《命运骰子——量子力学简史》（第三章）

发信人: yauzhang (penrsoe), 信区: Physics
标 题: 《命运骰子——量子力学简史》（第三章）
发信站: 两全其美网 (Mon Jun 23 16:19:28 2008), 本站(lqqm.net)


《命运骰子——量子力学简史》（第三章）
第三章 原子



（1）


多 瑙河畔的中国,奥地利,多数时候也象一只熟睡的雄师。她的首都维也纳在中国人看来无非是写下《一个陌生女人的来信》的茨威格和音乐协会的金色大厅——这些 是一个城市的灵魂。单就音乐而言，奥地利还有天才钢琴家莫扎特，虽然在傅里叶看来，乐谱并非音乐，而是弦振动的频谱。当然傅里叶的内涵并非那么简单，因为 这门学问里还包含帕塞瓦尔等式和泊松求和等式。帕塞瓦尔等式告诉我们，一个弦振动信号（一个波形）的能量无论在时间上来看还是从频率上来看，应该是相等， 这是一个重要的等式，告诉我们能量守恒——虽然据说是物理学家瑞利在研究黑体辐射曲线的时候第一次使用了这个等式，当然瑞利没有给出数学上的任何证明，而 把证明做得很完善的另有其人，这个人也许是普兰舍利；而傅里叶变换里的泊松求和等式则更加优美，科普地说，一个弦振动的时间信号函数对全部整数时间求和， 等于它傅里叶变换以后对应的频率函数对全部整数频率求和——这就是泊松求和等式。也许我们会在以后合适的时候再次介绍它的作用，总之它是一个优雅的数论公 式，至少在物理学上可以用到配分函数的计算。


奥地利是一个英雄辈出的国度，在量子力学的历史上，一前一后三个人， 沿着维也纳的街道朝我们走来。有些人注定能沿着街道走得很远，一直能走到城门，还能走出城去。虽然他们作为个人，其命运也象是上帝从天空投向地面的色子。但作为剑客，他们给后人留下了他们的灵魂。

什么是灵魂？
一个剑客能留在别人心中的东西就是灵魂。

玻尔兹曼，薛定谔和泡利，他们是来自维也纳的三剑客，根据他们的秉性，我们可以分别称呼他们为忧郁剑客，多情剑客和犀利剑客。


我 们这一章主要是要介绍1870年走在最前面是一个大胡子,他的目光炯炯有神,他就是玻尔兹曼，一个抑郁症患者，他是统计物理学的天才人物，他能够把微观世 界和宏观世界联系起来，能处理10的23次方个气体分子的集体运动，它把能量和温度通过以他的名字命名的常数联系起来，在他之前，人们不太搞得清楚能量和 温度的深刻关系。虽然也有人在思考比热的问题，比如说，同样在夏天，一块在太阳下的钢板比一杯水升温的速度更快，这背后其实有量子力学的东西，但玻尔兹曼 那时代，他认为，能量是随着自由度均匀分布的，这就是经典统计里的能量均分定理。


（2）

读者们读在这里，一定很奇怪，本章的题目是原子，但迟迟不谈原子，那么接下来我们就开始吧。


古 希腊的观点认为原子是万物组成的最小单元（其实这是不对的,因为原子有结构，不过古希腊的原子观认为原子没有内在结构。但古希腊原子论是一个科学精神的象 征，古希腊的另外一个遗产就是民主观——所谓全民公投处决苏格拉底。现在中国要开奥运会，其实也许更要学习古希腊的文化遗产。）


原 子现在可以被确证是存在的，这可以从扫描隧道显微镜里看出来， 换句话说，你如果去北京北四环保福寺桥下的中科院物理所，在那里你就能亲眼看见原子。但在1870年代，还是没有人看过过原子。19世纪是一个量子力学情 窦初开的世纪，1833年英伦的哈密顿正在创造比牛顿力学更容易导致量子力学的新力学；1870年代挪威有一个李同志在这个时候也发展出来了李群的方 法……前面也已经说过，弗朗禾费在1821年在金属铂上刻制光栅，汗流浃背。之前他发现太阳光中藏有暗线。而傅里叶在1822年写完了《热的解析理论》， 他穿着棉衣，在太阳底下取暖，他发现这个世界一点也不热，甚至有些寒冷。这些是19世纪的拼图，这些碎片其实并不能完全拼成一副名画，因为里面还存在一个 关键的纸片，这就是关于原子的纸片。


19世纪的人要先搞清楚一个问题，那就是原子是否真的存在,那时代的原子就像现时代的夸克,是不能直接观测到的.




当 时玻尔兹曼他相信原子存在。但是在当时原子是看不见的——一个看不见的东西被人相信，我们称之为信仰，那时正在闹巴黎公社革命，马克思信仰共产共妻，玻尔 兹曼信仰原子——这是他基本的人生信仰，因为这个信仰，他很郁闷。 他在一个大学里做物理教授，有一个同事，也是一个教授，名叫马赫。马赫甚至是名教授，（爱因斯坦青年时代的偶像之一，堪称精神导师），马赫认为，原子既然 看不见，也不能用实验检测出来，那么所谓原子就根本不存在。


马赫的观点也是正确的（注：在现在的量子理论中，也非常重视 可观察的物理量，不能被观测到的，不是物理量，如果理论要求必须存在，只好称为鬼量或者鬼场，比如现在的探测的所谓赋予标准模型基本粒子质量的希格子场， 就是不能观测的）， 从马赫老师的观念来讲，一个不能被探测到的东西， 就是不存在的。
在马赫的意义上，这个世界上没有鬼魂，因为没有人看到过。虽然很多女人会说一些俏皮话，比如“宁愿相信世上有鬼，不相信男人的嘴”。女人们的逻辑其实也说明，这个世界上没有鬼魂。


马 赫的观点得到了另外一个化学大师奥斯特瓦尔德的首肯，他是非常不相信原子论的一个化学家，所以在目前看来，这是一个非常荒诞的事情，因为一个化学家不信仰 原子论就象一个医生不相信蛋白质一样。不过那是在19世纪，人们还处于懵懂情怀之中，奥斯特瓦尔德最精彩的论述是这样的：这个世界上，最基本的运动形式是 能量。
这被称为“唯能论”，激烈对抗玻尔兹曼的“原子论”。

奥斯特瓦尔德的唯能论并没有多大的实际意义，实际上他对催化剂在化学反应中的认识还是很独到的。
（3）
奥斯特瓦尔德也是著名教授，可以说在当时的地位一点也不比玻尔兹曼低，所以他们两人也是针尖对麦芒，谁也说服不了谁。
顺便插一句，奥斯特瓦尔德和爱因斯坦也有一段暗战的经历，不过那发生在很久以后了。
事情是这样的……
那发生在后来，已经是1901年了。

“大 学刚毕业就失业”的爱因斯坦尝尽了生活的苦，找不到可以相信的人，于是他写给这个化学家。爱因斯坦说拜读了您的大作，我对您的崇拜犹如滔滔江水绵绵不绝， 又恰似黄河泛滥一发不可收拾。信的结尾说您需要不需要实验助手。但这个化学家并没有给爱因斯坦回信，爱因斯坦当时很受伤。当时他真得是虎落平阳，作为一个 能屈能伸的青年，爱因斯坦又写了一个信，信里说：“尊敬的教授，很抱歉的是，上次给您的那封信，我可能没有写清楚我的回信地址……”


这 个化学家还是没有理他，爱因斯坦虽然已经被打击惯了，但这次还真的萌生了去意，对人间已经万念俱灰。爱因斯坦的父亲也非常焦急，爱子心切,为了让那个化学 家鼓励一下自己的儿子，这个年迈的父亲也给这个化学家写了一封信，信里说：“尊敬的教授，很冒昧地给您写信……我的儿子……爱因斯坦……为了不使他过分伤 心，请您回信鼓励一下我这个绝望的儿子……万分感谢”。

以上是插曲,言归正传，现在关于原子是否存在的争论已经开始。这辩论双方已经出场，场面让人想起周星驰电影《九品芝麻官》里辩论和骂人场景。

玻尔兹曼对决马赫和奥斯特瓦尔德组合，明显力有不逮，同样是江湖好手，玻尔兹曼这一役可谓孤军奋战，犹如东邪黄药师对西毒欧阳峰加上一个欧阳客，打得越来越吃力，这当然不是玻尔兹曼技不如人，而是因为，他本身是一个抑郁症病人。


历 史上称为“原子论”和“唯能论”之论战。这种动嘴皮子的科学争论最后却以玻尔兹曼的自杀离场而告终结。如果我们可以拍一部小电影，玻尔兹曼当时是在一个旅 游胜地自缢身亡。他离开的那天夕阳西下，白日西匿以后，天地已经失去颜色。纵然是在今天，我们虽然能看到落霞与孤鹄齐飞，但落霞之上，亦有微茫的血色。



在玻尔兹曼自杀后的一年，皮兰就通过布朗运动确定了分子原子论。

（4）
玻尔兹曼作为笃信原子的剑客离开江湖争斗，其实也是倦极了人生。他消身隐退，但灵魂却壁立千仞。 原子自然已经成为一个真正的实在，所以我们的故事正好可以有了一个可以正经开始的基础。

为 了下文的行文流畅，我们可以对原子有一个基本的了解。 那就是原子是由电子和原子核组成的。 原子的尺度大约是10的-10次方米，这也是电子的活动半径（因为原子核的尺寸非常小）。 原子的一个重要特征是原子核产生强大的电场把电子拉住， 使得电子不能跑到无穷远处。 这个电场比人类能制造的最强电场要强10000倍左右——对于一个高中学生来说，你可以估计出这个电场强度，只要你知道氢原子的最低能量是-13.6电子 伏特，而原子的半径是10的-10次方米。


这个强电场的存在保证了电子总是在原子核周围运动。当然现在我们并不了解电子到底是怎么运动的。