史上最著名的物理学会议,世纪辩论中诞生物理学新大厦( 三 )


除了这些杰出的人,我们再次把注意力集中在少数几个在早期量子理论的形成中特别突出的人,他们是:

  • 尼尔斯·波尔
  • 克莱默斯
  • 马克斯玻恩
  • 保罗·狄拉克
尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)
尼尔斯·玻尔,会议召开时42岁,这位丹麦物理学家因1913年提出的玻尔原子模型而闻名,该模型认为电子的能级是离散的,电子在围绕原子核的稳定轨道上旋转,但可以从一个能级(轨道)跃迁到另一个能级。这个模型为玻尔赢得了1922年的诺贝尔物理学奖。丹麦被德国人占领后,他亲自游说海森堡(当时德国核武器项目的负责人)关于核战争的影响。他也是英国驻曼哈顿计划使团的一员,后来参与了日内瓦欧洲核子研究中心的建立。
史上最著名的物理学会议,世纪辩论中诞生物理学新大厦
文章插图
  • 左:尼尔斯·玻尔。右:玻尔1913年发表的关于原子和分子结构的论文,在这篇论文中,玻尔引入了现在被称为玻尔原子模型的理论。
在这次会议之前,海森堡一直在哥本哈根大学担任讲师。玻尔把海森堡不确定性原理的论文介绍给了爱因斯坦。在会议期间,玻尔带头为海森堡的理论进行辩护,他与爱因斯坦辩论了爱因斯坦通过“狭缝实验”提出的批评:
思想实验:狭缝实验
考虑一个粒子通过一个宽度为d的狭缝。由于粒子穿过了墙壁,这个狭缝引入了动量约为h/d的不确定性。但是,让我们通过测量墙的反冲来确定粒子的动量。在这样做的过程中,我们通过动量守恒得到了粒子任意精度的动量。
玻尔的回应很简单:他认为光子穿过的墙实际上也是一个量子力学系统。因此,为了测量壁的反冲达到 Δp的精度,在粒子通过之前,墙的动量也必须达到这个精度。这意味着,在这样的精度下,墙的位置实际上也是不确定的,就像穿过它的粒子一样。因此,狭缝的位置等于h/Δp,如果已知墙的动量足以测量反冲,狭缝的位置就足够不确定,因此不允许测量它的位置,这符合海森堡的不确定性原理。
玻尔在辩论中的胜利,以及他在哥本哈根大学与海森堡的密切关系,导致了以海森堡、玻尔、玻恩等人为首的非确定性观点被命名为量子物理学的“哥本哈根解释”。
克莱默斯(Hendrik A. Kramers)
坐在中间一排的还有荷兰物理学家亨德里克·克莱默斯(Hendrik Kramers, 1894-1952),他曾在哥本哈根师从玻尔攻读博士学位。在1925年海森堡发现量子力学之前,克莱默斯和他一起研究了所谓的克莱默斯-海森堡色散公式,该公式表示了光子被电子散射的横截面,是海森堡1926年结果的基础。
史上最著名的物理学会议,世纪辩论中诞生物理学新大厦
文章插图
  • 左:克莱默斯。右:克雷默斯1925年与海森堡合著的论文《关于原子辐射的散射》,介绍了克莱默斯-海森堡色散公式
保罗·狄拉克(Paul Dirac)
当时在场的著名物理学家之一保罗·狄拉克,当时25岁,是剑桥大学拉尔夫·福勒手下的一名研究员。一年前,他完成了博士学位,完成了第一篇关于海森堡量子力学的论文。
史上最著名的物理学会议,世纪辩论中诞生物理学新大厦
文章插图
  • 左:保罗·狄拉克。右:狄拉克1928年的论文《电子的量子理论》中,他引入了狄拉克方程作为电子波函数的相对论运动方程
狄拉克的导师(福勒)收到了海森堡第一次介绍矩阵力学的论文的副本,并把它交给狄拉克让他检验。狄拉克注意到一种奇怪的数学关系,他后来意识到这种关系的结构与粒子运动的经典动力学中的泊松括号相同。这一发现导致他引入了基于非交换动态变量的量子理论,这使他获得了新颖而有启发性的量子化规则(从经典到量子理解物理的过程),也就是所谓的标准量子化过程。他的规则融合了海森堡矩阵力学和薛定谔波动力学的思想,并表明它们实际上是等价的。正如他的仰慕者斯蒂芬·霍金后来写道:“在现代量子力学的三位创始人中,海森堡和薛定谔可以说是对该理论有了初步贡献,但狄拉克把它们结合在一起,揭示了一切。”
索尔维会议一年后,狄拉克独立于泡利发现了现在被称为狄拉克方程的东西,它描述了所有自旋为-?的粒子,如电子和夸克,对它们来说宇称是对称的。这是第一个暗示反物质存在的发现,几年后才通过实验得到证实。狄拉克随后与薛定谔分享了1933年的诺贝尔物理学奖。
马克斯玻恩(Paul Dirac)
最后,在中间的一行,我们还发现了德国物理学家和数学家马克斯·博恩,他虽然没有海森堡有名,但在发展矩阵力学和概率密度函数公式方面发挥了重要作用,后来被薛定谔运用在了薛定谔方程中。

推荐阅读