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是伟大的撒旦(1)
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然而,在哥本哈根派聚集力量的同时,他们的反对派也开始为最后的决战做准备。对于爱因斯坦来说,一个没有严格因果律的物理世界是不可想象的。物理规律应该统治一切,物理学应该简单明确:A导致了B,B导致了C,C导致了D。环环相扣,每一个事件都有来龙去脉,原因结果,而不依赖于什么“随机性”。至于抛弃客观实在,更是不可思议的事情。这些思想从他当年对待玻尔的电子跃迁的看法中,已经初露端倪。1924年他在写给波恩的信中坚称:“我决不愿意被迫放弃严格的因果性,并将对其进行强有力的辩护。我觉得完全不能容忍这样的想法,即认为电子受到辐射的照射,不仅它的跃迁时刻,而且它的跃迁方向,都由它自己的‘自由意志’来选择。”
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旧量子论已经让爱因斯坦无法认同,那么更加“疯狂”的新量子论就更使他忍无可忍了。虽然爱因斯坦本人曾经提出了光量子假设,在量子论的发展历程中作出过不可磨灭的贡献,但现在他却完全转向了这个新生理论的对立面。爱因斯坦坚信,量子论的基础大有毛病,从中必能挑出点刺来,迫使人们回到一个严格的、富有因果性的理论中来。玻尔后来回忆说:“爱因斯坦最善于不抛弃连续性和因果性来标示表面上矛盾着的经验,他比别人更不愿意放弃这些概念。”
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面对量子精灵的进逼,爱因斯坦也在修炼他的魔杖。他已在心中暗暗立下誓言,定要恢复旧世界的光荣秩序,让黄金时代的古典法律再一次获得应有的尊严。
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两大巨头虽未能在科莫会议上碰面,然而低头不见抬头见,命运已经在冥冥中注定了这样的相遇不可避免。仅仅一个多月后,另一个历史性的时刻就到来了,第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开。这一次,各路冤家对头终于聚首一堂,就量子论的问题做一个大决战。从黄金年代走来的老人,在革命浪潮中成长起来的反叛青年,经典体系的庄严守护者,新时代的冒险家,这次终于都要做一个最终了断。世纪大辩论的序幕即将拉开,像一场熊熊的大火燃烧不已,而量子论也将在这场大火中接受最严苛的洗礼,锻烧出更加璀璨的光芒。
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布鲁塞尔见。
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饭后闲话:科学史上的神话(一)
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阿基米德的浴缸,牛顿的苹果,瓦特的茶壶,爱因斯坦的小板凳……科学史上流传着太多我们耳熟能详的故事。它们带着强烈的传奇色彩,在孩提时代曾那样打动我们的心灵,唤起对于天才们的深深崇敬和对于科学的无限向往。然而时至今日,我们再度回头审视这些传说,却会发现许多时候,它们的象征意义过分浓厚,从而不可避免地掩盖住了历史的本来面目,掺入了太多情感的成分。令人吃惊的是,大家从小所熟悉的那些科学家的故事,若是仔细推敲起来,几乎没有多少是站得住脚的。传奇最终变成了神话(myth),而我们也终究长大。
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让我们按照时间顺序,首先从阿基米德(Archimedes)开始。几乎每个人都知道阿基米德量金冠的故事,所谓空穴来风,未必无因,这个传说自然也有其根源:它首先被记载于公元前1世纪罗马的建筑师维特鲁乌斯(Vitruvius)的著作中。根据记载,叙拉古的国王耶罗二世(HieroⅡ)做了一个金冠要献给神祇,但他怀疑金匠私吞了一部分金子,而以同等质量的银子代替,便命阿基米德想办法在不破坏王冠的情况下测出它是否为纯金。阿基米德冥思苦想,终于在一次洗澡的时候,他发现浴缸里的水随着身体的浸入而不断溢出,于是突然恍然大悟,光着身子跳出浴缸,还叫着一种多里安方言:Eureka(希腊文的ΕÜρ η κ α,意为“我找到了”)!这个词从此被作为灵感来临的象征,成为多少人梦寐以求的时刻。
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阿基米德的方法是,把金冠扔进一个盛满水的桶中,测得溢出水的体积。然后把同等重量的纯金也扔进满水的桶中,得到溢出水的体积。如果金冠掺银的话,它的体积就要比同等重量的纯金要大,因此排出的水相应地更多。
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这听上去当然无懈可击,不过稍作计算的话,很难想象阿基米德真的可以用这种方法来实际地解决问题。希腊时代的王冠其实就是“桂冠”,也就是像奥运会上用橄榄枝围一圈戴在头上的那种“花环”。从考古实物来说,目前出土的最大的王冠重714g,直径18.5cm,为了简便,我们放宽计算,假设阿基米德的王冠重1kg,直径20cm好了。因为纯金的比重是19.3g/cm3 ,所以1kg重的金子实占体积51.8cm3 。现在假设金匠向王冠里掺了30%的银子,那么银子的比重是10.6 g/cm3 ,该王冠实占体积差不多是64.6cm3 。
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把王冠和纯金放进尽可能窄的桶里(因为王冠直径20cm,则桶口的面积最小是314cm2 ),王冠能造成0.206cm的水位上涨,纯金则是0.165cm。相比之下,差距只有0.041cm,也就是0.4mm!不要说阿基米德时代,就算在现代的中学里,要测出这样一个差值都是相当困难的!而且,任何其他因素,比如水的表面张力,水中的气泡等都能轻易地造成同等的误差,这造成了该方法实际上不可行。我们的计算还是宽松的:假如王冠再轻一点,掺的银子再少一点,或桶再大一点的话,差值就更加微小了(2) 。
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实践上的难度暂且不论,罗马建筑师的本意在于颂扬阿基米德的天才成就,然而这个检测方法却是异常拙劣的!更糟糕的是,这里面却反而没有用到阿基米德本人的伟大发现——浮力定律!其实,如果想称颂阿基米德,我们有一种最简单的方法:直接用提秤,把王冠和在空气中同等重量的纯金同时放到水中去称量!因为王冠的体积大,受到的浮力相对也大,所以在水中王冠就会显得比金子要轻,提秤的这端将会翘起!而如果要使两者在水中保持平衡的话,我们需要在空气中重1012.8g的纯金才行,相对来说,12.8g的差距是容易测量的,我们甚至能从中轻易地得到掺银的比例。最关键的是,这才是阿基米德伟大的真正体现:浮力定律!
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如果维特鲁乌斯物理好一点,编造得更聪明一点的话,这个神话也许就没那么容易破灭。
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Part. 2
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青山依旧,几度夕阳,同样的布鲁塞尔,一转眼竟已是16个春秋。1911年的第一届索尔维会议,也就是那个传说中的“巫师会议”似乎已经在人们的脑海中慢慢消逝。16年间发生了太多的事情,世界大战的爆发迫使这科学界的巅峰聚会不得不暂时中断,虽然从1921年起又重新恢复,但来自德国的科学家们却都因为战争原因而连续两次被排除在外。失去了这个星球上最好的几个头脑,第三届、第四届会议便未免显得有些索然无味,而这也更加凸显了1927年第五届索尔维会议的历史地位。后来的发展证明,它毫无疑问是有史以来最著名的一次索尔维会议。
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这次会议弥补了科莫的遗憾,爱因斯坦、薛定谔等人都如约而至。物理学的大师们聚首一堂,在会场合影,流传下了那张令多少后人唏嘘不已的“物理学全明星梦之队”的世纪照片。当然世事无完美,硬要挑点缺陷,那就是索末菲和约尔当不在其中,不过我们要求不能太高了,人生不如意者还是十有八九的。
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会议从10月24日到29日,为期6天。主题是“电子和光子”(我们还记得,“光子―photon”是个新名词,它刚刚在1926年由美国人刘易斯提出),其议程如下:首先劳伦斯·布拉格作关于X射线的实验报告,然后康普顿报告康普顿实验以及其和经典电磁理论的不一致。接下来,德布罗意作量子新力学的演讲,主要是关于粒子的德布罗意波。随后波恩和海森堡介绍量子力学的矩阵理论,而薛定谔介绍波动力学。最后,玻尔在科莫演讲的基础上再次做那个关于量子公设和原子新理论的报告,进一步总结互补原理,给量子论打下整个哲学基础。这个议程本身简直就是量子论的一部微缩史,从中可以明显地分成三派,只关心实验结果的实验派:布拉格和康普顿;哥本哈根派:玻尔、波恩和海森堡;还有哥本哈根派的死敌:德布罗意、薛定谔,以及坐在台下的爱因斯坦。
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会议的气氛从一开始便是火热的。像拳王争霸赛一样,在重头戏到来之前先有一系列的垫赛:大家先就康普顿的实验做了探讨,然后各人随即分成了泾渭分明的阵营,互相炮轰。德布罗意一马当先做了发言,他试图把粒子融合到波的图像中去,提出了一种“导波”(pilot wave)的理论,认为粒子是波动方程的一个奇点,它必须受波的控制和引导。泡利站起来狠狠地批评了这个理论,他首先不能容忍历史车轮倒转,回到一种传统图像中,然后他引了一系列实验结果来反驳德布罗意。众所周知,泡利是世界第一狙击手,谁要是被他盯上多半是没有好下场的,德布罗意最后不得不公开声明放弃他的观点。幸好薛定谔大举来援,不过他还是坚持一个非常传统的解释,这连盟军德布罗意也觉得不大满意,泡利早就嘲笑薛定谔“幼稚”。波恩和海森堡躲在哥本哈根掩体后面对其开火,他们在报告最后说:“我们主张,量子力学是一种完备的理论,它的基本物理假说和数学假设是不能进一步修改的。”他们也集中火力猛烈攻击了薛定谔的“电子云”,后者认为电子的确在空间中实际地如波般扩散开去。海森堡评论说:“我从薛定谔的计算中看不到任何东西可以证明事实如同他所希望的那样。”薛定谔承认他的计算确实还不太令人满意,不过他依然坚持,谈论电子的轨道是“胡扯”(应该是波本征态的叠加)。波恩回敬道:“不,一点都不是胡扯。”在一片硝烟中,会议的组织者,老资格的洛伦兹也发表了一些保守的观点……
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