| 第五章 曙光(4) | ||||
| http://book.sina.com.cn 2006年01月09日 12:36 新浪读书 | ||||
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连载:上帝投掷骰子吗 作者:曹天元 出版社:辽宁教育出版社 | ||||
| 现在玻尔和海森堡分别被叫来写一个关于车费的说明贴在车子里让人参考。玻尔欣然同意了,他说:这个问题很简单,车费问题实际上就是两个站之间的距离问题,我们只要把每一个站的位置状况写出来,那么乘客们就能够一目了然了。于是他就假设,A站的坐标是0,从而推出:B站的坐标是1,C站的坐标是1.5,D站的坐标是2.5,而E站的坐标是4.5。这就行了,玻尔说,车费就是起点站的坐标减掉终点站的坐标的绝对值,我们的“坐标”,实际上可以看成一种“车费能级”,所有的情况都完全可以包含在下面这个表格里:
站点 坐标(车费能级) A 0 B 1 C 1.5 D 2.5 E 4.5 这便是一种经典的解法,每一个车站都被假设具有某种绝对的“车费能级”,就像原子中电子的每个轨道都被假设具有某种特定的能级一样。所有的车费,不管是从哪个站到哪个站,都可以用这个单一的变量来解决,这是一个一维的传统表格,完全可以表达为一个普通的公式。这也是所有物理问题的传统解法。 现在,海森堡说话了。不对,海森堡争辩说,这个思路有一个根本性的错误,那就是,作为一个乘客来说,他完全无法意识,也根本不可能观察到某个车站的“绝对坐标”是什么。比如我从C站乘车到D站,无论怎么样我也无法观察到“C站的坐标是1.5”,或者“D站的坐标是2.5”这个结论。作为我——乘客来说,我所能唯一观察和体会到的,就是“从C站到达D站要花1块钱”,这才是最确凿,最坚实的东西。我们的车费规则,只能以这样的事实为基础,而不是不可观察的所谓“坐标”,或者“能级”。 那么,怎样才能仅仅从这些可以观察的事实上去建立我们的车费规则呢?海森堡说,传统的那个一维表格已经不适用了,我们需要一种新类型的表格,像下面这样的: 站点 A B C D E A 0 1 1.5 2.5 4.5 B 1 0 0.5 1.5 3.5 C 1.5 0.5 0 1 3 D 2.5 1.5 1 0 2 E 4.5 3.5 3 2 0 这里面,横坐标是起点站,纵坐标是终点站。现在这张表格里的每一个数字都是实实在在可以观测和检验的了。比如第一行第三列的那个1.5,它的横坐标是A,表明从A站出发。它的纵坐标是C,表明到C站下车。那么,只要某个乘客真正从A站坐到了C站,他就可以证实这个数字是正确的:这个旅途的确需要1.5块车费。 海森堡的表格和玻尔的不同,它没有做任何假设和推论,不包含任何不可观察的数据。但作为代价,它采纳了一种二维的庞大结构,每个数据都要用横坐标和竖坐标两个变量来表示。正如我们不能用,而必须用来表示电子频率一样。更关键的是,海森堡争辩说,所有的物理规则,也要按照这种表格的方式来改写。我们已经有了经典的动力学方程,现在,我们必须全部把它们按照量子的方式改写成某种表格方程。许多传统的物理变量,现在都要看成是一些独立的矩阵来处理。在玻尔和索末菲的旧原子模型里,用傅里叶级数展开的电子运动方程,也必须用矩阵重新加工,把不可观察的泥沙剔除出去,注入混凝土的坚实基础——可实际检验的物理量。 但是难题来了,我们现在有一个变量p,代表电子的动量;还有一个变量q,代表电子的位置。本来,这是两个经典变量,我们应该把它们相乘,大家都没有对此表示任何疑问。可现在,海森堡把它们改成了矩阵的表格形式,这就给我们的运算带来了麻烦。p和q变成了两个“表格”!请问,你如何把两个“表格”乘起来呢? 或者我们不妨先问自己这样一个问题:把两个表格乘起来,这代表了什么意义呢? 为了容易理解,我想让大家做一道小学生水平的数学练习:乘法运算。只不过这次乘的不是普通的数字,而是两张表格:I和II。它们的内容见下: I: II: 那么,各位同学,I×II等于几?这道题就当是今天的回家作业,现在我们暂时下课。 ********* 饭后闲话:男孩物理学 1925年,当海森堡做出他那突破性的贡献的时候,他刚刚24岁。尽管在物理上有着极为惊人的天才,但海森堡在别的方面无疑还只是一个稚气未脱的大孩子。他兴致勃勃地跟着青年团去各地旅行,在哥本哈根逗留期间,他抽空去巴伐利亚滑雪,结果摔伤了膝盖,躺了好几个礼拜。在山谷田野间畅游的时候,他高兴得不能自已,甚至说“我连一秒种的物理都不愿想了”。这种政治和为人处世上的天真在后来的岁月里也一再地显露出来。 量子论的发展几乎就是年轻人的天下。爱因斯坦1905年提出光量子假说的时候,也才26岁。玻尔1913年提出他的原子结构的时候,28岁。德布罗意1923年提出相波的时候,31岁(还应该考虑到他并非科班出身)。而1925年,当量子力学在海森堡的手里得到突破的时候,后来在历史上闪闪发光的那些主要人物也几乎都和海森堡一样年轻:泡利25岁,狄拉克23岁,乌仑贝克25岁,古兹密特23岁,约尔当23岁。和他们比起来,36岁的薛定谔和43岁的波恩简直算是老爷爷了。量子力学被人们戏称为“男孩物理学”,波恩在哥廷根的理论班,也被人叫做“波恩幼儿园”。
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