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1925年的夏天,年輕的海森堡處于一種“內(nèi)憂外患”的境地。
一年前,他在索末菲指導(dǎo)下完成了博士論文,然后前往哥本哈根。和玻爾工作一年后,海森堡又回到哥廷根大學(xué)物理研究所擔(dān)任玻恩(小編備注:玻恩不是玻爾)的助手。
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▲1924-1925,海森堡很忙
自1900年普朗克提出“能量子”假說后,“量子”在物理學(xué)界大有星火燎原的勢頭。1905年愛因斯坦借助量子概念解釋了光電效應(yīng),1913年玻爾在盧瑟福行星軌道原子模型的基礎(chǔ)上引入量子化條件,提出了一個半經(jīng)典半量子的量子化軌道原子模型。在這個模型中,電子仍然圍繞原子核做圓周運(yùn)動,但增加了一條關(guān)鍵規(guī)定,電子只能在某些固定的軌道上運(yùn)動(即電子軌道是量子化的)。當(dāng)電子從內(nèi)圈軌道跳躍到外圈軌道時,需要吸收光子,反之放出光子。至于為什么這么規(guī)定,玻爾并未給出更深層的解釋——在他看來,這個模型能有效解釋氫原子的可見光光譜,就可以了。
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▲玻爾模型示意圖
但是,玻爾的原子模型還有個繞不開的困難——如何解釋斯塔克效應(yīng)。
斯塔克效應(yīng)由德國物理學(xué)家約翰尼斯·斯塔克(Johannes Stark)于1913年發(fā)現(xiàn),指的是氫原子光譜線在電場作用下會發(fā)生分裂的現(xiàn)象,也叫做氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。如果解釋不了精細(xì)結(jié)構(gòu),玻爾模型恐怕也將步盧瑟福行星模型的后塵,面臨被拋棄的命運(yùn)。好在索末菲及時為玻爾模型打上補(bǔ)丁,進(jìn)行了必要的修正,將電子的圓形軌道改為橢圓軌道,并考慮高速運(yùn)動電子的相對論效應(yīng)等。這樣就可以解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)了。
不論是玻爾的原子模型,還是索末菲修正過的相對論性原子模型,都保留了“電子軌道”這一經(jīng)典物理圖像——電子圍繞中心的原子核運(yùn)動,就像行星繞著恒星運(yùn)動一樣。然而實驗觀測和數(shù)據(jù)中并未真正捕捉到電子沿軌道運(yùn)動的證據(jù)。玻爾模型更像是一個脫胎于經(jīng)典物理圖像、打上了幾塊量子補(bǔ)丁的理論,湊合能用,離完美還差得遠(yuǎn)。
物理學(xué)家們面臨一個選擇,要不要繼續(xù)將就下去。
泡利不想將就,同年5月,他在給朋友的信中抱怨道,“目前,物理學(xué)再次處于極度混亂之中。”這話有點夸張了,不過十分符合泡利毒舌的人設(shè)。
海森堡也不想將就,他決心為解決原子譜線之謎奮戰(zhàn)。同時,他還在飽受花粉過敏之苦,臉腫得厲害。在內(nèi)憂外患的夾擊下,海森堡決定出逃。1925年6月的一天,他從哥廷根出發(fā),搭乘夜間列車,登上渡輪,前往“黑爾戈蘭島”——休假去了。
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▲海森堡的朋友圈(小編杜撰版)
黑爾戈蘭島是北海中的一個小島,離德國北方工業(yè)城市漢堡不遠(yuǎn),島上仍保留著近乎原始的自然狀態(tài)。高聳的紅巖峭壁,新鮮的海風(fēng),讓海森堡的身心徹底放松。他沿著紅色峭壁邊的小路散步,他扎進(jìn)海水中暢游,吃得香、睡得好,讀著歌德的田園詩,望著窗外的美景出神……在這樣全然放空的狀態(tài)下,他開始嘗試用自己的方式傾聽原子的聲音,窺探量子的奧秘。
既然電子軌道無法觀測,不如不用,應(yīng)該使用可觀測的物理量(比如原子輻射的頻率、強(qiáng)度)來建立一種不依賴軌道運(yùn)動的新力學(xué)。
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在一個電閃雷鳴的夜晚,海森堡伏案疾書。他把輻射頻率和輻射強(qiáng)度排成陣列,采用了一套全新的數(shù)學(xué)方案,矩陣力學(xué)由此萌芽。海森堡興奮不已,很快返回哥廷根。途經(jīng)漢堡時,他迫不及待地將新成果拿給泡利看,以刻薄著稱的泡利師兄竟然對他說了些鼓勵的話。泡利后來在給朋友的信中寫到:“海森堡的力學(xué)讓我恢復(fù)了對生活的興趣。”
隨后在泡利、玻恩和約爾當(dāng)?shù)热说耐献飨拢仃嚵W(xué)逐漸完善,量子力學(xué)迎來了第一個數(shù)學(xué)形式體系,這標(biāo)志著舊量子論成為過去時,新量子理論開始了。
算起來,海森堡在黑爾戈蘭島只度過了兩周不到的時間。這次休假成為量子力學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折,是一次“非常科學(xué)的休假”。
魯迅曾經(jīng)說,寫不出的時候不要硬寫。海森堡的經(jīng)歷告訴我們,想不通的時候,也不必硬想,不妨去休息吧。即便休息后未能幸運(yùn)地找到靈感,至少我們也為接下來的工作做好了身心的準(zhǔn)備。
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來源:墨子沙龍
原標(biāo)題:如何科學(xué)地休假?這位量子物理學(xué)家選擇逃往海邊小島|量子百年1
編輯:子木
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