Monday, December 12, 2011

宇宙的精灵 #6.2




19249月,海森堡第二次来到哥本哈根。跟1922年的泡利一样,这次他是得到了洛克菲勒的奖学金。奖学金是波尔为他争取到的,而这个奖学金的设立,则是柏林的普朗克和爱因斯坦他们的功劳。海森堡垒到来之际,正是旧量子力学的危难之秋。BKS最后的斗争铩羽而归,波尔模型风雨飘摇。事实证明,波尔这个时候引进海森堡是极具战略意义的一着,后者带来了哥廷根革命性的研究纲领和独特的研究方法,在哥本哈根发生了碰撞,其激发出来的火花,将引燃导致量子力学新生的那场大火。

哥廷根是新量子革命的策源地。海森堡刚毕业到哥廷根参加工作的1923年的夏季,哥廷根学派就有人提出了“替代力学”的概念。量子概念提出近四分之一世纪,波尔量子化模型提出正好十年,量子精灵外貌叛逆,地位尴尬。量子理论的每一步发展,每一个新的命题地提出,都像石头里蹦出来的孙大圣,东一鎯头西一棒,每一个都惊世骇俗,但每一个都是没娘的孩子。瞧一瞧人家牛顿物理,二百年来每一个新理论的提出,都可以在博大精深的公理体系中找到依据。像一个外出打拼的孩子,纵有千难万险,身后都有个强大的祖国,慈祥的母亲。量子力学二十年特别是波尔模型十年就没有如此踏实,靠着一个孤苦伶仃的量子概念,与经验事实撞击出奇思妙想,遇到挫折和打击,没有组织的支持亲人的慰藉,只能是屈辱地寻求与经典力学的“对应”,所以波尔模型就成了一个半量子半经典的怪模样。“替代力学”,特别是玻恩1924年提出的“量子力学”概念,就是量子新大陆发出的“独立宣言”。走出旧量子力学危机的唯一进路是建立量子力学自己完备的逻辑自洽的公理体系,为量子概念找到自己的归宿,使得量子力学的命题可以从自己的体系逻辑地推导出来,而不必每一次都靠电石火光式的顿悟。

为达到这一目的,哥廷根学派大力发展了波尔“对应原理”的革命性的方面。科学发展不像殖民地摆脱宗主国那么简单,不是大家平等独立互不侵犯就万事大吉。进步的新理论必须有更深遂的基础,而把旧理论当作一种“特例”置于自己的视野之内。例如爱因斯坦的相对论就可以把牛顿规律视为相对论效应可以忽略不计(但不等于没有)的特例。因此量子力学只有比经典物理更加强大,才能真正建立起“对应关系”。正如玻恩说的:“我们越来越相信,物理学的基础必须来一次根本的革命,要有一种新的力学,对于这种力学,我们采用了量子力学这个名词。”作为“量子数学家”,玻恩敏锐地发现建立量子自己独立的大厦必须有自己独特的建构方法,正如建平房可以是木石结构,高层楼房要用钢筋混凝土框架结构,而超高层的大厦就必须是钢架结构。由此玻恩提出了“数学对应原理”,认为量子力学应该用“离散数学”来建构,以与经典物理的“连续数学”相对应,以量子力学的“差分方程”对应于经典物理的“微分方程”。

另外量子大厦的建筑材料,量子革命派尤其是哥廷根学派约定俗成的是“可观察量原则”——只有可观察的量,至少是原则上可观察的量,才能进入物理学。这是一条马赫为首的实证主义原则。这原则最早可以追溯到与牛顿同时代的英国哲学家贝克莱(George Berkeley)的“存在就是被感知”,也可以说,只要是不能被感知的就是不存在的。这话被普遍误解为世界实在性的依据是人的主观感觉,人们讽刺说只要你贝克莱闭上眼睛这个大千世界就化为乌有啦。为了挽救世界的实在性,贝克莱搬出了上帝——哪怕全人类都失去了感觉,上帝还在盯着呢。到了实证主义这里,这个原则同样适用于上帝——他老人家也是不可感知的。当然这与宗教情感无关,只是拉普拉斯的那句话,在物理学体系中,我们不需要上帝这个假设。于是实证主义提出了“拒斥形而上学”的口号,把一切不可感知不可观察的形而上学之物统统拒之于科学的门外。

大家是不是又有点烦了?我不得不沉重地告诉大家,我们现在正在跨越一道从经典到现代的门槛,要对付的不再是大刀长矛的经典弱旅,而是船坚炮利的现代悍军,不把冷兵器换成热兵器,不装备点重武器,这道槛咱们怕是过不去。哥们儿,姐们儿,反正上了贼船也下不去了,咱们克服点咬咬牙共渡时艰吧!

波尔的助手克拉默斯在哥本哈根首先响应玻恩的数学对应原理,用差分方法研究原子辐射的色散问题。1924年秋到达哥本哈根的海森堡即刻与克拉默斯兵合一处,共同在新研究方法的旗帜下攻克色散问题,合作撰写《关于原子对辐射的散射》一文。哥本哈根学派与哥廷根学派的内在矛盾在这个合作中暴露无遗。哥廷根(或玻恩)方式用纯粹的数学方式来处理色散问题,拒斥直观的物理模型;而哥本哈根(或波尔)方式却恰恰要仰仗直观模型,借助于物理类比。这两种方法的区别正在于,纯数学方式可以更彻底地贯彻可观察量原则,不让任何形而上学之物蒙混过关,而直观方式却不得不偷运一些不可观察的假设(如轨道)。俩人的对立达到无法自行协商解决的程度,官司就打到了波尔这位大法官那里。

1924年冬季一个寒冷的下午,波尔鸣锣开战,二“哥”的两员大将海森堡与克拉默斯的PK惨烈地进行。古典文学功底深厚的小海口若悬河,跃马扬戈频频出击直取老克;笨嘴拙舌的老克不停地吮吸着他那不离身的大烟斗,喷出一道道无奈的烟雾,却化解不了小海犀利的枪锋。直杀得夕阳低垂寒气透窗,谁也不愿鸣金收兵。饥肠辘辘的波尔觉得没有必要为科学献胃,不得不站出来调停,判定海森堡胜利。海森堡赢了这一阵就回慕尼黑老家过圣诞去了。可怜的克拉默斯只得老老实实地呆在哥本哈根,按照波尔的裁定,用哥廷根方式重构论文,而且署名还得加上自己的“敌人”——海森堡。

任劳任怨的克拉默斯很快就把论文拿了出来,于192515日提交给《物理杂志》。这篇论文包含了著名的克拉默斯—海森堡色散理论,克拉默斯称之为“BKS理论的皇冠成就”。

而海森堡看到的是更重要的方法论意义。这篇论文用玻恩的差分方程重新推导出克拉默斯的色散公式,而且只涉及可观察的跃迁量,证明差分方式和可观察量原则是完全可行的,根本不需要那些不可观察的假设。他后来说:“摆脱直观模型的必要性在这里第一次被强调和宣明,这是今后一切工作的指导原则。”

时间很快就到了19255月,按当初波尔与玻恩的约定,海森堡该回哥廷根开课了。臭味相投的泡利与海森堡似乎心有灵犀,在海森堡动身回哥廷根前到达了哥本哈根。这时泡利在原子理论的研究上已经取得了长足进展,提出了伟大的“不相容原理”。他的深刻心得是,微观世界具有“特别的,经典方式不可描述的二值特征”,必须在方法上寻求突破。这与海森堡刚刚完成的方法论转向不谋而合,于是相谈甚欢。不过此时的泡利是不快乐的。一起来的还有一个叫克劳尼格的光谱学家,谈起光谱,反常塞曼效应让泡利痛苦不堪,对着克劳尼格他大声抱怨:“对我而言一切都太困难了,但愿我能当一名电影喜剧演员或类似别的什么,可以再也听不到物理学的声音。”这也不完全是虚言,泡利本来就有戏剧细胞,而此时卓别林喜剧正在风靡。

如果此时的泡利看的不是美国的卓别林喜剧,而是中国的现代京剧《沙家浜》,他会不会有另一种期待?听新四军军官郭建光背诵的那段“伟大教导”——

“最后的胜利往往产生于再坚持一下的努力之中”。

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