曹天元:量子力学发展史3

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导读:马克斯·波恩(MaxBorn)和薛定谔有着相似的教育背景,经过了家庭教育,高级中学的过程进入了布雷斯劳大学,这也是当时德国和奥地利中上层家庭的普遍做法。不过相比薛定谔来说,波恩并不怎么喜欢拉丁文,甚至不怎么喜欢代数,尽管他对数学的看法后来在大学里得到了改变。
马克斯·波恩(MaxBorn)和薛定谔有着相似的教育背景,经过了家庭教育,高级中学的过程进入了布雷斯劳大学,这也是当时德国和奥地利中上层家庭的普遍做法。不过相比薛定谔来说,波恩并不怎么喜欢拉丁文,甚至不怎么喜欢代数,尽管他对数学的看法后来在大学里得到了改变。他那时疯狂地喜欢上了天文,梦想着将来成为一个天文学家。 路易斯·德布罗意(LouisdeBroglie)当时8岁,正在他那显赫的贵族家庭里接受良好的幼年教育。他对历史表现出浓厚的兴趣,并乐意把自己的时间花在这上面。 沃尔夫冈·恩斯特·泡利(WolfgangErnstPauli)才出生8个月。可怜的小家伙似乎一出世就和科学结缘:他的middlename,Ernst,就是因为他父亲崇拜著名科学家恩斯特·马赫(ErnstMach)才给他取的,后者同时也是他的教父。 而再过12个月,维尔兹堡(Würzburg)的一位希腊哲学教师就要喜滋滋地看着他的宝贝儿子小海森堡(WernerKarlHeisenberg)呱呱坠地。稍早前,罗马一位公务员把他的孩子命名为恩里科·费米(EnricoFermi)。20个月后,保罗·狄拉克(PaulDirac)诞生于英国的布里斯托尔港。而汉诺威的帕斯卡·约尔当(PascualJordan)也紧随着来到人间。 好,演员到齐。那么,好戏也该上演了。 第三章火流星 一 在量子初生的那些日子里,物理学的境遇并没有得到明显的改善。这个叛逆的小精灵被他的主人所抛弃,不得不在荒野中颠沛流离,积蓄力量以等待让世界震惊的那一天。在这段长达四年多的惨淡岁月里,人们带着一种鸵鸟心态来使用普朗克的公式,却掩耳盗铃般地不去追究那公式背后的意义。然而在他们的头上,浓厚的乌云仍然驱之不散,反而有越来越逼人的气势,一场荡涤世界的暴雨终究无可避免。 而预示这种巨变到来的,如同往常一样,是一道劈开天地的闪电。在混沌中,电火花擦出了耀眼的亮光,代表了永恒不变的希望。光和电这两种令神袛也敬畏的力量纠缠在一起,便在瞬间开辟出一整个新时代来。 说到这里,我们还是要不厌其烦地回到第一章的开头,再去看一眼赫兹那个意义非凡的实验。正如我们已经提到过的那样,赫兹接收器上电火花的爆跃,证实了电磁波的存在,但他同时也发现,一旦有光照射到那个缺口上,那么电火花便出现得容易一些。 赫兹在论文里对这个现象进行了描述,但没有深究其中的原因。在那个激动人心的伟大时代,要做的事情太多了,而且以赫兹的英年早逝,他也没有闲暇来追究每一个遇到的问题。但是别人随即在这个方面进行了深入的研究,不久事实就很清楚了。原来是这样的:当光照射到金属上的时候,会从它的表面打出电子来。原本束缚在金属表面原子里的电子,不知是什么原因,当暴露在一定光线之下的时候,便如同惊弓之鸟纷纷往外逃窜,就像见不得光线的吸血鬼家族。对于光与电之间存在的这种饶有趣味的现象,人们给它取了一个名字,叫做"光电效应"(ThePhotoelectricEffect)。
很快,关于光电效应的一系列实验就在各个实验室被作出。虽然在当时来说,这些实验都是非常粗糙和原始的,但种种结果依然都表明了光和电现象之间的一些基本性质。人们不久便知道两个基本的事实:首先,对于某种特定的金属来说,光是否能够从它的表面打击出电子来,这只和光的频率有关。频率高的光线(比如紫外线)便能够打出能量较高的电子,而频率低的光(比如红光、黄光)则一个电子也打不出来。其次,能否打击出电子,这和光的强度无关。再弱的紫外线也能够打击出金属表面的电子,而再强的红光也无法做到这一点。增加光线的强度,能够做到的只是增加打击出电子的数量。比如强烈的紫光相对微弱的紫光来说,可以从金属表面打击出更多的电子来。 总而言之,对于特定的金属,能不能打出电子,由光的频率说了算。而打出多少电子,则由光的强度说了算。 但科学家们很快就发现,他们陷入了一个巨大的困惑中。因为……这个现象没有道理,它似乎不应该是这样的啊。 我们都已经知道,光是一种波动。对于波动来说,波的强度便代表了它的能量。我们都很容易理解,电子是被某种能量束缚在金属内部的,如果外部给予的能量不够,便不足以将电子打击出来。但是,照道理说,如果我们增加光波的强度,那便是增加它的能量啊,为什么对于红光来说,再强烈的光线都无法打击出哪怕是一个电子来呢?而频率,频率是什么东西呢?无非是波振动的频繁程度而已。如果频率高的话,便是说波振动得频繁一点,那么照理说频繁振动的光波应该打击出更多数量的电子才对啊。然而所有的实验都指向相反的方向:光的频率,而不是强度,决定它能否从金属表面打出电子来;光的强度,而不是频率,则决定打出电子的数目。这不是开玩笑吗? 想象一个猎人去打兔子,兔子都躲在地下的洞里,轻易不肯出来。猎人知道,对于狡猾的兔子来说,可能单单敲锣打鼓不足以把它吓出来,而一定要采用比如说水淹的手法才行。就是说,采用何种手法决定了能不能把兔子赶出来的问题。再假设本地有一千个兔子洞,那么猎人有多少助手,可以同时向多少洞穴行动这个因素便决定了能够吓出多少只兔子的问题。但是,在实际打猎中,这个猎人突然发现,一切都翻了个个,兔子出不出来不在于采用什么手法,而是有多少助手同时下手。如果只对一个兔子洞行动,哪怕天打五雷轰都没有兔子出来。相反,有多少兔子被赶出来,这和我们的人数没关系,而莫名其妙地,只和采用的手法有关系。哪怕我有一千个人同时对一千个兔子洞敲锣打鼓,最多只有一个兔子跳出来。而只要十个人一起灌水,就会有一千只兔子四处乱窜。要是画漫画的话,这个猎人的头上一定会冒出一颗很大的汗珠。
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