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【疯狂物理学家】玻恩:每一位量子大咖手上都有一门绝活,玻恩手上的是什么?
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这是【疯狂的智人】第 074 篇文章
疯狂的物理学家】第 033 篇文章

在量子力学的世界中,玻恩似乎总是一个被人忽略的人,乍一看,他手上好像没有可以拿得出手的代表。像其他一些人,比如薛定谔有薛定谔方程海森堡有海森堡矩阵狄拉克也有狄拉克方程,甚至就连泡利都有泡利不相容原理,而玻恩手上,既没有方程也没有原理,这可能是很多人都忽略他的一个原因。(普朗克量子之父,爱因斯坦光电效应,费曼路径积分......)

不过,细想一下,其实玻恩也有玻恩解释,整个哥本哈根学派似乎都离不开这个人。

马克斯·玻恩1882年12月11日出生于德国普鲁士的布雷斯劳,今天这地方属于波兰。玻恩从小就失去了母亲,和冷漠的父亲和专横的外祖父母一起生活。这样的成长环境使得他有些神经质,而且略带一丝愤世嫉俗,总是以一种防御的姿态与世界相处。玻恩是一个缺乏安全感的人,毕生都在与这种不安全感做着斗争。

1909年,玻恩获得了大学留校的资格,后来又在1915年到了柏林大学担任物理学教授,他与爱因斯坦保持了终生的友谊,尽管爱因斯坦非常不认同量子力学的发展。

量子力学到了海森堡这一辈年轻人手里,获得了巨大的发展,海森堡矩阵力学和薛定谔波动方程在数学上是等价的,实际上这带来了一个麻烦。

如果说两个都是错的,或者一个对一个错,那其实也不是问题,问题就在于这两个都对。虽然它们在数学上是等价的,但是它们的理论出发点却是完全不同的。薛定谔用的是微积分,海森堡用的则是线性代数。

所谓的微积分,就是连续的,是建立在一切都是连续的基础之上,可是到了矩阵这里,一切又都不一样了。

在德布罗意眼里,电子是一种波,而在薛定谔眼里,一切都是波。波函数表示了电荷的密度,尽管电子看上去是个粒子,但其实是一种波。既然是波,那就是连续的,无处不在的。

然而,玻恩却不认同薛定谔的看法,他认为,波函数一定不是描述电荷密度的,而是电子出现的概率。准确来讲,波函数的平方与粒子出现的概率成正比。

说穿了,波函数描述的是“概率波”。

这可真是,薛定谔不懂薛定谔方程啊,自己弄出来的方程,竟然自己都解释不了,还需要别人的解释。

薛定谔听了直摇头,因为他和爱因斯坦一样,对经典物理依依不舍。如果波函数是一种概率波,那么这将颠覆这个世界最基础的一个东西,就是确定性。而这点,正是爱因斯坦他们这一派所无法接受的。

比如在传统物理中,一切都是确定的,一辆小车沿直线运动,给定初速度、加速度和受力情况,那么理论上,在未来的任一时刻,我们都能知道它距离出发的位置以及速度,这些都是确定的。而如今,这一切都不再确定了,下一刻电子会在什么地方,不知道!只能知道个出现概率。

而且,物理学家们所坚信的一点就是可重复性,同样的条件,同样的状态,那么理应获得同样的结果。可是在量子世界里,哪怕其他前提情况都一样,结果却不是确定的一致性,而是概率,可能一样,也有可能不一样。

在薛定谔和爱因斯坦看来,如果接受了哥本哈根的这一套解释,那么物理学将彻底完蛋,一切都是概率,因此爱因斯坦才在一次索尔维会议中说:“上帝不掷骰子!”呵呵,如果这个世界上真有上帝,他可能会反问爱因斯坦:“你在教我做事?”

顺便说一句,在物理学理论、模型或状态的语境下,经典一词就是非量子的意思。爱因斯坦的相对论是经典理论,尽管它是在很多量子论的萌芽概念(如玻尔原子)出现之后才提出来的。

之后不久,海森堡的不确定原理也出来了,更是让整个量子世界显得扑朔迷离,一切都是不确定的。

而玻恩的这一套解释,后来就成了哥本哈根诠释的最主要内容,他也因此获得了1954年的诺贝尔物理学奖。再多说一句,“量子力学”这个词就是玻恩于1924年创造出来的。

有意思的是,从薛定谔方程出发,我们会得出一些特别奇怪的解,这些解的物理意义则被称为“量子隧穿效应”。

为什么会有这个效应呢?正是因为概率。

举个例子,有一个拼夕夕红包,满300可以提现,意思就是满300了才可以提现,如果没有满300,你就不能提现,哪怕是有299.99都不行。300这个数字就相当于一堵墙,将你挡在了提现的外面,这是宏观世界,你要穿过这堵墙,可以,拿钱出来,只要你上面的钱满300了,墙就自动开了,你就进去了,300块钱就到腰包了。

而在量子世界中,你在墙的另一侧,就算你一分钱都没有,也就是穿墙的条件没有满足,其实你也可以穿过去,当然,是有一定的概率可以穿过去。

这个量子隧穿效应已经在1981年得到了实验证实,而且,效应在自然界很常见,比如太阳的发光发热,正是因为有量子隧穿效应,太阳才能在温度不算太高的情况下发生核聚变。

当然,宏观世界中,这个隧穿的概率可以忽略不计,因为概率非常低,主要是宏观物体,包括你我的波长非常大,代入公式一算,无限逼近于零。这也就是说,在宏观世界中,不要妄想奇迹会发生,要穿墙,还是得老老实实按照规矩来,没有满300就是不给你提现,别跟我扯什么遂不隧穿,还不如邀请好友帮你砍一刀。

在经典物理中,不行就是不行,如果车子的牵引力小于静摩擦力,那它就永远无法开动起来,天王老子来了也不行。而在量子世界中,哪怕条件不允许,也有一定概率会发生,天王老子都不知道是怎么发生的。

你就说量子力学神不神奇吧。

普朗克和爱因斯坦都是量子力学中的奠基人,有趣的是,他们都反对接下来量子力学的发展,普朗克不接受量子力学中的不连续性,而爱因斯坦不接受量子力学中的不确定性。

实际上,我们这个宇宙都是由微观粒子组成,因此也是不连续和不确定的。至于为什么我们会感觉这个世界是连续而又确定的呢?

可能是因为我们的波长太大了。

玻恩后来将量子力学运用到原子组成的晶体上,准备将这些成果写成一本书。那时候的玻恩年纪也大了,于是将手稿交给了一位来自中国的物理学家黄昆,《晶格动力学》就是这位黄昆补充完成的,而他正是我国固体物理学领域的鼻祖,也是杨振宁在西南联大的室友。

纳粹掌权后,玻恩由于有犹太人的血统而逃离了德国,后来加入了英国国籍,与一生的好友爱因斯坦曾一度想建立统一场理论。在内心深处,他很想将相对论与量子力学联系起来,只不过这项工作难度巨大,至今也只有M理论在理论上可以融合,但也只是一种猜想。

1970年1月5日,玻恩去世,享年88岁。

下期:爱因斯坦

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