购买
下载掌阅APP,畅读海量书库
立即打开
畅读海量书库
扫码下载掌阅APP

六、一“粒”才子测错平行世界 一“波”巨星照亮哥本哈根

“所有能够发生的事情其实正在发生 。这是平行世界,或曰平行宇宙理论的基点。”远见咬文嚼字地回应远山的话题。远山在晚饭的时候提起了钟子丹白天在咖啡屋里提到的平行世界理论,没想到儿子比他知道得还详细。

“我正在准备一个讲座,在兴趣组介绍量子力学创始和发展时期的主要人物。提出平行世界理论的是美国普林斯顿大学的一个博士研究生,叫休·埃佛雷特(Hugh Everett)。他是在1957年准备他的博士论文的时候提出这个理论的,不过当时没人把这个当回事儿。博士毕业以后,他也慕名来到哥本哈根工作了一段时间,期间试图说服哥本哈根学派的领袖尼尔斯·玻尔接受他对测量导致粒子状态的波动性转化成粒子性的解释,但并没引起玻尔的重视。回到美国以后,他很失落,很快就脱离了学术界,利用他的物理知识进入商界发展,最后成为一个百万富翁。但他大概还是因为感到空有科学情怀却无法施展抱负,郁郁不得志,逐渐酗酒成性,后来在51岁的时候就死于心脏病了。可他的解释却在他死后15年渐渐地被学术界所接受,成为和波包塌陷并列的一种解释。”

普林斯顿大学

“是吗?那真是可惜了一个人才。”远山惋惜。

“谁说不是呢。他的理论核心是‘所有测量中可能出现的结果都是同时存在的,各自占据在自身所在的平行世界里’。比如两个人结婚以后,同时会有几种真实的存在:一种是两人一生琴瑟和谐,相爱终生,一种是性格不合,最终各奔东西,当然还有其他处于两者之间的状态。这些状态其实是同时存在的,只不过是在不同的平行世界里,但在当事人去感受,或者说去测量时,仅仅会以一定概率随机落到其中一个世界里。有人幸运地‘观察’到了最好的结果,有人不幸地‘观察’到了最差的结果,更多的人观察到的是介于两者之间的结果。这也似乎很符合通常的正态概率分布,于是每个人引领的是不同的生活。假如有一天科学能够实现观测在平行世界之间的穿越,也许就可以把最差结果变成最好结果呢。不过最后这两句是我自己的幻想。”远见说着笑了起来。

“人就要有幻想,才有突破的可能。”远山肯定和鼓励儿子。

“休·埃佛雷特一家挺惨的。他女儿后来也自杀了,临终遗言说要去她爸爸的平行世界里和他重聚。”远见有些伤感。

“那就是说,除了休·埃佛雷特不幸经历过的那个世界,在同一时间里,还存在另外一个平行世界。在那个世界里,埃佛雷特事业上抱负有成,仍然和女儿与其他家人幸福地生活着,或者已经尽老百年而终?”

“理论上的确如此。”远见肯定。

远山笑了:“这也太匪夷所思了。所以埃佛雷特是一枚才子,但却不幸地,也是随机地选错了平行世界。”

“借用量子力学表述,应该称其为选错观测世界的一‘粒’才子。”

“他也是,跑到玻尔那儿寻求理解怕是有点不明智,玻尔是哥本哈根学派的领袖,是波包塌陷解释的创始人之一啊。”远山替前人担忧。

“您说的有些道理。不过玻尔也不是一般人,他的领袖才能和个人魅力是相当出色的。在哥本哈根学派里,群英荟萃,许多人都是全球物理界泰斗级的人物,但没有人不服气玻尔。原因之一就是他能够有效地发挥和利用每个人的特长,发现和提携新生代科学家和科学思想。您整天说想做一个学者型的‘霸道’总裁,玻尔是真正的这一类型的霸道总裁。您应该好好了解一下玻尔。所以,埃佛雷特找他的原始决定未必算得上失策。没有发现埃佛雷特解释的价值也许是玻尔的失误之一。谁都不可能不犯错误。不过,被玻尔认可和不被玻尔认可其实也是同时出现在两个平行世界里的实际人生状态,只不过,遗憾的是他又概率地落在了不被认可的那个世界里。”

听了儿子的话,远山哈哈大笑。

“你既然准备了讲座内容,索性先给我讲讲哥本哈根学派的领军人物。这些日子老听说这个学派,但实际内容却没多少了解。”远山提议。

“行,我先给您介绍两个哥本哈根学派的标杆人物,海森堡和玻尔。不系统讲了,就讲点有趣的奇闻逸事。”

“随你便。”远山一向注意不给儿子压力。

“海森堡出生在德国,让我看看是哪天生的。”远见走到茶几旁翻查笔记,“哦,1901年12月5日。您知道他最大的贡献是发现了测不准原理,也有人称其为不确定原理,您应该也知道他是量子力学的创始人之一。但您可能不知道,他1932年获得诺贝尔奖的名头居然是开创了量子力学!厉害吧?这可是开创一个学科的名誉啊。那么多量子力学的开创先锋,诺贝尔评奖委员会单把这个名头给了他一个人。”

远山频频点头:“是牛。”

“除了测不准原理,他还在核物理、粒子物理、宇宙射线、反应堆设计等好多方面贡献卓著,当然,还包括他是哥本哈根学派的灵魂人物之一。不过在第二次世界大战期间,海森堡也做了让好多科学家不理解甚至不可原谅的事情。那就是他在那个期间被德国纳粹指定为原子弹研制的负责人,为纳粹研制能够扭转战局进而置盟国于死地的高端武器。几乎在同时,美国也开启了相同的原子弹研制计划,称为曼哈顿计划。当美国知道德国也在研究原子弹,而且德国研制原子弹计划的首席科学家是世界上最优秀的物理学家海森堡时,便把他列入了刺杀名单。在1944年2月初,海森堡前往中立国瑞士做学术报告的时候,美国派出一个刺客前往报告厅完成刺杀计划。有趣的是刺客接受的指令不是绝对的刺杀令,而是根据自己的判断决定是否行刺。判断依据是,如果海森堡在报告中透露出任何信息,表明德国可能接近完成原子弹的研制,就开枪行刺。但那天海森堡的报告是关于绝对 S G矩阵理论方面的研究成果。刺客经过判断,认定这项研究和原子弹研制进度毫无关联,于是决定放弃任务的执行。事后刺客在描述这项任务时说,他是基于‘不确定原理’来完成这次刺杀使命的。”

远山呵呵笑了起来:“这才是真正意义上的幽默。作为那么优秀的一个物理学家,他的是非判断力应该同样不差吧?海森堡会真的死心塌地地为纳粹研制原子弹吗?那后来呢?”

“海森堡自己从来没有为这段历史辩解过,不过他曾经在1941年秋天去找过玻尔。他和玻尔说,自己和德国的同行们不会帮助希特勒制造这种毁灭性的杀人武器,但也希望玻尔说服盟国不要做同样的事情。人们无从知道这次谈话的细节,但是可以肯定的是,在这次谈话之后,玻尔和海森堡这两位当时最伟大的物理学家中断了他们之间的友谊。这项高端武器的竞争最后以盟国的胜利而告终。有人说,这是海森堡在这次竞争中的一次真实的失败。但也有人说,海森堡和他的同伴们故意拖延了研制的进程。”

“我更相信第二个结论。”远山由衷地表示,他现在已经在心里对海森堡充满敬意,“他后来怎么样了?我是说‘二战’以后。”

“挺好的,他后来在盟军的阿拉索斯计划中被俘。这个计划是专门用来俘获和德国原子弹研制有关的科学家的。海森堡在德国投降的前两天被俘。‘二战’结束以后不久,在1945年,他就恢复了科学家的身份,后来做了德国马克思·普朗克物理和天文研究所的所长。1976年2月1日他因肾癌去世。还算善始善终了。”

远山长吁了一口气,说:“挺好的。唯一的遗憾是他和玻尔在‘二战’中解除了友谊。不知道后来又恢复没有。”

“这个我也不知道了,没看到这方面的资料。”远见老实回答,“下面再说说玻尔?”

“好,我洗耳恭听,你不是说我要好好向他学习嘛。”“玻尔的全名是尼尔斯·玻尔(Niels Bohr),丹麦物理学家,生于1885年10月7日,卒于1962年11月18日。”远见念自己的演讲笔记,好像是在念墓志铭。

远山笑。

远见意识到老爸笑的含义,做个鬼脸,脱开笔记,讲:“您知道,尼尔斯·玻尔是量子力学的主要创始人之一,哥本哈根学派的领军人物。他对量子力学的主要贡献是给出了原子结构的理论解释,称为玻尔原子模型。在这个模型里他指出,围绕原子核运动的电子处在分立的、能量不同的电子轨道上,再次阐述了粒子能量不连续这个基本量子思想。电子从外界吸收能量以后,可以从较低的能量轨道激发到较高的能量轨道。反过来,也可以从较高的能量轨道上跃迁到较低的能量轨道,而把多余的能量,也就是两个轨道之间的能量差,通过发出光子释放出来。他也因为这个原子模型的建立获得了1922年的诺贝尔物理学奖。不过,我在这个讲座里重点不是讲玻尔的科学贡献,而是他作为领袖的伟大人格魅力。玻尔在量子力学领域更为人津津乐道的也是他在这方面的卓越才能。不夸张地说,他是早期量子力学飞速发展的统帅人物。他在量子力学领域有太多脍炙人口的故事。”

丹麦物理学家 尼尔斯·玻尔

说到这里,远见又低头看了看笔记,接着说:“1917年,玻尔在丹麦政府的支持下在首都哥本哈根筹建了一个理论物理研究所。从20世纪20年代到30年代的时间里,这个研究所从世界各地吸引了一大批顶尖物理学家。海森堡、狄拉克、泡利、朗道、薛定谔等量子力学的先驱人物都曾在这里工作过。当时的玻尔物理研究所可谓精英荟萃,阵容豪华得空前绝后,成为当年量子物理学的重镇和学术中心。所谓哥本哈根学派,其名称就是起源于这个地理背景。”远见再次抬起头,回归了演讲神态。

“自己成为一个优秀的物理学家当然已经是非常了不起的成就,但能够把一大批世界顶尖物理学家汇集在手下,并且让他们感受到最舒适的学术研究环境应该是更为困难的事情。非有超群的人格魅力和学术凝聚力难以担当此任。玻尔做到了,而且做得前无古人,后无来者。以至于20世纪20年代到30年代的哥本哈根产生了无数成为物理学史记的传说和故事,使得量子物理发展史成为物理学史中最负传奇和趣味性的一个篇章。玻尔和爱因斯坦关于量子物理的争论成为世界上最高大的两个科学伟人之间的争论。他们那未必出现在真实时空的、在争论中并肩行走的背影几乎可以成为物理界的一个学术图腾。在他们的争论中,爱因斯坦几乎永远是思想敏锐的质疑者,而玻尔则永远是那个胸有百万雄师、举止儒雅的释疑者。他们之间的交锋堪称物理学的巅峰较量,从这些较量中自然流淌出一大批杰出的物理和哲学思想。”

远山发现现在的孩子,尤其是少年,说起话来颇有气势,尽管在这样的气势中,有一部分来自于‘大词’的着意渲染,但这些大词从他们嘴里说出来,却透着一股绝不令人反感的真实和朝气。

“举个例子,奥地利物理学家泡利,1945年诺贝尔物理奖获得者,是一个性格有些急躁,也有些傲慢的天才物理学家。他一生中对量子物理有诸多重大贡献。他提出了量子力学著名的‘泡利不相容原理’,他也是预言存在中微子的第一人。他的傲慢也许出自于他对自己物理思想的自信,而这一点也的确为了解他的人所接受,所以他对同行苛刻的批评常常被赞誉为‘物理界的良心’。他对一些物理概念表述得不知所云的文章和讲座有一个著名的评价,就是Not even wrong!意思是糟糕得连错误都谈不上。和这样个性鲜明的人共事和讨论问题无疑是一个高级挑战课题。传说有一次泡利在和玻尔讨论问题时情绪失控,他愤怒地咆哮,让玻尔从屋子里出去。玻尔对如此无礼的言行毫不介意,反而用耐心和蔼的语气试图使泡利平静下来‘泡利,你听我说……’”远见模仿着想象中玻尔的口气,双手伸出,掌心向下,对着远山按了按。

奥地利物理学家 泡利

远山会意和鼓励地笑了笑,配合儿子进入泡利的角色,随即做出一个夸张的愤怒表情,然后又慢慢缓和下来。他们父子俩在生活里一向有这样的默契,像一对朋友一样演戏。

远见微笑着收式,接着说:“有人曾经问玻尔,他为什么能够在自己麾下凝聚起那么多顶尖物理学家。他的回答十分简单,他说,因为他从不担心自己在那些物理学家面前表现得像一个傻瓜。因此,在哥本哈根理论物理研究所,玻尔不仅是一群世界上最杰出物理学家的领袖,也是他们尊敬和爱戴的长者。以至于后来在全球科学界,玻尔的为人风度,处事方式和领导能力都被公认为学界的楷模。玻尔的名字和量子力学、哥本哈根学派紧密联系在一起。甚至在熟悉这一领域的人们心里,他的名字和这些学术名词浑然一体,互为索引。我这部分内容太多,咱们现在也未必有时间把我准备的东西都过一遍。我选一个小故事给您讲讲吧,也许能对您下次和钟老师的会面垫个底。他说下次会面要给您讲粒子的自旋,对吧?”

“应该是。”远山肯定。

“那就给您讲一个有关玻尔和自旋相互作用的故事。”远见开玩笑,“在1925年11月,两位年轻的荷兰物理学工作者,乔治·乌楞拜克(George Uhlenbeck)和山缪·古德施密特(Samuel Goudsmit)提出了电子拥有自旋的思想。在这之前,物理学界已经发现了电子具有一种被称为‘隐形旋转’的形态,但还没有清楚地找到描述这种状态的方法和理论。古德施密特当时还是一个没毕业的研究生。在他们的文章中,把电子描述成为和地球类似,可以围绕通过自己中心的一个转轴自转的球形粒子。他们把这种旋转称为电子自旋,是电子运动的一个新的自由度。”

“自由度是什么意思?”远山问。

“我理解自由度就是描述粒子运动的一个独立的分支形态,比如说在原子里,电子绕着原子核旋转是一个自由度,处在哪个能级上也是一个自由度,那它现在有自旋,就应该是另一个独立的自由度。每一个自由度,对应着一类物理性质的描述。”

“明白了。”

“因为自旋也是微观状态,所以应该是量子化的,只能取一些分立的、特定的数值。电子小球绕着自身的中心轴旋转只是个现象,从物理上需要通过一个物理量来标定这个现象,所以他们把自旋定义为电子绕自身中心轴旋转的角动量。咱们现在先别管角动量是怎么回事,没准儿钟老师会很快告诉您。这两个年轻的物理学家把自旋量子化为两个值,一个是方向向上的自旋,数值是 ,一个方向向下,数值是- 。”远见把自己的笔记递过去,指给父亲看那两个自旋数值。

“我见过这两个东西,ћ是普朗克常数除以2π。不过不是很懂它们的意义。”

“我也不是很懂。不过没关系,我想钟老师将来会讲到它们的物理细节。咱们现在权当结果记下来。我的目的是给您讲玻尔的故事。”

“对对对,你接着说。”远山被拉回原始主题。

“在自旋理论提出来仅仅一个月之后,玻尔乘火车去荷兰莱登(Leiden)参加活动。火车途经德国汉堡的时候,泡利和一位叫斯特恩的物理学家赶到车站拜会玻尔,询问玻尔对刚刚提出的电子自旋理论有什么看法。玻尔回答说这个假说非常非常有趣。泡利知道,这是玻尔不认同某种观点的典型表达方式,玻尔随后提出了自己的具体质疑。当火车到达终点莱登的时候,玻尔见到了爱因斯坦,后者同样征求了玻尔对电子自旋说的看法。玻尔再次表示了自己的看法和质疑。但爱因斯坦解决了玻尔的疑问,说服玻尔愉快地接受了这个新思想。在莱登活动之后,玻尔前往哥廷根,在那里他遇到了前来询问他对自旋理论看法的海森堡。此时玻尔的看法已经转变,他表示这是一项了不起的学术进展,并向海森堡介绍了爱因斯坦的解释。而当玻尔返家途中路过柏林,他又遇到了专程从汉堡赶来的泡利。泡利此行的目的居然是跑来再次征询玻尔对自旋理论的看法。这次玻尔坚定地肯定了这项新的理论创举。泡利听后,幽默地回应说,这将是哥本哈根学派一项新的‘异端邪说’。”

“这些个物理学家真有趣,对待学问的态度实在没的说。”远山感叹,“这就是所谓的敬业精神吧?我想任何一个行业有了这样的人都不愁业绩不蒸蒸日上。这实在是一种精神,哥本哈根精神。”

“老爸说得对。如果说,提出平行宇宙假说的埃佛雷特是一‘粒’才‘子’,简称粒子,那么哥本哈根就是一大波包,包着一群顶尖的物理巨星,每个巨星都是一个独具频率的波。”

“波包照亮了哥本哈根!”远山大笑,从心里觉得儿子总结得出彩。

“另外从这个故事也可以看出,电子自旋,或者更广义地说,微观粒子的自旋一定是一个非常重要的物理量。我看了一些资料,说原子能级出现一些精细结构,就是用电子自旋理论解释的。”远见结束了自己的介绍。

“对。我无意中发现这是一个好办法,在你接受新知识的时候,先不着急第一次接触就搞懂细节。可以先把结论搞清楚,在脑子里留下印象。等有机会听别人一讲,通常更容易听懂。你我虽然没搞明白自旋到底是怎么回事,但毕竟对这件事有了印象。下次听课就有思想准备知道重点在哪儿,也能提出问题了。对了,我想起来了,上次钟老师就和我说,原子的性质基本是由原子核外绕着原子核转圈的电子决定的。你这一说好像也能对上号,你说原子的能级的精细结构是电子自旋造成的,这和钟老师的结论一唱一和啊。”

“是吗?不错。我也把这句话记下来,以后等钟老师讲到自旋,我的思路可能就能立刻跟上去了。”

“哎,那个小姑娘怎么样了?她叫什么来着?任紫欣?”远山问。

“您怎么突然想起她来了?”远见不解。

“嗯,我觉得那孩子不错,长得好看,脑子聪明,看起来又懂事儿,是个可交的朋友。”远山笑着说,随后又意味深长地补了一句,“当女朋友交往也行。”

“哪有您这样的,鼓励早恋啊?”远见听了心里受用,但表面上做不以为然状。

“谈不上鼓励,但绝不盲目反对正常的感情接触。其实世界上不存在所谓早恋,人一生具有的各类感情状态也会以各自的几率强度融汇成一个大波包。在人生的任何一个确定时段去检测这个波包,波包会塌陷到某一个确定的感情状态里。对少男少女而言,具有最大几率的塌陷状态就是那种少年无邪的相互爱慕的状态。”远山一本正经地说到这儿,连自己都绷不住,哈哈大笑起来,“桌子上的东西你收拾吧。”说完带着尚未结束的笑声上楼去了。 x8oMNDvaUDnWfmoQmH7AJdPlMlYfdabAugOtSQwH1Tk601KhJf3YHncUqF+9YKke

点击中间区域
呼出菜单
上一章
目录
下一章
×