工科生口中的量子力学史话(二)

上次我们说到爱因斯坦与他成名的1905年,还有他的光电效应理论。在这里我先强调一遍,相比于普朗克的对于量子论的“畏手畏脚”,爱因斯坦明显对于自己的理论十分有信心,他毫不犹豫地用与普朗克相同的公式(E=hv,这里的v是希腊字母nu,h为普朗克常数)来表示光子的能量,同时将量子的思想从能量角度拓展开来,认为不仅仅光的能量是分立的,连构成光的基本物质也是分立的——也即是由所谓的光子组成的。
这里我们先撇开爱因斯坦光子理论的物理意义,先快进一下来到1922年。在1922~1923年间,美国物理学家康普顿进行了一系列的利用X射线被石墨、石蜡等质量较轻散射的实验。

在这一系列实验之后,康普顿总结了该实验现象:
1)散射光中,除了原本入射X光的波长λ之外,还有一些新的波长为λ’的光,而且λ’>λ;
2)波长的增量Δλ=λ’-λ随着散射角的增大而增大。
要明确的是,实验中散射光并不是那么容易接收到的,极大部分的X光并没有被散射,少数被散射,还有极少数X光像照到镜子上一样被反射,所以这个实验原理跟后续处理都不算复杂,难的是能够做出实验结果。其中数学物理上的推导过程就省略了,因为考虑到这只是个科普性质的文章,大家要记住的是:
1)康普顿借助了爱因斯坦的光子理论顺利地解释了康普顿效应的机制;
2)康普顿在运用量子理论的同时,也运用了爱因斯坦的狭义相对论,利用这两者建立了光子的波动性和粒子性之间的联系,也就是所谓的波粒二象性了。
相对普朗克来说,康普顿可谓是生在了好时代,当时有识的物理学家们已经普遍接受量子理论和相对论了——当然这其中还有包括丹麦物理学家玻尔等人的努力,不过这是后话——康普顿不必像普朗克一样如后妈般“厌恶”自己的成果。不过还想说的一句是,康普顿做了一年的实验就出成果了,速度跟今天的比简直不可同日而语,甚至比普朗克的都要快多了,侧面体现出这个实验也是比较重复枯燥的。据说是每天开着X光机对着样品射,样品后面的学生不停地调整探测器的角度,像乞丐要饭一样等着探测器能接收到反射光,每天都是这么重复,也是够无聊的了。
康普顿的实验最重要的意义就是验证了爱因斯坦的光子理论,同时侧面肯定了光的波粒二象性。因为跟光电效应一样,传统的波的观点连康普顿效应中任何一条现象都解释不了,因此这个实验宣告了光子理论的完全胜利。此时我们回到1905年,回到爱因斯坦刚刚发表他那惊世骇俗的光子理论的时候。为什么说爱因斯坦的光子理论是“惊世骇俗”的呢?首先,大家可能发现了,之前我所用的说法都是“传统的波的观点一个现象都解释不了”,换言之,光子理论是狠狠地打了传统波动光学的脸。而熟悉物理学史的朋友可能会了解关于光的本质,也就是“微粒说”和“波动说”的争论一直以来都是吵得不可开交,并为此持续了几个世纪,涉及了诸如牛顿、托马斯杨、惠更斯、麦克斯韦等等物理学大牛(关于人们对于光本质的观点转变也是段有趣的历史,有机会的话我可以再开一篇专栏讲讲,嗯有机会的话)。

而1905年之前正是波动说占据上风的时代,大家以为爱因斯坦又会是一个微粒说的坚实拥趸,准备拎出一百多年前的工具(也就是光的干涉衍射)炮轰爱因斯坦时,爱因斯坦突然说:光为什么不能既是粒子,又是波呢?我把它称作波粒二象性,这样什么都能解释了嘛。感觉是不是比普朗克之前的做法还要无赖?不过爱因斯坦也是有自己的一套解释:既然说光子是组成光的最小单位,那么光子自然保有光的基本性质,作为“微粒”的光子同时拥有一束光那样的“波动性”,这不就是波粒二象性了嘛。虽然爱因斯坦的说法非常流氓,但是实验结果却跟这“老流氓”不谋而合,也就是后面的用“一颗”光子进行杨氏双缝干涉或是单缝衍射实验,得到了与一束光相似的结果。(同样非常有趣的实验,如果可以的话会在光的专栏里写写的)

总而言之,爱因斯坦“淦爆”了当时的传统观点,然后十多年后他当年惊世骇俗的观点又被完美证实了。然而在十多年后,爱因斯坦怕是怎么也高兴不起来了,原因同样来自量子物理,然而他却变成了被“淦爆”的那个,而他的对手正是上面提过的丹麦物理学家、足球运动员(?)——尼尔斯•玻尔。下一篇就要开始玻尔的故事了,敬请大家期待。

继续上一篇的传统,我们来谈谈我自己对这几个物理学家的评价,这次讲的是爱因斯坦。感觉要是谈论爱因斯坦,就好像网球界讨论费德勒一样,大家都微妙地评价他为“天才”,也曾经有媒体很夸张的说什么“世界上只有一百人理解爱因斯坦的理论”,但我还是希望大家能够全面立体地认识爱因斯坦。首先,的确爱因斯坦是天才,他的奇迹年也是无法重现的,但是要说世上只有一百人理解他的理论的话,这个就明显夸张了,当时是有很多人反对爱因斯坦的理论,但正是理解之后才能有反对的吧?这明显是媒体的炒作之词了。狭义相对论是非常新颖,但并不是难以理解的,真正理解不能的是量子力学(捂脸)。此外我还想说一句,在这个一百多年前的媒体界营销活动当中,爱因斯坦本人有没有参与呢?尽管爱因斯坦为量子力学的发展打下了根基,但是在光子理论之后爱因斯坦不再是那个量子力学的先驱者,反而成为了量子物理这出戏剧中的反派,戏剧性地被打败,戏剧性地离开了量子物理这个舞台。具体的纠葛可能要在下一篇玻尔再后两篇才能讲到,还希望各位看官坚持到那个时候(会有的)。

但要是谈到爱因斯坦的生活,那可就黑点满满了。以现在的标准来看,他完完全全就是一个渣男。他跟他的第一任妻子是有了孩子以后才结婚的,并且,在婚后和他的第一个孩子患有猩红热夭折之前,他一次都没去看过自己的妻儿。在自己第一个儿子夭折之后不久也与第一任妻子离婚了,然而就算跟他第二任妻子也不能算是拥有一段和谐的婚姻。这里有不少野史说什么爱因斯坦有七个情妇….虽然基本是胡扯,不过所谓空穴来风,作为全世界顶尖的学者自然不可能对家庭或者婚姻投入十足精力,这方面我们也不能完全责怪爱因斯坦,但无疑爱因斯坦并不那种工作生活都能处理妥当的人。
爱因斯坦是个十分立体的人,物理学上前所未有的贡献,自身幽默风趣的性格加以不负责任的家庭观更为他增添了不少新闻性。在赞叹他学识的同时,不能忽视他不负责任的所作所为;在批评他的私生活的同时,也不应忘记他对物理学、科学以及全人类社会进步所做出的巨大贡献。
在科学史上有很多这种带有极大争议的一流学者,比如大家熟悉的牛顿、爱迪生,包括后来的很多德国物理学家等等,一味地批评他们生活上的过失或一味地吹捧他们的贡献都是片面的,清楚优点的同时明白缺点才能还原一个立体的历史人物。

emmmm我们量子力学老师讲了三个星期的课还没结束序章。。。不过进度刚好够我写文章不至于爆肝。原本上一篇写得已经够多了,这篇本来想写少点结果还是这么长,可能是爱因斯坦太多东西讲了吧,过两期还要提到爱因斯坦,简直是劳模(笑),那么感谢各位看官的多多支持,下一篇见!