties of Nuclei |
16 | 1973 | Astrophysics and Gravitation |
17 | 1978 | Order and Fluctuations in Equilibrium and Nonequilibrium Statistical Mechanics |
18 | 1984 | Higher Energy Physics |
19 | 1987 | Surface Science |
20 | 1991 | Quantum Optics |
21 | 1998 | Dynamical Systems and Irreversibility |
22 | 2001 | The Physics of Communication |
23 | 2005 | The Quantum Structure of Space and Time |
24 | 2008 | Quantum Theory of Condensed Matter |
25 | 2011 | The theory of the quantum world |
26 | 2014 | Astrophysics and Cosmology |
27 | 2017 | The physics of living matter: Space, time and information in biology |
愛因斯坦,美籍德國猶太裔,理論物理學(xué)家,相對論的創(chuàng)立者,現(xiàn)代物理學(xué)奠基人。
1921年獲諾貝爾物理學(xué)獎,1999年被美國《時代周刊》評選為“世紀偉人”。
愛因斯坦曾經(jīng)是量子力學(xué)的催生者之一,但是他不滿意量子力學(xué)的后續(xù)發(fā)展,愛因斯坦始終認為“量子力學(xué)(以波爾為首的哥本哈根詮釋:“基本上,量子系統(tǒng)的描述是機率的。一個事件的機率是波函數(shù)的絕對值平方。”)不完備”,但苦于沒有好的解說樣板,也就有了著名的“上帝不擲骰子”的否定式吶喊!愛因斯坦到過世前都沒有接受量子力學(xué)是一個完備的理論。愛因斯坦還有另一個名言:“月亮是否只在你看著他的時候才存在?”
1927年10月參加第五屆布魯塞爾索爾維物理討論會,開始同哥本哈根學(xué)派就量子力學(xué)的解釋問題進行激烈論戰(zhàn)。發(fā)表《牛頓力學(xué)及其對理論物理學(xué)發(fā)展的影響》。
第五屆索爾維會議討論的核心是有關(guān)量子力學(xué)的,而追溯量子力學(xué)就不得不提及一個人,那便是馬克斯·普朗克(Max Planck1858~1947,前排左二),德國物理學(xué)家,“量子力學(xué)之父”。
參加這屆索爾維會議時他已經(jīng)69歲,德高望重,是當然的前輩。
19世紀末,揚棄古典物理學(xué)的觀念已提上日程。因而消除牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場這兩大理論之間的不一致,就成為二十世紀物理學(xué)發(fā)展的前提。普朗克此時提出了一個大膽的假說,在科學(xué)界一鳴驚人。這一假說認為輻射能(即光波能)不是一種連續(xù)的流,而是由小微粒組成的。他把這種小微粒叫做量子。普朗克的假說與經(jīng)典的光學(xué)學(xué)說和電磁學(xué)說相對立,使物理學(xué)發(fā)生了一場革命,使人們對物質(zhì)性和放射性有了更為深刻的了解。
荷蘭物理學(xué)家亨德瑞克·安圖恩·洛倫茲(Hendrik Antoon Lorentz,1853—1928,前排左四),在萊頓大學(xué)任教期間創(chuàng)立了電子論,并與塞曼因研究磁場對輻射現(xiàn)象的影響,發(fā)現(xiàn)塞曼效應(yīng),分享了1902年度諾貝爾物理學(xué)獎。
1904年他提出著名的洛侖茲變換公式,并指出光速是物體相對于以太運動速度的極限。
洛倫茲不僅是物理學(xué)界的明星人物,由于其通曉人文地理,且掌握多門外語,是國際物理學(xué)界的各種集會很受歡迎的主持人,此次物理學(xué)家的峰會便是由其主持。
這些物理界的明星人物中,有一人還對中國物理學(xué)會的成立起過積極的作用,那便是保羅·朗之萬(Paul Langevin,1872—1946,前排右四)。
朗之萬生于巴黎,1905年他看到愛因斯坦的論文后,對相對論表示了濃烈的興趣,并和愛因斯坦結(jié)下了深摯的友誼。他形象地闡述相對論并作了大量宣傳工作,因而有“朗之萬炮彈”的美稱。
1931年,正值“九一八事變”發(fā)生,朗之萬受國際聯(lián)盟委托來中國考察教育,對中國人民的抗日活動表示聲援。他甚至呼吁中國物理學(xué)界聯(lián)系起來,催化了當時醞釀已久的中國物理學(xué)會成立。朗之萬本人也成為中國物理學(xué)會第一位名譽會員。
埃倫費斯特(P.Ehrenfest,1880-1933,后排左三),荷蘭物理學(xué)家。如果說,玻爾的對應(yīng)原理是在經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué)之間架起的一座橋梁,那么埃倫費斯特的浸漸原理則是兩者之間的又一座橋梁。
1906年,埃倫費斯特開始研究普朗克輻射定律的統(tǒng)計力學(xué)基礎(chǔ)。愛因斯坦對他的思想評價頗高,1914年稱埃倫費斯特的原理為“浸漸假說”。玻爾也充分肯定埃倫費斯特的貢獻,承認在自己后來的工作中浸漸原理起了很重要的作用。
保羅·阿德里·莫里斯·狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac,1902-1984,中排左五)是一位英國物理學(xué)家。他長期從事科學(xué)研究,創(chuàng)立量子電動力學(xué);1928年建立“狄拉克方程”,即相對論形式的薛定諤方程;這個貌似簡單的方程式從理論上預(yù)言了正電子的存在,具有劃時代的意義;它對原子結(jié)構(gòu)及分子結(jié)構(gòu)都給予了新的詮釋。
1935年他曾來中國,在清華大學(xué)講學(xué),并曾被選為中國物理學(xué)會名譽會員。
彼得·德拜(Peter Debye,1884-1966,中排左一),是出生于荷蘭的美國物理化學(xué)家,發(fā)明了著名的德拜相機,使得X光材料分析成為一門課程。
1936年,因通過偶極矩研究及X射線衍射研究對分子結(jié)構(gòu)學(xué)科所作貢獻而獲諾貝爾化學(xué)獎。
物理學(xué),在通常的認識中是被男性占據(jù)的領(lǐng)地。夢之隊差一點又將佐證這一常識,但偏偏就有那么個“出格”的人打破了這一“神話”,那便是居里夫人。
1867年出生的瑪麗·斯可羅多夫斯·居里(Marie Curie,1867-1934,前排左三)盡管受教育較晚,卻一點都沒阻攔她在物理學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域的研究和所作的貢獻。
居里夫人憑著堅韌的精神前進在嚴肅的學(xué)術(shù)領(lǐng)地中,她選擇“放射性”作為其一生要攻克的領(lǐng)地,研究了許多物質(zhì),發(fā)現(xiàn)釷及其化合物的特性與鈾相同。研究瀝青鈾礦時,她發(fā)現(xiàn)了鐳和釙。
1910年她成功地分離了純鐳。
因居里夫人的突出貢獻,她曾兩次獲諾貝爾獎,1903年的物理獎,1911年的化學(xué)獎。
-End-