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量子力学是什么?不知道的话先认识一下这些人吧。

量子力学的创建者们在聚餐 索尔维会议

科学被普遍认为是人类最伟大的事业,在某种意义上,科学的水平代表了人类认识自然的能力。科学是生活在这个星球上不同时代、不同国家、不同职业的人的共同文明成果。

例如,能量守恒与转化定律的发现是牛顿建立力学体系以来物理学取得的最重大的成就,被认为是自牛顿力学以后的科学发展的第二次大综合。它是在19世纪30—40年代间,由不同国家、不同职业的十几位科学家分别从不同的侧面各自独立地提出的,其中德国的迈尔和赫尔姆霍兹、英国的焦耳是做出主要贡献的三位科学家。

又如,量子力学是集普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、德布罗意、泡利、玻恩、薛定谔、狄拉克、约当、费曼、费米等超一流智慧最终建立的。这些科学家来自不同的国家和民族,它们有着不同的教育背景和人生经历,而且性格各异,这集中体现了科学事业的国际化。

由于量子力学是20世纪物理学的基础,其重要性再怎么强调都不为过,所以量子力学的主要奠基人在物理学史甚至整个科学史上都具有崇高的地位。英国杂志《物理学世界》在100位著名物理学家中评选的10位最伟大人物分别是爱因斯坦、牛顿、麦克斯韦、玻尔、海森堡、伽利略、费曼、狄拉克、薛定谔、卢瑟福。其中,除了牛顿、麦克斯韦、伽利略和卢瑟福以外,都是量子力学的奠基人。卢瑟福作为原子物理学和核物理的奠基人,曾经提出过核式原子模型,从广义上也为量子力学的建立做出了贡献。

因此,我按照自己设定的标准选出10位对量子力学的建立做出杰出贡献的物理学家进行了详细介绍。

阿尔伯特·爱因斯坦(德国、瑞士、美国)

爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家,他被认为是人类历史上最具创造性才智的人物。他一生中开创了物理学的四个领域:狭义相对论、广义相对论、宇宙学和统一场论。他还是早期量子论的三大先驱者之一,在分子运动论和量子统计理论等方面也作出了重大贡献。他的科学工作成为20世纪物理学的基石,为我们理解自然界的基本规律提供了新的依据,同样加强了我们利用科技支配自然的能力。

爱因斯坦一生中最具传奇性的经历是在被誉为爱因斯坦奇迹年的1905年,他利用在瑞士伯尔尼专利局工作的业余时间写了6篇论文,其中的三篇论文分别在三个不同的领域中取得历史性成就。

他生命中最后20多年一直致力于寻找能将引力理论和电磁理论结合起来的统一场论,尽管没有取得成功却被证明是超越了时代。现在,寻找比统一场论包含内容更广泛、能够统一解释各种基本相互作用的理论,是理论物理学最重要的问题。

他与以玻尔为代表的哥本哈根学派围绕量子物理的基本规律以及量子力学理论的完备性的著名论战影响至今,被传为20世纪学术界的佳话。他在生活上不拘小节,且有些多情,但这丝毫不影响他在人们心目中的完美形象。1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

尼尔斯·玻尔(丹麦)

在所有的发展量子论的人中,玻尔的贡献最大,被誉为量子论的“教皇”。玻尔是早期量子论的三大先驱者之一,他在1913年提出的原子模型为量子论的最终创立奠定了基础。他关于量子理论的哥本哈根诠释至今仍然占据着统治地位,并影响着我们对宇宙的看法。

他所创建的哥本哈根物理研究所在创立量子力学的过程中成为世界物理研究中心,在此基础上建立的哥本哈根学派是人类历史上最具影响力的学派之一,玻尔、海森堡、狄拉克、泡利、朗道、伽莫夫等人都曾在此学习或工作过,这个研究所以其一批批杰出的科学巨匠和出色的科学成就而享誉世界。他所倡导的哥本哈根精神也为国际科学界所传颂。玻尔在科学史上的地位独一无二,几乎无人能及。简而言之,玻尔对20世纪物理学的贡献仅次于爱因斯坦。

马克斯·普朗克(德国)

19世纪后期,随着力学、热力学、统计物理学、电磁学以及电动力学取得一系列成就,经典物理学达到顶峰。许多物理学家认为物理学已接近完美,后辈们只要做一些零碎的修补工作就行了。

事实上,当时的物理学正面临着前所未有的危机,在物理学平静而晴朗的天空出现了两朵令人不安的的乌云。普朗克拨开了其中一朵,提出了量子假说。他的工作发起了量子理论,结束了经典物理学一统天下的局面,之后永远地改变了物理学的基本框架,普朗克的工作太非凡、太重要了,以至于他有时被认为是可以和牛顿及爱因斯坦齐名的科学家。

作为最后几位伟大的经典物理学家之一和第一位现代物理学家,普朗克既是一位坚定的保守派又是一位勇敢而极具创新精神的的改革家,他在物理学史上第一次打破经典物理学连续性观念的束缚于1900年提出能量子的概念后就停止了脚步,甚至曾经非常努力试图将量子假说纳入经典物理学的框架内。尽管如此,普朗克作为一名举足轻重的“过渡人物”,只要自然科学存在,普朗克的名字就不会被遗忘。

维尔纳·海森堡(德国)

海森堡在年仅24岁时就成为量子力学的主要创立者之一,他于1925年提出矩阵力学这一发现被认为是现代物理学的一个关键转折点。1927年,他又提出了“测不准原理”,这一原理的提出意味着测量亚原子粒子的所有努力都是白费力气。作为哥本哈根学派的主要代表之一,海森堡提出的测不准原理对哥本哈根诠释统治地位的确立功不可没。

作为一个年轻人,海森堡毫无疑问是幸运的,因为他先后师从当时处在原子物理学与量子理论最前沿的索末菲、玻恩以及玻尔。优秀的导师将海森堡一下子就带入到学术的最前沿和最核心地带,使他在从事研究工作时事半功倍。正如海森堡后来回忆说他是倒过来学物理的,先学原子物理,再学经典力学。

纳粹统治时期海森堡并没有像很多物理学同行那样去美国,他选择留在德国,主要从事核裂变研究,并被任命为原子弹项目的负责人,但直到战争结束都没有将原子弹造出来。是由于海森堡根本就不会造原子弹,还是出于对人类的怜悯之心使他放弃了这一想法?这一切都无从得知。这位20世纪最年轻有为的物理学家同时也成为了20世纪最具争议的物理学家。

埃尔文·薛定谔(奥地利)

薛定谔是20世纪最具影响力的科学家之一。对于20世纪的物理学和生物学而言,薛定谔都具有极其显著的重要性。1925年,薛定谔在读了德布罗意关于物质波的论文后仅用了两个月时间就建立了波动方程,创立了波动力学。这一描述电子绕原子核运动的方程式被玻恩称为物理学史上最卓越的成就。

薛定谔对物理学的哲学意义也有着浓厚的兴趣,他在“科学是统一的”这一信念的支持下投身到生命科学的研究中。他创作的《生命是什么》一书虽然简短却被证明是20世纪最有影响力的科学著作之一。他的著作开创了从物理学角度研究生命科学的先河,更深远的意义的是他将对生命现象的解释从细胞水平提高到了分子水平。DNA双螺旋结构的发现者沃森和克里克都声称他们寻求生命奥秘的强烈愿望是受到了薛定谔《生命是什么》一书的启发。

薛定谔个性复杂矛盾却极具教养、口才好,而且还很多情。他在去世前不久,曾经说过,如果要写一篇简短的自传的话,那必须省略非常丰富的的一部分,即涉及到他与女人的关系。总之,薛定谔的巨大影响力不会随着时间的消逝而慢慢衰退。

保罗·狄拉克(英国)

狄拉克是量子力学史上的一个极其关键的人物。他创造性地把爱因斯坦的狭义相对论引进了量子力学,给出了描述电子运动的相对性方程。这个方程后来成为相对论性量子力学的基础。量子力学与相对论的结合使得电子的自旋和反粒子的存在变得很自然。

作为场论和量子电动力学的奠基人,狄拉克对物理学的影响广泛而深远。他预言的反物质至今仍是粒子物理学家探索的对象,他关于磁单极子的预言虽然没有得到证实,却与20世纪后30年物理学界孜孜以求的弦理论密切相关。1932年起他开始当任剑桥大学历史上最崇高的卢卡斯数学教授职位将近四十年,这是牛顿曾经当任过的职位。狄拉克性格比较内向,相对于物理学的哲学意义而言,他对物理学的数学美更感兴趣。

路易斯·维克托·德布罗意(法国)

物质波理论的创立者、法国公爵兼德国王子德布罗意或许是家世最显赫的科学家之一。对于很多物理学家来说,德布罗意的成功是一个难以解开的谜。德布罗意十八岁就获得了巴黎大学的历史学学士学位。后来他听到作为第一届索尔维会议秘书的哥哥莫里斯谈到关于辐射与量子等问题的讨论后,尤其是读了庞加莱的《科学的价值》等书,他决心投身物理学。他后来回忆说,“我十九岁的时候,感觉到心底产生一种理论物理的召唤”。两年后,他获得了理学学士学位。一战期间,他在军队从事无线电方面的研究。退伍后,他到大学继续攻读物理学博士学位。

受爱因斯坦的光具有波粒二象性思想的启发,他在1924年的博士论文中大胆的提出电子具有波动性这个具有革命性的新思想,并进行了严谨的论证。德布罗意的新理论在物理学界掀起轩然大波,这种在并无实验证据大条件下提出的新理论使得人们很难接受,却受到了爱因斯坦的大加赞赏。三年后,电子具有波动性被实验证实,他的理论作为大胆假设而成功的例子获得了普遍的赞赏。

后来,薛定谔发展了德布罗意的理论,创立了波动力学。在二十世纪关于量子力学诠释的大论战中德布罗意与爱因斯坦、薛定谔一样站在了因果律决定论一边,尽管他的立场似乎不是很坚定。但作为科学界一位持久具有影响力的人物,德布罗意的工作为量子力学的成熟打下了基础,在量子力学发展过程中具有划时代意义,成为现代科学史上的一个重要里程碑。

马克斯·玻恩(德国、英国)

玻恩是二十世纪最重要的物理学家之一。作为量子力学这一术语的提出者,玻恩是唯一对量子力学中两个不同却等价的描述电子围绕原子核运动的方程式,即海森堡提出的矩阵力学和薛定谔创立的波动力学都作出了巨大贡献的科学家,且起着关键的作用,尽管他的工作多是阐述性的。

在与海森堡一起将矩阵力学系统化为量子力学的一般理论后,玻恩提出了波动力学的波函数统计解释,使得薛定谔的方程真正为公众普遍接受,并为海森堡提出“测不准原理”奠定了基础。

玻恩与爱因斯坦的长期通信使得爱因斯坦的那句“上帝是不掷骰子的”闻名天下。无论爱因斯坦是否正确,玻恩的工作及其在二十世纪物理学界的地位都不是上帝掷骰子的结果,因为他在量子力学的发展过程中作出的比任何人都要多。

沃尔夫冈·泡利(奥地利、美国)

被誉为物理学的良知和上帝的鞭子的泡利对量子力学的重要性不在于绝对基本的发现,而在于他为海森堡等人创建量子力学提出了许多有创建的见解和批评。他在1925年提出的“泡利不相容原理”被认为量子力学的主要支柱之一,是自然界的基本定律,它使得当时所知的许多有关原子结构的知识变得条理化。而他提出的非相对论性的自旋理论则成为量子力学中非常重要的工具。

泡利在学问上严谨博学,生活上为人刻薄,语言尖锐,但这并不影响他在物理学家心目中的地位。在量子力学这个人才辈出的领域,泡利绝对不是配角,他的眼光独一无二,他的工作使他永远跻身物理学殿堂最耀眼的巨星的行列。

理查德·费曼(美国)

费曼是二十世纪后五十年里最重要的物理学家之一,他被普遍认为是二十世纪诞生于美国的最伟大物理学家。他迷人的性格与传奇的人生经历使他的名声超出了科学界的圈子。

他提出的量子力学路径积分形式的重要性可以与矩阵力学、波动力学相媲美。他提出的费曼图、费曼规则和重整化的计算方法是研究量子电动力学和粒子物理不可缺少的工具,被认为比近代科学史上任何其他数学形式描述都更大地改变了对基本物理过程形成概念及进行计算的方法。除了重组量子电动力学,给予它极大的精确性以外,费曼在弱相互作用理论以及夸克理论的发展过程中同样起着关键作用。

费曼是一位极其优秀的教师,根据他的讲课录音整理编著的《费曼物理学讲义》被认为是二十世纪最经典的物理学导引教材。费曼有着深邃的直觉和独立完成工作的独特能力,性格特立独行,据说他能够将洗衣机的每一个零部件安装到一部粒子加速器上。

英国杂志《物理学世界》在100位著名物理学家中评选的10为最伟大人物中费曼仅次于爱因斯坦、牛顿、麦克斯韦、玻尔、海森堡以及伽利略之后,名列第七位。尽管很多人认为费曼获得的声誉胜过他的实际贡献,但费曼的的工作毫无疑问是他人仅凭努力不可企及的。

小结

以上十位物理学家在物理学界都是无人不知的,他们的贡献在很大程度上改变了这个世界的面貌,他们的命运与20世纪的整个人类的命运密切相关。

这10位物理学家当中有很多人在二战中被迫流亡,也有很多人参与了原子弹的研制工作。他们因为二战而改变了命运,而他们在二战期间的工作又改变了整个人类的命运。

德国物理学家爱因斯坦在20世纪初提出了质能关系式,这成为原子弹制造的基础。在受到纳粹迫害后流亡美国,后来加入美国国籍,正是由于爱因斯坦写信给罗斯福,才有了制造原子弹的曼哈顿工程。

德国物理学家普朗克由于年事已高没有受到迫害,但他的儿子因刺杀希特勒被处死。

丹麦物理学家玻尔在祖国沦陷后逃亡至美国,并直接参与了原子弹的设计和制造工作。

德国物理学家海森堡领导了德国原子弹的研制工作,只是他的原子弹不知什么原因直到纳粹德国投降都没有造出来。

奥地利物理学家薛定谔和德国物理学家玻恩在二战期间也受到纳粹德国的迫害,被迫流亡英国。奥地利物理学家泡利则流亡美国。

美国本土出生的费曼也直接参与了原子弹的设计和制造工作。

二战期间,大量欧洲各国的科学家移民至美国,世界科学研究的中心也由德国迁移至美国,这是美国成为当今世界上唯一的超级大国的重要原因。

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