什么是「量子力学」?它的历史由来是什么样的?

都编辑推荐了啊,那我接着把剩下的写完。想了一下,算分成三部分吧,第一部分叫长路漫漫,说一下原子概念到量子概念,诸位大神也差不多登场了,第二部分叫群雄逐鹿,说一下那群星星,看看星空到底如何灿烂,第三部分叫华山论剑,终极boss登场,说一下爱因斯坦和玻尔的世纪之争。

好了,废话少说,开始吧。要说量子力学的历史那可就太长了。长到什么时候呢?长到公元前。

长路漫漫之一:原子论——古希腊的哲思

在古老中国,我们认为世界由金木水火土组成,这是我们的五行学说,希腊也好不了多少,他们认为是地火水风构成了世界,这就是四元素说。应该承认,这都是伟大先辈们对世界本质的思考,虽然现在看来有些粗糙,但在当时却是伟大的进步。

我们和他们的区别就在于他们早早就放弃了这种粗浅的认识,而我们还有太多五行学说的支持者,说起来有点愧对祖宗。好了,不说烦心事了,还是看希腊吧。

四元素说的代表是亚里士多德,科学的发展史前半部分基本上就是一部对亚里士多德的围剿史,这其实更凸显了亚里士多德的伟大,能成为众矢之的并不是一件容易事,首先得够格啊,科学史的后半部分呢,就是对牛顿的围剿史,可是这丝毫没有减弱牛顿的光芒。

亚里士多德发展了四元素说,提出了第五元素。就是这个。

不对,亚里士多德说的第五元素就是以太。以太简直就是物理学的噩梦,直到爱因斯坦出世才驱逐了它。

好了,也不多说以太了,那是相对论的故事。还是说量子力学。

在希腊,还诞生了一种假说,那就是原子说,有德谟克利特的老师提出,并由德谟克利特发扬光大。这就是量子力学的起源。

德谟克利特认为世界由原子构成,原子是最小的,不可分割的粒子,原子都是相同的,不同的只是形状体积和序列。现在看来,德谟克利特的学说是不是非常先进啊,不过,这只是一种假说,是一种哲学思想,并不是科学理论。

对了,德谟克利特还认为人就是一个小宇宙,就象这样一样。

至于圣斗士是不是受到了德谟克利特的启发,这个说不准,但是,道尔顿一定是受到了他的启发。

长路漫漫之二:原子分子说——道尔顿的傲慢

作为物理学中最重要的概念之一的原子最初并没有用在物理上,而是用在了化学上。

当其时,拉瓦锡已经推翻了“燃素说”,就象以太是物理学的噩梦一样,燃素就是化学的阴影,关于拉瓦锡和燃素的故事,可以看我专栏的相关文章,不再多说了。

在拉瓦锡推翻“燃素说”,建立起了氧化说,就意味着已经颠覆了千年来的“四元素说”,而且在氧化说建立过程中,已经发现了很多新元素,当然这不是拉瓦锡一人的功劳,这份光辉的名单中还有卡文迪许、普利斯特里和舍勒。

拉瓦锡已经提出了元素的概念,并制定了第一个元素表,注意不是元素周期表,当然,这份元素表中还有一些错误,因为拉瓦锡把一些化合物也放入了元素表中,如果假以时日,拉瓦锡未必不能做出更大的贡献。可是法国大革命的风暴把拉瓦锡送上了断头台,他的工作只好留给道尔顿来完成。

道尔顿是一个自学成才的典范,当然也穷的可怜,而且还患有色盲症,于是他第一个研究了色盲症,所以色盲症也被称为道尔顿症,他曾经最早发现了气体的查理定律和盖吕萨克定律,不过他并没有深究,但是他发现了道尔顿分压定律,就是混合气体中某组分的压强与其他组分压强无关,且总压强等于两者压强和,他还提出了溶解是一种物理现象。

道尔顿的这些发现比起他的前辈拉瓦锡来,确实有点微不足道,但是他比起拉瓦锡来更有哲学思想。

1803年,道尔顿在德谟克利特原子论和牛顿微粒说的基础上,(爵爷居然又出现了,真是永远绕不开的牛顿啊),提出了原子说。

道尔顿的原子说认为化学元素由不可分的微粒—原子构成,他认为原子在一切化学变化中是不可再分的最小单位。同种元素的原子性质和质量都相同,不同元素原子的性质和质量各不相同,原子质量是元素基本特征之一。不同元素化合时,原子以简单整数比结合。

第一点基本上就是德谟克利特的观点,不过意义不同,德谟克利特的是一种哲学观,而道尔顿说的是科学概念,第二点脱胎于拉瓦锡的元素概念,也有德谟克利特的影子,关键是第三点,原子以简单整数比结合,这就是说不存在半个原子的说法,这是什么啊?这就叫不连续性啊,这算不算最初的量子萌芽呢?

道尔顿还第一个着手测量原子量,在当时条件下,这就是一个不可能完成的任务啊,可是道尔顿用了一个巧妙的方法,他用氢原子作为1个单位,测量了其他元素的相对原子量,这种方法我们现在还在使用。

道尔顿还建议用简单的符号来代表元素和化合物,就象这样。

是不是和我们的象形文字有点点象啊,确实有点象,不过和我们毫无关系,但是这很重要,有了符号,以后就可以写化学方程式了啊。现在道尔顿可以和拉瓦锡相提并论了吧。

确实是的。原子论一出,道尔顿顿时名震欧洲,可谓“一举成名天下知”,当然也摆脱了穷困,这和后来的法拉第颇为相似,不过他却没有晚辈法拉第的伟大情操,他反而向前辈牛顿学习,晚年骄傲起来。

道尔顿提出原子论之后,盖.吕萨克发现参加同一反应的各种气体,在同温同压下,其体积成简单的整数比。这就是盖吕萨克定律,盖吕萨克还是道尔顿的支持者,认为这是原子论的重要补充,进而提出在同温同压下,相同体积的不同气体含有相同数目的原子。

可是,盖吕萨克的热脸却蹭上了道尔顿的冷屁股。道尔顿根本就不鸟盖吕萨克,认为他是胡说。为什么呢?因为道尔顿思考的更深入,前面说过,道尔顿早就发现了盖吕萨克定律,可是却抛至一边,因为道尔顿认为这个发现和他的原子论相悖。

道尔顿还真不是瞎说。先看一个化学方程式吧。N2+O2=2NO,是不是很熟悉?对呀,这就是氮气和氧气反应生成一氧化氮的方程式,可是当时并不知道一个氮气分子包含有两个氮原子啊,所以道尔顿认为,方程式应该是这样的,N+O=2NO,这意味着什么?意味着有半个氮原子和半个氧原子,这是不符合道尔顿的原子论的,因为原子不可分割。

其实理论出现问题很正常啊,要么是理论错,要么是对世界的认识还不够,可是道尔顿觉得自己不会错,所以就说吕萨克错了,这是不是很象晚年的爵爷,不过爵爷是真牛,道尔顿可没有这么牛,这就叫“没有公主命,一身公主病”。

于是俩人天天吵架,吵了多年也没有个结果,整个化学界都很烦,觉得两人说的都不错。

这时候阿伏伽德罗站了出来,准备当个和事佬。阿伏伽德罗指出在同温同压下,相同体积的不同气体具有相同数目的分子。看出区别没有?盖吕萨克说的是原子数目相同,阿伏伽德罗说的是分子数目相同,仅有一字之差,这就是传说中的一字千金。这一字不但调和了两人的矛盾,还补充了原子论,从此原子论就变成了原子分子论。

按理说,阿伏伽德罗做出了这么大贡献,应该和道尔顿一样得享盛名吧,可是没有,直到阿伏伽德罗去世,他的理论都没有得到重视。去世后,人们才承认了他的贡献。

人生悲凉,莫过于此。不过阿伏伽德罗的命运比起玻尔兹曼来还是好了一些。

长路漫漫之三:死神永生——玻尔兹曼的悲伤

还记得那个妖娆的麦克斯韦妖吗?就是她。

这个妖精就是麦克斯韦妖,她掌管着一扇门,左右两侧都是气体分子,看到速度快的分子她就放过来,速度慢就闭门不纳,这样,过一段时间,门两侧的温度就会有差别。

不多说了,关于麦克斯韦的故事可以看一下我这篇回答。

麦克斯韦到底伟大在何处?

关于麦克斯韦妖的问题,可以看我专栏里这篇文章。

吴牛喘月:热力学传奇之十:面对死神,麦克斯韦妖表示有话要说

不是骗赞啊,因为他们今天不是主角,只是背景板,所以有兴趣就去看一眼,兴趣不大的话,不看也可以,也不影响这篇的阅读。

言归正传啊。麦克斯韦动不动就用分子来做思想实验,看起来原子分子概念已经是常识了,可是现实却不是这样。

化学家们玩得风生水起,物理学家们自然也不甘人后。在牛顿爵爷之后,又有两门学问发展了起来,一个是电磁学,后来开创了第二次工业革命,还有一个是热力学,这个直接开创了第一次工业革命。电磁学和量子力学关系紧密,它的故事一会再说,先说热力学

热力学的历史就是一部血泪史啊,关于热力学的故事,我专栏里有系列文章,就不贴链接了,虽然夏天了,我也不能老卖瓜不是。

而且人们对热力学执念颇深,因为推翻了热力学就意味着造出了永动机,这可是“千秋万载,一统江湖”的大事,关键是热力学还明白如话,人人能看得懂,所以,民科们就天天怼热力学。克劳修斯此公提出了热力学第二定律)不胜其烦,提出了熵的概念,这下大部分民科看不懂了,耳朵可以清净两天了。

可是没想到,麻烦更大了。玻尔兹曼百尺竿头更进一步,提出了玻尔兹曼熵公式,这个公式太恐怖了,简单来说,世界只能走向死亡,根本就没有希望,这就是黑暗森林这就是死神永生。

于是不但民科怼热力学,自然科学家也开始怼热力学,包括伟大的麦克斯韦,麦克斯韦妖就是为了怼热力学提出的,社会学家也看热力学不顺眼,因为照玻尔兹曼的观点,人类社会最终也是灭亡,那大家还混个什么劲啊。

对于热力学的种种质疑,玻尔兹曼一一做了辩解,还提出了一些奇思妙想,象玻尔兹曼大脑。

关于玻尔兹曼的故事,可以看一下我专栏的这一篇文章。

吴牛喘月:孤独的旅人:玻尔兹曼

因为今天玻尔兹曼不是主角,所以麻烦大家移步了。

但是面对奥斯特瓦尔德的质疑,玻尔兹曼有点无可奈何了。玻尔兹曼熵公式的根本就是原子分子说,其实热力学的根本也是,要是说世界的本源不是原子的话,那么熵公式就是无源之水无本之木了,所以奥斯特瓦尔德就抓住了这一点。

奥斯特瓦尔德坚持的是“唯能说”,认为世界的本源是能量,于是两人就展开一场旷日持久的论战,论战的结果是玻尔兹曼自杀。

明明自己说的对,偏偏被别人说的一无是处,想起来确实心塞。这要 等到爱因斯坦出世才给玻尔兹曼平反昭雪,确定了原子说的地位,这一路走来,确实艰辛。

不过辩论就辩论呗,值得自杀吗?对于玻尔兹曼来说,还真难以解脱,因为几乎所有人都站在了玻尔兹曼的对立面。

奥斯特瓦尔德的老师恩斯特.马赫站在了唯能说一边,马赫是一位“遇神杀神,遇佛杀佛”的学界大牛,他 的教子就是后来睥睨江湖的泡利,马赫平生所恨就是没和牛顿生于同一时代,以至于不能和牛顿一争高下,只好对牛顿进行鞭尸,对于大神牛顿都不放在眼中的马赫自然不会对玻尔兹曼假以辞色,在论战中,由于马赫的巨大影响力,大部分科学家都没有站在玻尔兹曼一边。

只有一位少年站在了玻尔兹曼这一边,这个少年就是后来大名鼎鼎的普朗克。

长路漫漫之四:黑体辐射——普朗克的重大发现

说起普朗克,就不由得要祭出这张图。

这才叫颜值,这才叫儒雅,这才叫书卷气,再想想那些小鲜肉,不想了,我有点想吐。

关于普朗克的故事在这里。

吴牛喘月:普朗克:从美少年到学术古柏

普朗克还有一个师兄叫赫兹,等会再说他,他的老师就是基尔霍夫,基尔霍夫就是串联电路并联电路的基尔霍夫,每次想起来都觉得神奇,老师还在研究电路,学生居然都提出量子论了,看来那个时代确实是人类科技爆炸的年代。

基尔霍夫当然不只研究电路,否则怎么会有赫兹和普朗克这么两位学生啊。基尔霍夫还提出了基尔霍夫辐射定律,就是在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收率之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关。

物理学家们都喜欢理想状态,这是物理学的一个优良传统,例如牛顿爵爷在理想状态 下提出了牛顿力学,克拉伯龙提出了理想状态下的气体方程,那么这个辐射也应该由一个理想状态,这个理想状态就是黑体。

理想黑体比黑洞还黑,霍金说黑洞还辐射点东西呢,而理想黑体只吸收不辐射,那么黑体的辐射规律是怎么样的呀。

维恩第一个做出了解答,这就是维恩近似,看起来维恩有点心虚,他知道自己的说法不太准确,所以谦虚得称之为近似,光有近似肯定不合适,于是普朗克提出了自己的黑体辐射公式。

在普朗克公式中,能量并不是连续的,而是由一个最小量,这就是量子假说。

普朗克公式是经典物理学与现代物理学的分野,第一次表达出来量子的观念,经此一役,物理学才化蛹为蝶,可以翩翩飞舞于宇宙之中。

需要指出的是,普朗克并不是为了解决所谓的“紫外灾变”而提出普朗克公式的,“紫外灾变”指的是上图中中的瑞利—金斯公式不适用于高频区,而普朗克公式的提出早于瑞利—金斯公式。

之所以会产生这种说法,是因为瑞利—金斯公式是由经典统计力学推导出来的,更易于为大家所接受,而普朗克的量子化表达式过于骇人听闻,这也怪不得瑞利和金斯,就是普朗克自己对量子化也有些犹豫不定。

普朗克虽然提出了量子化的电磁波表达式,却没有提出电磁波的量子化概念,量子观念的提出要交给爱因斯坦了。

长路漫漫之五:光电效应——爱因斯坦的狂想

说起爱因斯坦,首先想起的肯定是相对论,不过,在1905年,爱因斯坦写了五篇论文,每一篇都是石破天惊,狭义相对论只不过是其中一篇。这五篇中就有一篇关于光电效应的,还有一篇是关于布朗运动的,先说一下布朗运动这一篇吧。

这一篇论文首次确认了原子论的地位,算 是为玻尔兹曼沉冤昭雪是确认啊,不是提出啊,并且提出了一种计算阿伏伽德罗常数的方法,法国物理学家佩兰依照爱因斯坦的论文做了实验,获得 了诺贝尔奖,佩兰还是后来德布罗意的论文评审,爱神的这一篇论文导致了一个诺贝尔奖,为两个人正了名,功莫大焉。

回过头来接着说光电效应。

光电现象是普朗克的师兄赫兹发现的,不过师兄弟两人擅长不同,普朗克擅长思考,赫兹擅长实验。如果师兄弟联手的话,估计就没爱因斯坦什么事了,只不过赫兹去世的早,俩人没有机会演绎一段佳话。

赫兹最尊重的人当然是麦克斯韦了,所以他要用实验来证实麦克斯韦关于电磁波的设想。

关于赫兹发现电磁波的故事可以看这一篇文章。

吴牛喘月:光学简史之十:如果不是这个现象,赫兹就会终结光学之争

光电现象可以看这个

吴牛喘月:光学简史之十一:关于光电效应,爱因斯坦表示我有一种新想法

本来赫兹的故事值得大书特书,不过这确实不是他主场,还是请爱因斯坦出来吧。

爱因斯坦这篇论文叫做《关于光的产生和转化的一个试探性观点》,别说,爱因斯坦当年还是很谦虚的,这就是关于“光电效应”的论文。

爱因斯坦指出光是一群离散的量子,而不是之前认为的连续性的波。这还只是在准备终结光学之争,到底是微粒还是波,爱因斯坦认为是光量子,这是最关键的。

爱因斯坦认为组成光束的每一个量子所拥有的能量等于频率乘以普朗克常数。如果光子的频率大于某极限频率,则这光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸,造成光电效应,这种说法解释了为什么光电子的能量只与频率有关,而与辐照度无关。

到此为止,包括普朗克的量子假说,爱因斯坦的光量子假说都还只是理论设想,物理学家嘛,必须要靠实验说话。麦克斯韦妖靠赫兹的实验,爱因斯坦靠谁呢?靠密立根。

密立根就是最早测出电子电荷量的,不过他的实验有编造数据的嫌疑,最神奇的就在这,他编数据还编对了。密立根决定做实验来反驳一下爱因斯坦,对,没看错,他就是为了反驳爱因斯坦。

可结果呢,他居然证实了爱因斯坦的说法,这个实验为他自己带来了诺贝尔奖,爱因斯坦也获得了一生中唯一一次诺贝尔奖。

现在量子论的两位大神都出现了,还缺一位呢?这个时候玻尔正头疼呢。

长路漫漫之六:原子模型——玻尔的宣言

爱因斯坦提出光量子假说的时候,玻尔还没有大学毕业呢,但是他们俩却是同一年获得了诺贝尔奖,怎么回事呢?

因为爱因斯坦获奖那一年,诺贝尔奖没有发,只好等到下一年一块发,下一年获得诺贝尔奖的就是玻尔,所以他俩同一年获得了炸药奖,算是一段佳话。

说起玻尔的成就,还得从赫兹说起。

赫兹一辈子做了三件小事,一件是发现了电磁波,一件是发现了光电效应,还有一件就是差点发现了电子。为什么说差点啊?还是因为他活的太短了,年仅37岁就匆匆离世。

电磁波实验之后,他又重新做了阴极射线的实验,而且发现了磁场对阴极射线的影响,这离电子的发现只差一步了,现在我们清楚,阴极射线就是电子流,无论电场还是磁场都会使电子流偏转,可是这时候由于健康原因不得不中断了实验。

在赫兹逝世三年后,汤姆孙几乎完全重复了赫兹的实验,只是提高了真空管的真空度,减少了空气分子对阴极射线的影响,发现了在静电场作用下阴极射线出现了偏转,从而发现了电子,获得了1906年的诺贝尔物理奖,开启了原子物理的新时代。

汤姆孙并不只是捡了个便宜,他也是一代奇人。他是晚婚晚育的模范,他不但自己晚婚晚育,还教导弟子也晚婚晚育,他的弟子就是卢瑟福。

他晚婚晚育的理由是先成名再成家,所以打算获得诺贝尔奖之后,不对,他那时候还没有诺贝尔奖,虽然他也获得了一个炸药奖。他是在获得了亚当斯物理奖之后才结婚的,所以后来卢瑟福投到他门下的时候,他也建议卢瑟福也这么办。

卢瑟福是穷孩子出身,获得了奖学金才能继续求学,所以呢,他没有获得奖学金,可是为什么又得以深造了呢?因为获得奖学金的那位已经结婚了,觉得那份奖学金不足以支撑小两口的生活,就没有去,所以奖学金就落到了卢瑟福头上。

卢瑟福并不是单身狗,也有意中人。当时卢瑟福最拿手的是关于无线电的研究,其水准不在马可尼特斯拉之下,卢瑟福打算卖了专利和老婆结婚,可是没想到老师是晚婚晚育模范啊,又架不住老师天天说,所以就追随老师,也打算晚婚晚育,他们师徒俩无所谓,只是卢瑟福的老婆暗暗骂了汤姆孙好多年。

别看晚婚晚育,师徒俩的孩子都不一般。汤姆孙的儿子后来也获得了诺贝尔奖,卢瑟福家是个女儿,招了个女婿就是福勒,福勒就是热力学第零定律的提出者,福勒还有一个学生就是后来闻名遐迩的狄拉克。

汤姆孙发现电子后,提出了他的原子模型,这就是西瓜模型或者叫梅子布丁模型,还可以叫枣糕模型,总而言之,汤姆孙先生是个吃货。

汤姆孙原子模型大意就是原子带正电,带负电的电子均匀地分布在原子内部,就象枣糕上的枣,西瓜中的西瓜籽一样。

汤姆孙的原子模型很快被学生卢瑟福推翻了。处于对老师的尊重,卢瑟福打算做实验验证一下老师的原子模型,省的被人打脸,于是就做了α粒子散射实验,汤姆孙确实没有被别人打脸,却被自己的学生打脸了。

汤姆孙的原子模型无法解释α粒子散射实验,于是卢瑟福提出了行星模型。

在卢瑟福的行星模型中,原子核带正电,具有原子几乎所有的重量,电子带负电,就象行星围绕太阳旋转一样围绕着原子核转动。

不过卢瑟福也没有高兴多久,他的原子模型被他的学生玻尔推翻了,这回倒不是玻尔做实验,论做实验,没有几个人能超过卢瑟福,是因为依照卢瑟福的模型,电子最终会落入电子核。

在卢瑟福的原子行星模型中,电子象行星围绕太阳旋转一样围绕着原子核旋转,可是根据经典的电磁理论,这样电子会发出电磁辐射,损失能量,最后会落到原子核中。

打个比方,就好像用一根绳子拴住一个石头做匀速圆周运动,随着牵引绳子力量的减小,石头圆周运动的半径会逐步连续减小,最后石头会落向圆心,但是电子却不会落向原子核,这和实际不符,卢瑟福也不能解释这个问题。玻尔提出了自己的原子模型

玻尔的原子模型和卢瑟福原子模型的根本区别是玻尔认为电子运行的轨道时不连续的,只能运行在固定半径轨道上,最小半径就是玻尔半径,而电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时,会释放能量,释放能量的光谱就符合巴尔末公式,同样,通过玻尔原子模型也可以计算出巴尔末公式的系数,系数和普朗克常数有关。

还是打个比方吧,不过在玻尔的原子模型中,已经不能用绳子拴石头打比方了,玻尔的原子模型好像是沿着赛道绕赛车场中心奔驰的汽车,汽车只能在修建好的固定赛道上运行,而不能随意在不同半径上绕圈,否则就要翻车了,要想跨越赛道,必须要释放能量或者吸收能量,而固定赛道的半径则由设计师玻尔决定,同时也符合巴尔末公式。

看到不连续性没有?两个轨道之间是不连续的,这就是量子论。至此,量子论已经完成,是普朗克、爱因斯坦和玻尔共同完成的。

关于他们师门的故事,可以看一下我的这个回答,那里写的详细一些。

为何电子不会坠入原子核?

现在量子论基本完成了,但是量子力学才刚刚开始。这次不用别人提醒,玻尔就发现了问题,他的原子模型解释氢原子还可以,但是用于解释多原子就乱七八糟了。

玻尔原子模型最大的问题还是没有和经典力学完全决裂,保存了大量经典力学的概念,例如轨道。随后索末菲对玻尔的原子模型进行了修正,例如把圆形轨道改成椭圆形,但是也于事无补,这还要新的理论出现。

这次的理论不是某一个人提出的,而是一群人提出的,我们终于迎来了地球人的科技爆炸时代。

群雄逐鹿之一:小王子的脑洞

爱因斯坦虽然说终结了光学之争,不过也留下了一个问题,那么光是不是特殊呢?是不是只有光具有波粒二象性呢?其他物质呢?

这个问题就交给了小王子德布罗意。德布罗意和普朗克一样都是世家贵公子,而且德布罗意的家世比普朗克还要显赫。牛顿虽然也是王室册封的爵士,不过他这个爵士更多的是一种荣誉称号,既没有封地也不能传之于子孙。

而德布罗意家族就不同了,他们家是正经的法国公爵,是可以世袭的啊,而且到了德布罗意这一代,这话有点别扭,人家是姓德布罗意,一家子都是德布罗意,为了方便,把这个天才就称为德布罗意了,解释完了,言归正传。这一代德布罗意还是德国亲王,所以称为小王子并不为过。

德布罗意的家世比当初的普朗克家世还要显赫,不过,小王子的颜值比起祖师爷普朗克来差了不止一点。

一般来说,对于这种显赫家族,要求子弟们都学一学历史政治法律,然后继承家族荣耀。当年普朗克的长辈也是这么要求他的,不过贵公子不走寻常路,成为物理大神,德布罗意家族的长辈当然也这么德布罗意的,和普朗克家族不同的是他们成功了,德布罗意遵从家族建议,学了历史。

为什么德布罗意家族成功了呢?因为他们家族已经有了一个叛逆者了,德布罗意的哥哥就学了物理,家族未雨绸缪防微杜渐及时纠正了小王子,可是没想到哥哥的影响巨大,在获得学位之后,德布罗意也转向了物理。话说这些贵族的家庭教育为什么老是失败呢?

德布罗意的哥哥也非同凡响,他就是第一届索尔维大会的秘书,别忘了这个索尔维大会啊,后面会详述,这应该是物理学史上最重要的会议。作为秘书,自然要整理大会资料,那么假公济私,给自己的天才弟弟看一眼也很正常,因此德布罗意对量子论就有了兴趣。

哥哥还有一位好朋友,就是亨利.布拉格,是X射线专家,这位布拉格更是厉害,开创了一项世界纪录,到现在还没有人打破,估计以后也不会有人打破,亨利.布拉格和自己的儿子一同获得了诺贝尔奖,父子同获得炸药奖有好几家,何况还有居里家一家子五个人获得诺贝尔奖奖(小女婿获得了和平奖),但是人家父子是获得的同一届诺贝尔奖,汤姆孙先生有什么意见吗?玻尔先生别说话,你儿子也获得过,你俩能一年吗?居里夫人您和老公一起得奖,能和女儿一起吗?

在1921年,布拉格,这是父亲啊,就发现了X射线的粒子性,这说明不止光具有波粒二象性,其他也可能有,但是呢,但是什么呢?无论但是什么,都需要小王子出场。一战之后,小王子投师郎之万门下,开始学习物理,对,就是那个令居里夫人伤心不已的郎之万那个渣男。

就在玻尔为自己的原子模型不能解释多原子的时候,法国物理学家布里渊提出,原子核周围存在着以太,画个重点吧,以太又出来,在电子运动的激发下,以太会产生以太波,波互相干涉,只有在电子轨道半径适当时才能形成环绕原子核的驻波,因而轨道半径是量子化的。

注意了,这就是法国版的买椟还珠,难道这位先生讨厌爱因斯坦吗?没有看过《论动体的电动力学》吗?爱因斯坦已经驱逐了以太了呀。看来只有两个半人懂相对论这句话诚不我欺,布里渊先生肯定不是两个半人之一。

其实当时小王子也不算那两个半人之一,说一下吧,两个人应该是爱因斯坦和爱丁顿,半个人应该是洛伦兹。不过小王子认为爱因斯坦说的对,就直接抛弃了以太概念。

然后就是传说中的一页纸博士论文了,这肯定是一个谣言,小王子的论文虽然不太长,但绝对不是一页,有七十多页,确实不太长。在论文中,德布罗意就提出了物质波的设想。仅仅是设想啊,真正的物质波概念是在薛定谔提出波动方程后才确定的。

而且小王子对自己的设想也有点拿不准,在论文结尾德布罗意写道:“我特意将相波和周期现象说得比较含糊,就象光量子的定义一样,可以说只是一种解释,因此最好将这一理论看成是物理内容尚未说清楚的一种表达方式,而不能看成是最后定论的学说。”

连作者都这么心虚,那论文答辩委员会的大佬们也没法说话。对于物理学家来说,能干活就少逼逼,说不清楚,就做实验呗。至于如何验证自己的想法,德布罗意提出可以用电子衍射实验。

实验当然不用他自己做,不过这也难不倒他,因为他家就有一个实验室,他哥哥也是物理学家啊,家里又有钱,建一个实验室算什么,居里夫人有点想哭。

可是实验没有成功,郎之万不忍埋没这个天才,就把论文寄给了爱因斯坦。爱因斯坦一看如获至宝,立即在自己论文中极力赞扬小王子,有了爱神的加持,小王子一时声名鹊起。同时实验方面也传来了好消息。

小汤姆孙完成了电子衍射实验,小汤姆孙就是老汤姆孙的儿子,这是废话,就是发现电子的那位吃货老兄,他提出的西瓜模型枣糕模型梅子布丁模型,他还是晚婚晚育的模范,小汤姆孙就是他晚婚晚育的丰硕成果,小汤姆孙也获得了诺贝尔奖,看来,晚婚晚育是有好处的。

这个实验给德布罗意带来了诺贝尔奖,还证明不止是光,一切粒子都具有波粒二象性,波粒二象性是物质的基本属性,至此,量子力学才拉开了帷幕。

群雄逐鹿之二:上帝之鞭睥睨江湖

泡利很着急,因为他生的晚,比德布罗意足足小了八岁,他还很有雄心壮志,因为他的教父就是威震天下的马赫,马赫可是爱因斯坦的心灵导师。

泡利觉得要是这么按部就班的混下去,说不定新发现都被抢光了,那可是枉为马赫的教子了,所以泡利决定不走寻常路。

泡利中学毕业后,就拿着父亲的介绍信找到了索末菲教授,要求不读大学,直接读博士。这个操作太骚了,足足比别人省了四年时间啊,而海森堡比他小一岁,狄拉克比他小两岁,他还省四年时间,他要是不成为量子力学的创始人都对不起他的骚操作。

索末菲也很为难,答应吧,从来就没有人这么干过,拒绝吧,以后还能不能和老朋友一起玩耍。索末菲沉吟良久,决定骑墙走中庸之道,先学着吧,要是不行,就回去老老实实读大学,要是行呢?不可能吧,这么可能有人直接读博士呢?

还真可能,泡利还真顺利毕业了,天才就是天才,谁也没办法。

博士毕业后,泡利还为德国的《数学科学百科全书》写了一个长达273页的关于相对论的词条,想一想小王子的论文,确实有点水,不过人家凭借博士论文获得了诺贝尔奖,这恐怕也是唯一一个靠博士论文获奖的吧。

这个词条得到了爱因斯坦的高度赞扬,这坚定了泡利要成为爱因斯坦继承人的信心。要成为科学王国的继承人,单单理解与解释还是不够的,必须要有自己独创的见解。

1925年,泡利提出了泡利不相容原理,这到底是起点还是终点?泡利认为这只是他的起点,可对于物理学史来,这有点象他的终点。

泡利指出在原子中,不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的状态。这是量子力学的支柱,也是量子力学基本的原理之一,而且承担着量子论和量子力学承前启后的作用。

首先,泡利不相容原理是量子论的巅峰,可以用来解释玻尔—索末菲模型,还发展了量子论,不仅可以用在氢原子模型,还可以用在多原子上。

其次,泡利不相容原理还可以由量子力学推导出来,可是这个工作并不是泡利完成的,不相容原理可以推导出电子自旋,又很可惜泡利错过了,依据不相容原理,费米解决了费米—狄拉克统计。

以泡利的天才可以吊打当时的所有天才少年,也包括爱因斯坦这样的前辈,玻尔遇到难题的时候第一个想到的就是泡利,可是泡利的贡献远不能和他的天才匹配,想起了难免唏嘘。

关于泡利的故事可以看一下我专栏里这篇文章,文章说的比较详细。

吴牛喘月:天才泡利:爱因斯坦的继承人,纵横物理世界的上帝之鞭

群雄逐鹿之三:不懂矩阵的海森堡

海森堡来到索末菲门下的时候,索末菲门下已经人才济济,索末菲都忙不过来了,于是索末菲就安排了一个助教来看着这群年轻人,这个助教就是泡利。虽然泡利只比海森堡大一岁,可是已经博士毕业了,作为大师兄,泡利和小师弟们打成了一片,学习气氛非常融洽。

恰逢玻尔来到这里演讲,作为物理界的上帝之鞭,泡利自然抡起鞭子一顿乱抽,玻尔还无可奈何,谁叫自己的理论不完美呢?海森堡没有师兄这么嚣张,对玻尔尊敬有加,这也开始了他们半辈子的友谊。

海森堡认为玻尔原子模型中的轨道频率这些东西看不到摸不着的,根本就不能用来观测,为什么要用这些物理量来构建理论呢?为什么不用能观测到的光谱的频率强度来演绎呢?

“电子在原子中的轨道是观察不到的,但是从原子发出来的光,如它在放电过程中发出来的,则我们可以直接求出其频率及振幅一知道了振动数和振幅的全体,那就等于是在迄今的物理学中知道了电子的轨道。由于这个理论里只应接受可以观察的量,所以在我看来,很自然只有引进这个整体来作为电子轨道的代表。”海森堡如是评价玻尔的原子模型

依据可观察性原则把原子光谱的频率振幅组成数组,又根据对应性原理把数组表示为电子的坐标和动量,这样很快海森堡就提出了一种新理论,在新理论中海森堡还发现了一种新的数学方法,就是数组相乘不符合乘法交换律,简单说来就是p×q≠q×p,这对于海森堡来说是个神奇的结论,海森堡非常得意,以为自己要象牛顿一样开创一门新数学了。

其实这根本不是什么新数学,而是矩阵。

海森堡创建了矩阵力学,可是他却不懂矩阵,有点奇怪吧,不过确实是这样,其实这也是造化弄人,海森堡的老师就是索末菲,索末菲数学水平颇高,一生最喜欢的事情就是拿别人的想法做数学推演,例如把玻尔原子模型就推演出了玻尔—索末菲结构,可是出来混,总是要还的,他的学生海森堡就因为数学不好,自己的想法被别人拿去做了数学推演,以至于和人共享了矩阵力学的发明权,天道好轮回,苍天饶过谁。

波恩看到了海森堡的论文后,立刻意识到这就是矩阵,可是波恩虽然知道,却并不精通,于是找来约尔当一起重新构建了海森堡的论文,看来,多学数学是有好处的,这个爱因斯坦颇有感触,他就是因为数学不好差点错失广义相对论的发明权。

矩阵力学是量子力学的第一个数学表达形式,不但涵盖了玻尔原子模型,由于彻底抛弃了电子轨道这些经典概念,对于多原子模型也可以解释。可以说是量子力学发展史上具有里程碑意义的理论。

群雄逐鹿之四:爱物理也爱美人

按理说,薛定谔不能算是群星之一,因为他年龄大啊,比玻尔才小两岁,和爱因斯坦也不过差十来岁,和量子学派也没有什么师承关系,可是大器晚成啊,所以老师兄就和这群小师弟们混在了一起。

在蹉跎了多年岁月之后,薛定谔终于找到了真爱,就是量子论。就在薛定谔踌躇满志的时候,他看到了德布罗意的论文,薛定谔被小王子的脑洞震惊了,意识到这才是未来的方向。

薛定谔还没有震惊中冷静下来,海森堡就提出了矩阵力学。

对于矩阵力学,物理界也是一片哗然。

一是对矩阵力学阐述的原理表示震惊,另外就是对海森堡采用的矩阵的概念有点陌生,看来不止是海森堡数学差,大家数学都不怎么样。

现在终于轮到薛定谔出手了。薛定谔招来了一位神秘情人相伴,迅速写出了波动方程。至于这位神秘情人是谁,一直是个谜,不过只要记住,薛定谔所到之处,无论少妇少女都难免沦陷,这就是物理界的段正淳啊,不对,比段正淳还高明,段王爷的情人们天天刀兵相见,薛王爷的情人们却相处甚欢,和段王爷相同的是,薛王爷的头上也绿油油的,还是比段王爷高明的是,人家薛王爷根本就不在乎。

波动力学囊括了原子模型量子理论光学等等,当然还包括了爱因斯坦的波粒二象性和德布罗意的物质波,顺便说一句,物质波这个概念也是薛定谔说的。波动力学一出,立刻风行世界,祖师爷普朗克还有爱因斯坦玻尔纷纷表示赞扬,甚至还包括了矩阵力学的创始人之一波恩,这和当初海森堡的矩阵力学提出的凄凉形成了鲜明的对比。

薛定谔认为天下皆波,任何物质都是波,波恩说可是电子之类明明具有粒子性啊,你的波其实是……,住口,没等波恩说完,薛定谔就一声怒吼,老子自己的方程自己清楚,用不着你来逼逼,莫非你又要重演抢夺海森堡矩阵力学的美梦,波恩虽然没有说完,但却埋下了华山论剑的祸根

海森堡本来就很不爽,听闻此语,不禁痛哭失声,自己费尽心思的矩阵力学被人分享,现在薛定谔的波动力学一出世就被人追捧,凭什么啊?不凭什么,就凭波动方程用的是微积分。微积分那可是物理学界的一大骄傲,上千年来,物理界一直被数学界瞧不起,例如希尔伯特就曾经说过“我们这里大街上一个孩子都比爱因斯坦懂四维空间,偏偏是爱因斯坦提出了广义相对论”,大意若此,而唯独微积分让数学家们抬不起头来,因为这是牛顿爵爷创建的,爵爷当然是物理学家了,后来数学界觉得不爽,又给了爵爷安了一个数学家的名号,来找找面子。其实双方都不对,爵爷既不是物理学家,也不是数学家,人家是正经八百的神学家。

所以呢,物理学家们都对微积分了如指掌,现在看到了“相同的配方,熟悉的味道”,自然是高兴非常,不过这也看出来了,不止是海森堡一人数学差,不懂矩阵,其实大家都不太明白。

海森堡感到委屈,就去找师兄泡利诉苦,可泡利转身就证明了矩阵力学和波动力学等价,其实不用泡利,人家薛定谔自己就已经证明了两者等价,还有一个年轻人也证明了两者等价,这个人就是狄拉克。

群雄逐鹿之五沉默寡言的狄拉克

和阅尽人间春色的薛定谔还有能言善辩的泡利比起来,狄拉克就差远了,其实不用和这两位大神比,就是和海森堡比起来,狄拉克也有点太腼腆了,那简直就是惜字如金,甚至他的同事们定义了“一个小时说一个字”为一个“狄拉克”单位,这水准估计也只有一代奇人卡文迪许可以相比了。

就因为这慢性子,狄拉克做什么事情都慢半拍。

当初看到海森堡论文的时候,狄拉克就感觉还有一种东西不满足乘法交换律,就是说不用矩阵也可以表达海森堡的思想,可等狄拉克想起了这就是泊松括号时,波恩约尔当已经整理完了矩阵力学,这是第一次错失。

薛定谔发表波动力学时,狄拉克隐隐感觉到这和矩阵力学有点关联,等他证明了两者等价的时候,薛定谔和泡利已经证明完了,这是第二次错失。

不过好饭不怕晚,现在他们的理论都没有考虑相对论。考虑了相对论效应的方程也有,就是克莱因-戈尔登方程,但是克莱因-戈尔登方程会得到负数解,这有点难以解释,狄拉克作为数学家的严谨不能忍受这种不完美,于是狄拉克写出了自己的方程。

狄拉克方程甫一出世,就震惊了泡利,因为方程可以导出电子自旋,而自旋那是泡利的伤心泪,不过和克莱因-戈尔登方程一样,狄拉克方程也存在负数解,难道是狄拉克错了?不是就因为讨厌负数解才写的狄拉克方程吗?可是,狄拉克怎么会错呢?

既然狄拉克不会错,那就是世界错了。狄拉克指出,因为电子带负电,那么解就是正的,既然出现了负数解,那一定存在一种正电子。同理,这么推下去,不但有正电子,对于我们的物质世界,一定还存在一个反物质世界。而且正物质和反物质相遇,会湮灭成一片光芒。

这个结论太震撼了,简直就是石破天惊,其重要程度不亚于相对论和量子论,又撕下了一片上帝遮挡在人类面前的真实世界的幕布。1932年,美国物理学家安德森在研究宇宙射线时发现了正电子。

狄拉克的狂想还不止于此,在他看来,真空并非空无一物,而是无边无际的狄拉克之海,我们的宇宙就漂浮在狄拉克之海上,而他所谓的狄拉克之海就是负能级电子,依照能量最低原理,物质世界的电子都应跃迁到负能级上,狄拉克对此做出的解释是这些负能级已被电子占据,按照泡利不相容原理,每个能级只能容纳两个自旋相反的电子,因此我们观察到的电子不能向下跃迁到负能级去。这些负能级的电子就构成了狄拉克之海。

无论是牛顿麦克斯韦,还是爱因斯坦玻尔,他们都犹如奥林匹亚众神一般创造了天空与大地,而狄拉克之海的狂想,则使狄拉克一跃成为海王波塞冬,取得了众神同等的地位。

狄拉克不仅创造了狄拉克之海,还预言了磁单极子,对于电和磁,都是成对出现的,这个人类早就发现了,可是电和磁还是有一点不同,对于电来说,正电荷和负电荷可以分开,电子就带负电荷,质子就带正电荷,可是磁却无法分开,把一块铁磁打碎,每一个碎片都还是拥有N极和S极,继续再分,还是不变,无论分到多么小,都不会出现单独的N极或者S极。

狄拉克深厚的数学功底有了用武之地,他把数学上的拓扑概念应用到物理学上,预言了磁单极的存在,不过现在还没有在实验中发现磁单极。

狄拉克还有一个更大的脑洞,他比较了引力和电磁力的比值,发现和宇宙的年龄在一个数量级上,他觉得这不是巧合,而是引力常数会随着时间改变而改变,如果狄拉克这个脑洞成立的,最高兴的应该是刘慈欣,按照刘慈欣在《三体》中的说法,现在的宇宙是被改造过的宇宙,只不过是宇宙战争后的断壁残垣,这有点太可怕了。

海森堡把狄拉克方程诠释为所有基本粒子的狄拉克场方程,狄拉克场方程在物理学中的地位和麦克斯韦方程、爱因斯坦场方程还有杨.米尔斯规范场方程具有同等重要的地位。

由于狄拉克的巨大成就,1933年获得了诺贝尔物理奖,这让羞涩的狄拉克不知所措,因为害怕盛名所累,打算不去领奖,他的师爷卢瑟福告诉他,“如果你这样做,你会更出名,人家更要来麻烦你。”,狄拉克才羞羞答答地走上了诺贝尔领奖台。顺便加一句,狄拉克的老师是福勒,就是提出热力学第零定律的福勒,福勒 是卢瑟福的女婿,玻尔是卢瑟福的学生,所以呢,狄拉克不算量子学派的正宗弟子,算是旁支。

现在算一算,咱们说了几个唯一了。两个吧,泡利不读大学直接读博士,算唯一一个,德布罗意博士论文获得诺贝尔奖,算一个唯一,还有没有唯一呢?有的,这个唯一就落在了狄拉克身上。

由于太腼腆了,狄拉克不会追姑娘,所以获得诺贝尔奖时还是一条单身狗,这可是奇货可居,自古以来,嫁给诺贝尔奖获得者的多了,因为他们都结婚了,但是嫁给一个已经获得诺贝尔奖的单身狗的机会可能就这么一次吧。

关于物理学家的婚姻故事,在我这篇回答里说了一些,我觉得挺有意思,去看一下吧。

怎样嫁给物理学家?

这里单说狄拉克,传奇女性马尔吉特就抓住了这次机会,而且是倒追狄拉克,对于狄拉克这种木头,不倒追还真没有办法,不过倒追也很难,狄拉克那就是一块不解风情的木头,对于他来说,姑娘可远比不上爱因斯坦有吸引力,姑娘追了半天,看没有希望,这种枯木就是浇灌多少心血也不可能发芽,在狄拉克身上投入简直就是糟蹋青春,一怒之下就不理狄拉克了。

可没想到这一不理,狄拉克倒上劲了,毕竟人家爱因斯坦红颜知己无数,也不能天天陪着他,看到狄拉克开窍了,姑娘就借坡下驴,和他结婚了,所以,马尔吉特是唯一一个嫁给已经获得诺贝尔奖的女士。

由于狄拉克是把相对论和量子力学结合在了一起,所以他创造了一门新科学,就是量子电动力学,这其实算不上一个新概念,因为爱因斯坦的狭义相对论的论文就叫做《论动体的电动力学》,所以电动力学也算相对论的别名,但是把量子和电动力学放到一起说,确实狄拉克是第一次。

群雄逐鹿之七互补原理与不确定性原理

海森堡非常不爽,可也没有办法,谁叫自己数学不好,可是这么屈居人下也别扭啊,海森堡静下心来,琢磨了琢磨,发现量子力学说了这么多公式原理,却没有一个人说过量子力学到底是什么,海森堡心中一亮,这是哲学啊,要知道论起哲学来,全世界哪个国家能超过德国呢,康德黑格尔马克思不都是德国人吗,恰恰海森堡也是,看来这个历史的重任就落到了海森堡身上了,这要是说清楚了,哈哈,不多说了,未来太美妙了。

海森堡提出了“测不准”原理,这个理论是说,一个微观粒子的某些物理量(如位置和动量,或方位角与动量矩,还有时间和能量等),不可能同时具有确定的数值,其中一个量越确定,另一个量的不确定程度就越大。测量一对共轭量的误差(标准差)的乘积必然大于普朗克常数除以4π,这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。

用海森堡自己的话说:“在因果律的陈述中,即‘若确切地知道现在,就能预见未来’,所得出的并不是结论,而是前提。我们不能知道现在的所有细节,是一种原则性的事情。”

测不准原理完全粉碎了来自牛顿的决定论思想,也打击了机械唯物主义,从这个意义上说,是海森堡终结了牛顿。至于拉普拉斯魔,从测不准原理诞生的那一天起,就形魂俱灭了,现在的事情都测不准,更何谈未来啊。

由于测不准原理数学形式简单,海森堡心中的惆怅一扫而光,这次总没有人抢了吧。

玻尔说未必。

在海森堡思考测不准原理的同时,玻尔也在想为量子力学打下一个坚实的基础,几乎同时,玻尔提出了互补原理。

师徒两人争论不休,都认为自己的理论更加基础,两人都难以说服对方,甚至想过要请泡利来协调,可是想到泡利的刻薄,海森堡心中不免惴惴不安,最终,还是玻尔技高一筹,让海森堡认为互补原理比测不准原理更加基础。

在论文里,海森堡添加了一条声明“玻尔提醒我注意到,观测的不确定性并不只是从不连续性事件出现,而是直接捆绑于某种要求,即我们配派同样的正确性给迥然不同的实验,尽管在这些实验中,有些演示了微粒说,而又有些演示了波动说。”

这才是真正革命性的理论,不但揭示了世界的本质,而且改变了自牛顿以来的决定论思想,牛顿力学的巅峰是拉普拉斯魔,而海森堡直接宣告了拉普拉斯魔的终结。

不过这个理论也引起了量子力学内部的纷争,同时也惊动了一位英雄,他就是爱因斯坦。

华山论剑

关于玻尔与爱因斯坦的争论我已经写了好多了,真的不重复了,贴两个链接吧。

薛定谔的猫到底是什么意思?请问爱因斯坦说的:上帝不会掷骰子。 这句话到底是什么意思?

这两篇写的非常详细了,虽然演义的成分多一些,但事情基本上能说清楚,在主要说一下他们的态度吧。

先说泡利,泡利确实是天才,而且是天才中的天才,被称为“物理界的良心”绝不为过,不过泡利太想成为爱因斯坦那样的一代宗师了,所以他的成就配不上他的天才,要是凭他错过的发现来论诺贝尔奖的话,恐怕没有人比他多。

在这场论争中他的态度是倾向于玻尔的,但是爱因斯坦在他心中的地位又至高无上,所以他也没说什么。

德布罗意呢,那绝对是爱因斯坦阵营中的,他根本就不鸟哥本哈根解释,当然,哥本哈根也不鸟他,毕竟文科生。

薛定谔是绝对不认同哥本哈根解释的,波恩一直说薛定谔的波动方程是概率波,这让薛定谔很不爽,所以他扔出了一只猫恶心哥本哈根解释。物质波的概念是薛定谔说的,量子纠缠这个概念也是薛定谔命名的,爱因斯坦说的是EPR佯谬。

波尔和海森堡情同父子,学术上绝对站一块,不过后来在对纳粹的问题上二人分道扬镳,不过玻尔顾念师徒之情,一直给海森堡留面子。可以看一下 这个回答。

技术一旦被用来作恶,究竟会有多可怕?

至于爱神的“一人敌一门”,这个说法好像是我说的,我解释一下,是敌一门,不是胜一门,而且敌的是哥本哈根解释,不是量子力学,而且三次论战爱因斯坦都输了,自然不会是胜一门我说的时候演义成分多了一些,可能引起了一些歧义。

至于狄拉克的态度,他那么腼腆,怎么可能说话呢,而且论战之时,他的理论还没有完全成型,所以一直沉默。

最后再说一下贝尔不等式。

群雄逐鹿之时,贝尔刚刚出生,所以贝尔算是量子力学的同龄人,不过,对这个同龄人贝尔却没有多大兴趣,他心中倾慕的是爱因斯坦。

在贝尔之前,已经有了量子力学的非哥本哈根解释,其实哥本哈根解释也不是一统天下,其中有多世界解释,这个解释比起哥本哈根解释更疯狂,还有玻姆的隐变量解释,其实最早的隐变量理论是德布罗意说的,玻姆的解释算是一个增强版,隐变量解释是说之所以测不准,是因为背后还有一条更基本的规律,找到了这条规律,就无所谓测准测不准了,看出来没?玻姆就是爱因斯坦的迷弟,这就是爱因斯坦的思想。

可是隐变量是什么呢?玻姆没说,因为他也不知道,但是冯诺依曼说不存在隐变量,冯诺依曼简直就是个怪物,天底下的无论什么事情都要插一脚,数学家是他老本行,还被称为计算机之父,他还研究过经济学,就是博弈论,对量子力学他也懂,不过他不做实验,他在数学上论证了隐变量不 存在了。

可是大家是物理学家啊,不能光论证啊,得有实验才行,冯诺依曼当然不会去做实验,所以这一点就被贝尔抓住了。

贝尔也没有做实验,他设计了一个实验,就是贝尔不等式。

对于两个纠缠的粒子分别测量它们,分别测量他们的自旋,如果总是相反的,则相关度是-1,如果总是相同的,则相关度是1,如果各占一半,则相关度为零,这是在一个轴线上,如果测量三个轴线,则有贝尔不等式

怎么编辑公式呢,算了我手写一个吧。

将就着看吧,Pxy就是两个纠缠粒子中的其中一个在x方向和另一个粒子在y方向上测量得到的自旋的相关度,其余类推啊,如果符合贝尔不等式,隐变量理论就成功,哥本哈根解释就错误,反之亦然。

这个实验的关键是找到相互纠缠的粒子,不过这不是问题,吴健雄博士已经找到了相互纠缠的光子,不过吴健雄博士并没有做这个实验,现在实验设计好了,实验基础也有了,剩下的就是做实验了,可是这些实验无一例外证明了哥本哈根的正确性,所以,爱神这次真的错了。

终于写完了,最后偷了个懒,抱歉。其中一部分内容是我即将出版的一本书中的内容,我改头换面放了一些,毕竟书还没有出,全放出来不合适。谢谢大家。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:吴牛喘月

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