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科学蒙难集 1106-第23章

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波函数的统计解释”而与玻特(W。Bothe,1891-1957)分 享该年度诺贝尔物理学奖金。这是在玻恩提出波函数统计解释的28年之后,此时他 已经是一位72岁的退休老人。
  从现象上看,玻恩这么晚才获奖,似乎是诺贝尔奖金委员会谨小慎微所造成的 结果,实际上,问题的原因并非如此简单。
  马克斯。玻恩是著名的物理学家, 1882年1月11日生于德国布雷斯劳的犹太人 家庭,先后在海德堡、苏黎士、哥廷根和英国剑桥等地求学。他在哥廷根大学学习 时曾做过大数学家希尔伯特(D。Hilbert,1862-1943)的“私人助理”,1907年 获博士学位,毕业后在柏林骑兵团服役一年;接着去英国冈维尔和凯恩斯学院当研 究生;1908年在哥廷根随大数学物理学家闵可夫斯基(H。Minkowski,1864-1909) 搞相对论; 1915年任柏林大学教授,替普朗克(M。Planck,1858-1947)分担讲 课任务; 1919年与劳厄(V。Laue,1879-1960)对调,到法兰克福大学做研究工 作;1921年接替德拜(P。Debye,1884-1966)任哥廷根大学物理系主任,理论物 理学教授;1933年希特勒上台后,玻恩赴英国侨居,在剑桥大学和爱丁堡大学任教, 1939年加入英国国籍;1953年退休回德国,1970年1月5日在哥廷根逝世。
  玻恩思想活跃、学识渊博,在很多领域都有较深造诣,是勤奋高产的科学家。 他一生共发表300多篇论文和20多本书, 取得的成就是多方面的,特别是对量子力 学发展的卓越贡献,在整个物理学界具有极大影响,享有很高声誉。如今,在所有 关于量子力学及其理论解释的书刊中,几乎都要提到玻恩及其贡献。据《科学引文 索引》统计,玻恩是1961-1972年间被引用最多的50位作者之一。在一本十几万字 的《量子史话》中,竟几十次提到玻恩的名字,足见他的影响之大。
  玻恩还是优秀的导师,他在哥廷根大学一直主持理论物理研究工作,在玻恩等 人的领导下,哥廷根大学成为世界理论物理的一个重要研究中心。许多青年学者都 向往到此深造,他的周围聚集了强大的理论物理学队伍,在量子力学的创立和发展 中,一直起着主导作用,是量子力学正统学派的一支主力。玻恩擅长演讲,对学生 态度亲切而不拘小节,一些著名的物理学家曾是他的学生、助手和合作乾,如诺贝 尔奖金获得者海森堡、 泡利(W。Pauli, 1900-1958)、梅耶夫人(M。Mayer, 1906-1972),斯特恩(W。Stern,1871-1938),还有量子化学的重要创始人伦 教(F。London,1900-1954)和“原子弹之父”奥本海默(J。R。Oppenhe…imer, 1904-1967)等。
  提出背离经典力学的波函数统计解释
  1926年1月,几乎在玻恩等人创立矩阵力学的同时,奥地利物理学家薛定谔(E 。Schrodinger,1887-1961)建立了波动力学的基本方程,即著名的薛定谔方程。 方程中的未知量Ψ被称为波函数。从此,波函数Ψ做为一个重要的新概念登上量子 力学舞台。薛定谔的新理论提出不久,就取得了非凡的成功,应用薛定谔方程,从 Ψ中做出了大量有用的运算结果。但是Ψ函数本身的物理意义却模糊不清,使许多 物理学家感到迷惑不解,大伤脑筋,明显地影响了量子力学的发展和传播。几个月 之后, 薛定谔把Ψ函数解释为电子形成的波,并且用|Ψ|2来量度电子电荷分散开 的程度。然而,这种解释与电子真实行为完全不一致,很快就被否定了。
  就在薛定谔的论文(第四篇通信)投到《物理学年鉴》后的第四天,另一家杂 志《物理学时代》收到了玻恩的一篇论文,题目是“碰撞过程的量子力学”,发表 在1926年6月25日出版的《物理学时代》第37卷上。在这篇不足5页的简短论文中, 玻恩首次提出波函数的几率解释。
  玻恩当时认为,薛定谔的“波动力学是量子定律更深刻的表达形式”,其方式 是每个物理学家都比较熟悉的,“但是在他看来,薛定谔的波动解释是站不住脚的” 。 玻恩回忆道:“我在弗兰克(J。FRANCK,1882-1964)关于原子和分子碰撞的 卓越的实验中每天都目睹粒子概念的丰硕成果,因而确信,粒立不能简单地取消。 必须发现使粒子和波一致起来的途径。我在几率概念中发现了衔接的环节”。玻恩 又说: “爱因斯坦(A。Einstein,1879-1955)的观念又一次引导了我。他曾经 把光波的振幅解释为光子出现的几率密度,从而使粒子(光量子或光子)和波的二 象性成为可以理解的。 这个观念马上可以推广到Ψ函数上:|Ψ|2必须是电子(或 其它粒子)的几率密度”。在紧接着发表的长篇论文和以后的著述中,玻恩详细讨 论并进一步发展了他对波函数的统计解释。
  “玻恩解释的描述方式,同光的波动理论把电磁波振幅的平方看做辐射强度相 似,……Ψ(x)Ψ(x)dx与无穷小区间x~x+dx内发现电子的几率成正比”。德布 罗意(L。DeBronglie,1892-1960)所说的物质波实际是几率波。以氢原子为例, |φ(q) |2表示电子在核外某点q处出现的几率密度,很明显,电子在核外“各处 出现的几率密度总和必定为1(100%) ,∫|Ψ(q)|2dq=1”。几率是多次观测 的统计平均值,对单独一次实验而言,无法预言电子出现的准确位置,多次观测结 果则可以找到电子在各处出现的几率。由于几率是用统计的方法得出的,因此,几 率解释也常常被称为统计解释。通过粒子“统计分布的确定”和波函数的“三个性 质原则”,可以看出波函数的明确物理意义和巨大应用价值。
  玻恩早就注意到,1921年关于原子束在不均匀磁场中偏转的实验“是古典力学 在原子范围里不适应和必须代之以新的量子力学的基本证明之一”。1927年海森堡 发现的“不确定原理”则进一步证明波函数统计解释的正确性。它反映了电子运动 的不确定性和遇然性,揭示了波粒二象性的本质和微观世界的特殊规律,物理含义 明确,与量子力学其它部分连贯一致,很快被绝大多数物理学家所接受,充满了几 乎所有涉及量子力学的教科书和各种文献而广泛传播。
  1975年8月25日, 英国物理学家、 量子力学创始人之一狄拉克  (P。A。M。 Dirac) 在澳大利亚新南威尔士大学做“量子力学的发展”演讲中指出:“当然, 对原子所做的实验结果确与几率有关。根据新力学,我们能够计算出这些几率,… …我们发现计算和观测结果互相符合。……根据公认的标准原理概念,……以薛定 谔方程中波函数为基础的几率解释,是人们能够做出的最好解释,人们为改进这种 解释做了许多努力,力求获得比仅仅是一些几率更多的信息,但所有这些努力都以 失败告终,根据现在的量子力学理论……几率解释是正确的”。
  波函数的统计解释奠定了量子力学的理论基础,成为量子边学的核心解释和基 本要点。它使人们看清了量子力学各种不同数学表达形式的相同物理本质,可以认 为,量子力学是统计性的数学物理理论。这就大大地推动了量子力学的发展和在各 个领域中的应用。
  少数权威反对致使授奖时间推延
  波函数的统计解释对量子力学的发展有巨大的贡献,属于物理学上“最重要的 发现”。符合诺贝尔遗嘱中规定的授奖条件。特别是1929年德布罗意因发现电子的 波动性获得诺贝尔奖金后,广大物理学家的呼声和玻恩本人的感觉,都认为到应该 获奖的时候了。可是,玻恩不仅1932年未能与海森堡分享诺贝尔奖金,而且在以后 的量子力学方面的获奖者中,也长期没有玻恩的名字。
  虽然诺贝尔金各委员会的讨论都是秘密进行的,对遴选过程和哪些人曾被提名 为候选人一事至今缄口不言,但是玻恩长期未能获奖的原因“显然”“是由于科学 界中关键人士的极力反对……,而不是由于各委员会的因循耽搁”。对此,玻恩曾 有过一段感触很深的评论,他说:“我对Ψ函数的统计解释……虽然占压倒多数的 物理学家都接受了这种哲学,但是始终有一些物理学家不接受这种哲学,在他们中 间有像普朗克、爱因斯坦、德布罗意和薛定谔这样伟大的人物,他们在量子理论的 第一个时期都是领袖人物,这可以说明为什么要在28年以后我才因我的工作而被授 予诺贝尔奖金(1954年)”。1948年,玻恩在英国牛津大学玛格达椤学院一次讲座 中,提到波函数的统计解释和量子力学的统计性遭到反对时说:“尽管它已为我们 这一代的物理学家所普遍接受,但是一直遭到两个人的坚决反对,这两个人恰恰对 量子物理的创立比任何其他人都贡献得多,这就是普朗克和爱因斯坦”。海森堡在 《20世纪物理学中概念的发展》一文中说:“也像在相对论的场合一样,这里也出 现了对新的观念方案的强烈反对意见,而且甚至包括了爱因斯坦、劳厄和薛定谔这 样一些最有权威的物理学家”。
  爱因斯坦是“极力反对”波函数统计解释的“关键人士”,“他终生始终不满 意通常赋予量子力学解释的几率性质。他对这种解释作了最尖锐的批评”。起初, 这种反对只限于他同玻恩和其他少数几位朋友的私下接触中,例如,他在1926年12 月16日给玻恩的信中说:“最子力学当然是仪表堂堂的,但是,有一种内在的声音 告诉我,它还不是真正的实货,这个理论讲一套碰运气的拈阄术,而不是真正把我 们带到任何更接近于了解上帝秘密的境地。无论如何,我相信上帝是不投骰子的”。 到1927年,面对大多数人接受波函数和量子力学统计解释的局面,爱因斯坦感到有 必要让广大物理学家知道自己的观点, 于是
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