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二十世纪物理学重大实验

作者:转载     发布时间:2010-3-31 点击数:5566
之一
  Arno Penzias 和 Robert Wilson的宇宙背景辐射(cosmic background radiation)。他们探测到宇宙中始终存在着3k的背景辐射,并且因此得到诺贝尔物理奖。自此,Gamow的宇宙大爆炸(the big bang)得到证实,宇宙学掀开了篇章,然后才能有霍金那样传奇人物的出现。
  搞笑的是当年他们是作天线实验时发现这个3K的"噪音”玩了命似的要把这个三K噪音作掉,调整天线,换零部件,甚至爬到天线顶端去刮鸽子粪便。后来干脆认为是美军的氢弹爆炸试验惹得祸,直到牛人指出那个3k的噪音根本就是宇宙大爆炸到今天的残余。。

  第一大实验的直接结果导致了爱因斯坦(A. Einstein)走向神坛。当然在此以前,爱因斯坦在学界已经是赫赫有名,狭义相对论,光电效应等等都是他的经典杰作,而这次则验证了他毕生的心血结晶——广义相对论。其实这次实验是一次天文测量,简单的说就是看看光线穿过太阳的时候会有什么变化。爱丁顿勋爵(Sir Edington)带领一干人等利用日食的 机会,穿梭在热带雨林中,终于拍下了一张历史意义的照片,笔直的光线穿过太阳时发生了弯曲,弯曲的角度和爱因斯坦广义相对论的预言完全一致。爱因斯坦的解释是光线被太阳的强大引力吸引而偏转,就和在地面上扔出去的石子的轨迹是抛物线一样。
    
  当时的纽约时报用夸张的篇幅报导了这一观测,所有人都把爱因斯坦称作二十世纪的牛顿,他的名声达到顶点。 然后这个牛顿第二在剩下的几十年生命中和量子力学的创始人玻尔(Niels Bohr),海森堡
( Werner Heisenberg) 等人无止无休地争论,最后以失败而告终?


  世人评说美女,溢美之词从古至今不绝于耳,其实归根结底也无非是两点,其一曰容貌,其二曰身材,两者的完美结合就是传说中的stunning beauty. 物理学也是一门极度崇尚美感的科学,它的美也无非是两点,其一曰简洁,其二曰对称。两者一结合也是一种骇人听闻的Beauty,典型的如电磁学中的麦克斯韦方程(Maxwell equation). 有修过电磁学的人大概都有同感,在经历过眼花缭乱的电学和磁学的公式以后,突然出现在末尾的麦克斯韦方程简直给人一种惊艳如斯的感觉,简简单单几个朴素的联立方程竟然把整个电磁学囊括其中。当然,很多人对这种突如其来的美感的欣赏也只是停留在很肤浅的层次,确切的说是局限在它的简洁美。
  这其中甚至包括它的创始者Maxwell本人。如果有人能从电磁学读本中的麦克斯韦方程中看到更深刻的东西,譬如对称性,那么恭喜你,你实实在在是有作物理学大师的潜力。历史上就是有个人从方程中读出了关于对称性的另类东西,并且以此为突破口敲响了统治数百年之久的牛顿力学的丧钟。那个人就是爱因斯坦,那篇突破性的文献就是《论运动物体的电动力学》,直接宣布了狭义相对论的诞生。将美学贯彻研究生涯始终的大概也就爱因斯坦一人而已。他年轻的时候早就觉得伽利略-牛顿体系的绝对空间,绝对时间不够漂亮,终于从麦克斯韦方程中寻得突破导出狭义相对论。后来,他又一次觉得传统物理学对于惯性系和非惯性系的生硬分隔实在不够美,终于又一次从引力理论入手,导出了广义相对论。
  广义相对论的诞生完全是一场爱因斯坦的个人秀,因为当时并无强大的实验压力。它可以说是爱因斯坦美学观念的直接产物。对称性在数学上的语言叫群论,其在二十世纪后五十年的物理学中的地位可谓如日中天。当人们沉醉在对称所带来的种种美感和成就的同时,孰料没过多久就突然被重重敲打了一棒。事情起因于粒子物理早期著名的TAO,THETA之谜。TAO粒子和THETA粒子是在加速器中发现的两个性质极其类似的粒子,他们的质量,电荷,角动量等等都是完美的一致,然而要命的是在TAO和THETA的不同衰变道中表现出的宇称(镜像对称性)完全相反,因此人们还是忍痛把他们分为两种不同的粒子。其实还可以有另一种解释,他们根本是同一种粒子,之所以在两个衰变中表现的宇称不同仅仅是因为在衰变过程中宇称并不守恒而已!!
  这种几乎如同皇帝的新装里那个儿童的大喊,在当时也是视为笑谈。甚至如大名鼎鼎的物理学家,哥本哈根学派的中坚人物泡利( W. Pauli)也不以为然地说,我不相信上帝是一个软弱的左撇子,我已经准备好下一笔大赌注,我敢打赌实验将获得对称的结论。泡利关于物理学的打赌几乎是个神话,几十年来凡是他看准的东西从未错过。这个案例可以说是常识误导人的又一个经典。上帝似乎是个恶作剧专家,他不停地微笑着告诫人们,众人阿,我是爱你们的,可是,你们一定要警惕阿。还是有不信邪的人,一位哥伦比亚大学的著名实验物理学家和美国国家标准局合作,试图检验在弱相互作用下的宇称守恒问题。这个实验在概念上是很简明的,主要是要利用一个很强的β放射源(Co60),然后在适当控制下极化这个β放射源,使其具有某一个方向性,再放在一个利于观测的环境中,测量这个放射源是不是有一种先天的方向性。当然,其中涉及到诸如低温下的原子核的极化等等技术问题,这位伟大的实验家也是一一克服。实验的结果很明确,正如这位实验物理学家确认后立即给那个先前提出不守恒理论的那个理论物理学家打的电话里说的一样,“一句话,宇称守恒已经死了!”
  纽约时报很快以头版刊出了这个大新闻,他们用的标题是“物理的基本观念宣称已经由实验而推翻”。随后,美国物理学会在纽约大饭店举行了一次史无前例的年会(三千多人参加),来纪念宇称不守恒的发现。与会的一位著名物理学家感慨万千,“经历过相对论和量子力学的洗礼,我还以为这辈子的激情已经燃烧殆尽,不料今天我和诸位又一次站到了历史的转折点。。。。。。”
    
    说道这里大家已经很清楚了,提出宇称不守恒的理论物理学家正是李政道与杨振宁,而证实它的那位实验物理学家正是有物理科学的第一夫人之称的吴健雄。本人最高兴的一点正是在此,一个著名的理论从提出到证实,都是中国人自己作的,这是真正值得全体华人骄傲的事情阿。而吴健雄的这个证实弱相互作用中宇称不守恒的经典实验也足可跻身二十世纪物理学十大实验之列。

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神话中的神话
    
  有一天,如果一位教授了多年实验课的老先生突然看到学生递上来的一份实验报告,上面的测量数据是0.001159652188(4)。他开始一定是一笑付之,肯定是哪位同学偷懒按了计算器,懒得竟然连有效数字都不改。如果他打开书本查到这个数据的理论值是0.001159652133(29),一定会气得暴跳如雷,偷懒尚可原谅,编造数据则真的是迹近无耻了,何况这个误差范围竟然在10^(-10)以内(一百亿分之一),编的也太离谱了:)
    然而遗憾的是,他眼前的数据都是确凿无疑的,因为他面对的这个理论是人类有史以来最精确的理论量子电动力学。
    
  事情还得从头说起,量子力学和相对论的建立以后,人们一直试图把这两朵奇葩统一到一起。经过多番努力,这一伟业终于在大物理学家狄拉克(Dirac)手中完成。著名的Dirac方程就是相对论性的量子力学波动方程,它成功的解释了诸如氢原子能级分裂的问题。Dirac指出,氢原子的2S(1/2)和2P(1/2)两个能级事实上是一样的,这个也为当时的实验所证实。看上去一切都完美的结束了,然而上帝又一次和人类开了个玩笑。
  这个玩笑就是著名的兰姆移位(Lamb shift)实验。二战结束后,实验上的微波技术得到了极大的发展。(呵呵,这都是拜二战时各国玩命地发展雷达所赐。仔细想想,我们能够享受到今天的幸福生活,二战实在是功不可没。核能,喷气式飞机,火箭,计算机,雷达等等,如果不是二战地催动,少说也要推后好几十年,然而这种科技的巨大进步竟是以上亿的生命为代价,实在就,,,)。在1947年,Lamb和Retherford用射频波谱的方法终于发现氢原子的2S(1/2)和2P(1/2)能级并不是完美的吻合,而是存在着一个能级差,这个就是著名的兰姆移位。兰姆本人也因为这次精彩加精密的测量而荣获1955年诺贝尔物理学奖这个实验给当时的人们几乎是灾难性的打击,然而顽强的物理学家们痛定思痛,终于萌生了量子电动力学的
    念头。这个号称有史以来最精确的理论一出世就是一个怪胎,其一是它在数学上的计算繁复不堪,失去了物理学传说中的简洁美。连玻尔都十分的不以为然,他的口号是,我不相信上帝会把它的面貌这样复杂地描述给我们听。老玻尔始终还是沉浸在量子力学“简明”的数学美感之中。其二是它采用的数学方法说白了就是类似级数一级级的展开,这个被很多崇尚解析的数学家视为极度异端,因为起码连展开的收敛性无法保证。三,它自身也无法自圆其说,数学家的担忧不是没有道理,著名的红外发散就是一个无法克服的障碍。终于有勇士完美地解决了这个问题。J.Schwinger,16岁就成为物理学家的神童,数学上的任何技术问题都可以轻易克服。他用无比繁复的形式对量子电动力学做了解说,其中引入了著名的重正化方案(Renomalization)来克服发散。 R.Feynman,另一个天才性传奇人物,他用无比简单的图论方法对量子电动力学做了说明,这个就是著名的费曼图(Feynman Diagram).当人们试图努力把这两位天才的思想融和到一起的时候,另一个惊人的消息从遥远的日本传来,物理学家朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)在完全独立的情况下自创了第三种对量子电动力学的解读方案,而且好像也是正确的。这次人们算是彻底昏倒,好在我们这个星球上天才从来不缺,美国人Dyson终于以神话般的技艺证实这三种说法是等价的。终于在1965年,J.Schwinger,Feynman, 和朝永三人共享当年的诺贝尔物理奖。
    
  量子电动力学的成功是空前的,它标志着电子和光子被人类彻底征服。1900年就发现的著名的阴极射线——电子到此为止没有任何秘密而言,它的一切秘密都被人类所掌控。开头提到的数据就和电子最隐私的个人数据g因子相关。(测量的是a, a=(|g|-2)/2,要是电子MM知道自己的胸围被物理学家测到精准到一百亿分之一,会不会吓得花容失色?:P)。实验的精度达到百亿分之一,可是所有物理学家都顽固地相信,这个误差始终还是出在实验那边的。这也是人类强大自信心的表现吧。
  兰姆移位实验,直接促使了量子电动力学的诞生,足可进入十大物理实验的排名:P

从牛顿力学的危机到相对论的建立——谈寻找以太的实验
    
  “迈克尔孙-莫雷寻找以太的实验是物理学史上最著名的实验之一,它曾经是让所有人充满希望的实验,也是几乎让所有人绝望的实验。它的彻底失败直接导致了牛顿力学的空前危机,并终于在二十世纪初引发了人类时空观的彻底变革......”
   (-)
  还是从中学物理课本上引用的伽利略的那段话开始说起吧,
   "......在匀速行驶的船中,水滴依然垂直下落,而不会偏向船尾:你向不同方向抛投物体,尽管物体飞行时船在前进,但你不会发现向船尾比向船头容易抛得更远......你无法根据舱内的任何现象来确定船是在正常的航行或是停在岸边。“
  伽利略无疑是历史上认识到在一个匀速运动的参考系和一个静止的参考系上作任何实验结果都不会有差别的第一人。而大物理学家牛顿更是看到了这一观点的深刻意义所在。他一直在思考自己的牛顿三定理究竟普适到何等程度。终于,在他的著作>;>;自然哲学的数学原理》一书中牛顿从哲学的高度解决了自己的困惑。他认定存在着一个绝对静止的空间,在这个空间里时间是均匀地流逝着的。在其他所有相对这个绝对空间匀速运动的参考系里面力学规律(他的三定律)都是适用的,正如我们大家所熟知,这种参考系叫惯性系。如果是非惯性系(相对绝对空间存在加速度的参考系)怎么办?牛顿也不慌不忙地引入了惯性力的概念,即在非惯性系内的受力物体另加上一个与加速度反方向的惯性力即可。于是,处在一个自由下落电梯中的我们,就可以心安理得地这样解释自己的失重:我们的身体除了向下受到的重力以外,还受到与电梯(非惯性系)的加速度相反方向的惯性力了。两种力方向相反,大小相等,刚好扯平,所以我们感受不到重力是很自然的事情了。
     牛顿的理论是天衣无缝的,至少在他那个年代的科学家们看来如此。伟大的牛顿不仅在一团迷雾中指清了光明的所在,而且更重要的是,他给了所有人以强大的信心。生活在牛顿时代的物理学家几乎是历史上最单纯幸福的一代。在伟人牛顿的光环笼罩之下,他们几乎不用再担负任何哲学上的艰涩思考而放手拓展数学在物理学上的应用,一批批数学物理大师滚滚而出,拉各朗日(J.L.Lagrange),拉普拉斯(P.S.Laplace),哈密顿(W.R.Hamilton),泊松(S.B.Poisson ),直至后来登峰造极的麦克斯韦(J.Maxwell)。从古到今对物理学真正最具信心的也是这代人,从来也没有人像他们那样自负(或者说狂妄)过,这其中典型的如拉普拉斯。
     当年在法国皇帝拿破仑举行生日庆典的宴会上,大物理学家拉普拉斯把自己的新作《天体力学》一书毕恭毕敬呈给了皇帝预览。这位拉普拉斯大人在物理学和数学上学识相当了得,但究其人品实在平平,从雅各宾派专政到如今的拿破仑皇帝,他自己也搞不清向多少人宣誓效忠过了,其实从他热衷献寿礼这件事本身就可看出端倪。不料这次皇帝翻了翻他的书,却十分不满地问道,拉普拉斯,我翻了这许多页,你怎么只字没有提到上帝?即使是卑躬屈膝已经成了习惯的拉普拉斯,这次也终于挺直了腰杆,自豪地回答道,“陛下,我的假设中并不需要上帝。”
     拉普拉斯不愧是个解偏微分方程的高手,他那著名的宣扬拉普拉斯决定论的豪言壮语也带有偏微分方程特有的味道,“如果有人能告知我整个宇宙诞生初期的条件和宇宙边界的条件,我甚至可以计算出整个宇宙的演化历程!”这等几乎是疯子的言语,在当时却激起一大片的轰然喝彩之声。阿基米德曾经也声称给他一个杠杆他能撬起整个地球,那不过是夸张地形容了一下杠杆的威力而已,阿基米德本人也未必打算亲自尝试。而这次拉普拉斯的“嚣张”竟然使得人人跃跃欲试!每一个沉醉在牛顿力学辉煌胜利中的人都是同样的想法,拉普拉斯的话原则上并非没有道理,以后的物理学家们只需沿着伟人牛顿指引的路走下去便是,甚至根本不须出什么才能特异之士,只要有几代人在数学计算上的平庸积累之后,物理学就会成为一个历史名词了。
     现在想来,拉普拉斯等人的狂妄也着实太过了些。早在1889年,法国的大数学家,物理学家庞伽莱(H.Poincare)在解决看似很简单的三体问题(三个物体在相互引力下的运动)时就发现纵然力学方程可以很快的列出,而我们始终是不可能找到完美的解析解的,而且他发现解的结果对初始条件极其敏感,任何初条件的细微变化最终会导致整个系统的混乱无序,顺着这条路走下去就是从上世纪六七十年代一直红到今天的混沌科学。这个算是给拉普拉斯决定论第一个耳光。更响亮的还在后面,那是1920年前后以玻尔为代表的哥本哈根学派创立的以几率诠释为根基的量子力学。至死坚持拉普拉斯决定论的爱因斯坦忍无可忍,与玻尔一派展开了一场哲学上的激烈争论。其实即使是爱因斯坦这些决定论的忠诚捍卫者,他们头脑中的时空观与拉普拉斯的也完全不可同日而语。总之后来这些曲折离奇的变故,纵使第一智者牛顿泉下有知,也会惊得目瞪口呆的。
     牛顿力学的危机,倒并不是出现在力学的本身,而是在其旁支电磁学上。相对独立的电磁学自诞生以来就积累了无数纷繁杂乱的公式,直到有一天碰到了它们的终结者-麦克斯韦。1864年 麦克斯韦用魔术般的数学手法将整套电磁学浓缩在四个简单的联立方程之中,并以此预言了电磁波的存在。这不仅在物理学上是件了不起的大事,甚至有人这样评论,两千年后的人们回想起公元1864年,首先忆起的只怕不是曾经轰动一时的美国南北战争的爆发,而只是朴素简单的麦克斯韦方程。
  麦克斯韦方程究其根本来说是凌驾于牛顿力学之上的,而当时的人们宁愿相信它是牛顿力学最杰出的产物,甚至它的创始者麦克斯韦本人也坚持这样认为。当然,人们很快发现麦克斯韦方程相当古怪,它并不满足被牛顿视为根基所在的伽利略变换(惯性系之间的坐标变换)。这其实已经给牛顿力学亮了红灯,但生性乐观的人们宁愿给出另一种解释,麦克斯韦方程只在牛顿指出的绝对静止的参考系中成立。这种解释立时引发了人们对牛顿力学的最后也是最高潮的狂热,寻找以太!
  正如本文开头伽利略所指出的,绝对静止的参考系和匀速运动的参考系是任何力学实验也无法区分的,然而以麦克斯韦方程为根基的电磁场可以敏锐地判断到底那个参考系是绝对静止的。当时人们类比声波,认为全空间充满了一种电磁波赖以传播的介质---以太。虽然以太本身的力学性质被赋予得诡异无比,但兴奋得发了昏的人们已经顾不上那些细枝末节了,因为寻找地球本身相对以太的速度,也就是相对数百年前牛顿指出的绝对静止空间速度的实验已经开始了。
    
    (二)
     这个实验就是1887年开始的著名的迈克尔孙-莫雷实验,当时人们已经能够利用光学上光程差引起的干涉条纹的移动来进行极其精细的测量。地球相对太阳的公转速度大约是30公里/秒,那么不管太阳相对以太的速度多少,一年之中地球相对以太的速度总有超过30公里/秒的时候,而这个速度完全可以被迈克尔孙-莫雷干涉仪所探知。这在当时被认为是人类物理学的最后一件盛事,几乎所有的物理学家都备足了香槟酒指望得知结果后大大地狂欢一把。然而实验的结果让所有人都寒心不已,无论怎样地调整角度,改变光的波长,在高山上测量,在矿井里测量,在不同的大陆测量,在不同的季节测量,干涉仪显示的结果始终是零。难道真的是上帝眷顾,我们可爱的地球恰好就是绝对静止的空间所在?早就经历了日心说,地心说之争的物理学家们是根本不会相信茫茫宇宙中平凡的地球会如此幸运的。那问题究竟出在哪里?很多人已经想到到迈克尔孙-莫雷实验零结果意味着地面发出的光速始终是恒定的,它并不以地球的运动而带来很小的偏离。当时所有人的头脑里伽利略的速度叠加律是根深蒂固的,在一辆以速度v向前行驶的火车上朝前方打开电筒,光波的传播速度应该是C+v (C是光速,约为30万公里 /秒)。但既然地球明显相对着以太(绝对静止空间)在运动,为何光速始终不受影响?没有合理的解释,人们只能又在可怜的以太身上编织更加匪夷所思的特性来扯圆自己的说法。1892年物理学家洛仑兹和菲兹杰若提出了任何相对以太运动的物体都会有一定程度的长度收缩,这个收缩刚好弥补了干涉仪上的条纹移动。这等牵强的解释不得不让人想起了笑话中那位只有本事锯掉箭杆的“外科”医生。在一眼望不到边的苦闷和绝望中头一个警醒地认识到以太本身可能存在问题的还是庞伽莱,他在1900年就这样写道,“我们的以太真的存在吗?我相信,再精确的测量也不能揭示任何比相对位移更多的东西。” 当然真正解开这个死结的是人类的骄子,牛顿以后最伟大的物理学家爱因斯坦。他在1905年那篇著名的论文《论运动物体的电动力学》中明确指出“引入以太根本就是多余的,因为我在这里提出观念将不需要具有特殊性质的绝对静止的空间。” 年青的爱因斯坦宣告了把时空更紧密地联系在一起的狭义相对论的诞生。他的理论中彻底放弃了牛顿的那个绝对静止的空间,取而代之的是光速不变原理(光在任何参考系的速度都是恒定的)和相对性原理。洛仑兹费劲心机弄出来的那个长度收缩成了相对论的一个显见的结论。
   爱因斯坦不仅是人类中极其罕见的敢于突破常规,不被表面现象迷惑的天才,而且他是以美学的观点思考物理学并取得极大成功的第一人。在爱因斯坦万物平权这个朴素的美学观点中,牛顿那个相比其他惯性系都显得无比优越特殊的绝对静止空间就显得格外得刺眼了。同时警惕无比的爱因斯坦也注意到前文中提到的非惯性系相比惯性系也未免有了太多的特殊性,就此他萌生了广义相对论的想法。广义相对论的基本原理在于著名的等效原理,爱因斯坦指出,在一个相当小的时空范围,不可能通过实验来区分引力和惯性力的。如在一个密封舱内,观察者发现一个物体以重力加速度g自由下落,他根本无法判断是到底是由于地球的吸引导致物体下落还是在根本无引力的空间密封舱本身以加速度g向上运动引起的。得出的推论便是,我们这个空间,凡是有引力的地方都不是真正的惯性系,倒是在引力场中自由下落的局部空间,由于引力和惯性力两者相消,才可被称作局部惯性系。
   牛顿关于绝对空间和绝对时间,惯性系和非惯性系的定义到此算是被改得面目全非。当然牛顿的那套时空观更符合人们惯有的思路,爱因斯坦的相对论就对理解能力多少要有些挑战了,人类的思维总是由简单到复杂,这是不可避免的趋势。
    
    (三)
  从牛顿力学的危机到相对论的诞生,这一段崎岖坎坷的历史为后来兴起的科学哲学做了极好的注释。一个科学理论的建立第一要解释当时实验条件下的种种现象,第二当然理论本身要自洽,不能有自相矛盾的地方,这两点牛顿力学完美的做到了。随着时间的推移,人们的认知手段不断完善,会陆续发现一些理论解释不了的地方,此时人们的第一反应并不是立刻发展新理论取而代之,而是在旧理论中加入一些假设的前提,比如此例中人们赋予以太的一些光怪陆离的性质。后来发现不能解释的地方越来越多,人们的前提也越来越多,慢慢地有的附加前提实在太过牵强(如洛仑兹的那个奇怪的长度收缩),有的则和其它的前提相互冲突,这时候新理论的出现就迫在眉睫了,一如相对论的诞生。更需要指明的是科学的承继性是很强的,相对论并不是彻底推翻了牛顿力学,而是扩展了它。牛顿力学只是相对论在低速情况下的近似。这一点很多业余物理学家都没有意识到,所以每次看到他们厚厚的论文中那些宣称推翻相对论的醒目字眼,我就不由得感到一阵阵悲哀,他们很多人几年,十几年,甚至一辈子的辛苦努力其实都是白费了。
  我倒是真诚地建议业余物理学家们不妨考虑一下在时间和空间的概念适用限度以下的东西。具体说在普郎克时间(5.4×10^(-44)秒,普郎克长度(1.6×10^(-35)米)以下,时间和空间彻底失去了意义,不能区分过去,现在和未来,也无法分辩上下,前后和左右,因果关系也不复存在。在这段范围里,你们的各种理论没有相对论的束缚,大可各展所长,例如可以说我们的四维时空只是N维空间的压缩(N=5,6,7...任意)等等,只要最后记住延伸到正常时空时,理论要回到相对论即可。关键行文中要郑重声明相对论只是你的理论在某某情况下的近似,这样的论文虽然由于作者数学功力有所不逮仍不免是一塌糊涂,但我保证即使再挑剔的专家也不敢只看一眼就断然拒绝了。
  

爱因斯坦的光子箱
  这是一个彻头彻尾的思想实验,也是最富戏剧性的实验。这个实验肇始于爱因斯坦和玻尔等人的那场关于量子力学基本原理的世纪辩论。那是一场火星碰地球的智慧大碰撞,爱因斯坦和玻尔二人宛如多年以前在川中岛合战中守望相持的上杉谦信和武田信玄:) 玻尔等人认为量子力学的一个根本原理是测不准原理,就是在微观情况下无法同时测准粒子的位置和动量,时间和能量。譬如在显微镜下“看"一个电子,当你要精确厘定电子的位置,根据光学原理则必须要用更高频率的光去照射,而光波频率越高,能量也就越大,电子本身也会被光波的能量冲撞的摇摆不定,从而动量的不确定性也就越大了。
    
  1930年在第六届索尔维(Solvay)会议上爱因斯坦则是针锋相对地用他的光子箱向玻尔发难。光子箱的结构很简单,一个匣子挂在弹簧称上,一个相机快门一样的装置控制匣子内光子的射出。每次射出光子的时间由快门控制,弹簧称上可以读出整个盒子因光子出射而减少的质量,根据大名鼎鼎的爱因斯坦质能关系E=CM**2得出光子的能量,这样原则上时间和能量不存在不能同时确定的问题。据说玻尔看到这个装置登时口吐白沫,经过紧急抢救时的输氧加上彻夜的苦思之后,玻尔终于搬来了救星,呵呵,那竟然是爱因斯坦本人的广义相对论。发射出光子后,光子箱的质量减少纵然可以精确测出,然而弹簧秤收缩,引力势能减小,根据广义相对论的引力理论,箱子中的时钟会走慢,归根到底时间又是不确定了。这次轮到爱因斯坦吐血三天了,他费劲心思找来的实验居然成了量子力学测不准关系的绝妙证明,还被玻尔等人堂而皇之的载入他们的论文之中。整个事件曲折离奇,好莱坞的编剧只怕也相形见绌,不过我一直在想的问题是,如果爱因斯坦本人晚几年发表他的广义相对论,一切又会如呢。。。。。。

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