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科学网量子英雄传
浏览: 发布日期:2020-01-12

9.  协建矩阵力学奠基量子论

     提出概率诠释解释波函数

 

当年的量子江湖上派别林立人物众多,如果就地域而言有三大巨头:哥本哈根的玻尔、慕尼黑的索末菲、和哥廷根的玻恩。玻尔和索末菲都已经写过了,德国物理学家马克斯·玻恩(Max Born1882年-1970年)也是我们前面几篇中经常提到的人物,此篇再来专门写写他。

·矩阵力学奠基新量子论

其实有人认为,玻恩才是量子力学的真正奠基人。这句话不无道理,首先,是玻恩在1924年的文章里呼唤新量子论的出现。然后,量子力学(新量子论)最早开始于矩阵力学,而不是薛定谔方程。玻恩在矩阵力学的建立中起了关键的作用。再则,薛定谔方程与矩阵力学是等价的,无论是方程解出的波函数,还是矩阵算符,都需要解释其物理意义。最能被人接受的解释是玻恩提出的概率解释。

三大巨头有他们各自的擅长之处。

玻尔研究所中年轻人多,朝气勃勃,无条条框框,最能接受新的哲学思想,可被称为革命派。毫无疑问,创立新量子力学理论需要革命派。开尔文爵士在祝贺玻尔1913年建立氢原子模型时的一封信中承认,波尔论文中很多新东西他不能理解,开尔文有句话说得十分深刻,其大意是:基本的新物理学必将出自无拘无束的头脑!

新理论也需要像索末菲这样的物理数学皆通、首屈一指的好老师!索末菲在慕尼黑大学的物理中心,被誉为是理论物理学家的摇篮,孕育出了许多优秀的物理学家,因此,慕尼黑一派为物理帮。

而玻恩所在的哥廷根大学,以坚实的数学基础著称,则可算作数学帮。

玻恩出生于德国布雷斯劳(现在属于波兰)的一个犹太家庭。父亲是大学的解剖学教授。玻恩大学毕业后进入哥廷根大学攻读博士,在那儿结识了三名伟大的数学家:费利克斯·克莱因、大卫·希尔伯特、与赫尔曼·闵可夫斯基。在这三位数学大师指导下,玻恩得到非常好的数学训练。三位数学家中,克莱因的专长是非欧几何和群论;希尔伯特和他的学生为量子力学和广义相对论的数学基础做出了重要的贡献;闵可夫斯基是四维时空理论的创立者,知名于闵可夫斯基空间。在哥廷根大学,年轻有为、活力四射的玻恩,很快就得到希尔伯特的赏识,被他选择为讲课时的抄录员,记录课堂笔记。这个平凡又特别的工作使得玻恩与希尔伯特有很多单独交流的机会,后来,希尔伯特成为玻恩的正式博士导师。

 

当玻恩1908年得知爱因斯坦的狭义相对论后,十分感兴趣。闵可夫斯基邀请他回哥廷根大学,共同研究相对论。也就是这次机会,使玻恩了解到矩阵代数,以方便处理闵可夫斯基的四维时空矩阵。但不幸闵可夫斯基突发阑尾炎去世而使这次合作在短短的1个月后便中断了。之后,1915年玻恩成为柏林大学副教授,在那儿与爱因斯坦结为密友。他们的友谊,经历了物理哲学观点的分道扬镳,以及战争动荡年代的考验,一直延续40年,有他们断断续续的几百封书信为证【1

玻恩对量子力学的研究是从晶体研究开始的。玻恩集中精力研究晶体结构,并把爱因斯坦的狭义相对论推广到晶体中电子的运动。

玻恩曾经与之后转向航天技术的冯·卡门合作研究固体的比热,把量子论推广到固体比热问题。后来,玻恩应用玻尔半量子化的理论研究晶体,得出一些与实验相违背的结果,这使玻恩确信旧量子论存在严重问题,必须重建新理论。从以下玻恩给爱因斯坦几封信中的片言只语中,可以看出一点玻恩和他的团队思考研究最后建立新理论的过程。

1921年,玻恩写给爱因斯坦“量子理论,毫无希望,一团糟也。”,表现他无比困惑的情绪。

1923年,玻恩在写给爱因斯坦的信中说:“一切如常,惟研究量子论,欲寻一计解氦原子”,仍然困惑,但似乎有了研究方向。

1925 年,玻恩说:“约当与我正考究经典多周期系统,欲解量子化原子间之对应关系也。今有一文将发,此文欲解非周期场问题。”,看起来有了一点进展,发表了文章。

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