日出:量子力学与相对论

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内容简介: 纵观20世纪物理学的百年发展史,可谓群星璀璨,英才辈出,《日出:量子力学与相对论》描述了在20世纪初期,那个乌云密布的物理学天空中,海森堡等人如何看到日出的场景。在20世纪初期的量子力学与相对论大革命中,涌现了最多的类似于海森堡这样的物理学英雄人物,那是一个震撼人心的英雄时代。本书通过对这些英雄人物的成长经历与思想历程的梳理,从科学与文艺的双重角度建构了一个又一个栩栩如生的人物剪影。《日出:量子力学与相对论》适合于大中学生、教师,对物理与物理学发展历史感兴趣的读者,也适合物理研究人员和物理学史研究者等专业人士参考使用。

目录: 《日出:量子力学与相对论》
第一部分 量子力学部分
1 孤儿:两个钻石王老五
2 监狱里的群论
3 爱因斯坦与波尔兹曼,马赫
4 写清楚熵公式的人
5 富二代德布罗意:凌晨旧戏
6 薛定谔:遗情书   
7 十年前的玻尔
8 物理思想集大成者:爱因斯坦
9 犀利哥
10 海森堡:日出
11 交换游戏
12 物理学牛市:矩阵的运动方程
13 科莫湖畔的费米
14 第五届索尔维会议
15 狄拉克矩阵:相对论与量子力学的婚姻
16 海鸥,马约拉纳
17 朗道:苏联之子
18 广岛之吻
19 原子弹研发与物理学熊市
20 枪手,猫论
21 在战后的废墟上
第一部分附录
第二部分 相对论部分
22 乡下的月光
23 牛顿引力的高级版本:拉普拉斯方程
24 三体问题
25 惯性参考系
26 伯尔尼克拉姆大街49号
27 公务员的奋斗
28 三年半的沉默
29 朗之万:双胞胎悖论
30 广义相对论
31 美国空军的研究员
32 贝肯斯坦和霍金
33 宇宙学
第二部分附录
参考文献


序言: 序1
本书是轩中学子继《相对论通俗演义》之后的又一力作。轩中从中学时代起就是一位对文学和科学都充满兴趣,而且有志于创造的青年。他先受张爱玲、徐志摩等人作品的影响而关注文学,后又受康德、爱因斯坦、杨振宁等人的影响转而关注科学,最终选择了物理专业,进入北京师范大学物理系学习,加入该校的相对论小组深造。这个小组是全国最有影响力的相对论研究团队之一。在刘辽教授和梁灿彬教授的领导下,为年青人打下较为深厚的物理基础和数学基础,并引导他们走向引力理论、时空理论、宇宙学和黑洞物理的研究前沿。
轩中深受梁灿彬教授的影响,对理论物理和微分几何充满兴趣,并在马永革教授的指导下完成了硕士论文。在本科和研究生阶段,轩中博览群书,把自己的视野从相对论扩展到量子论及物理学史等领域。
轩中最值得注意的优点是始终想做事情,不想虚度此生。在各种尝试之后,他终于摸索到了适合自己的创造领域,即选择科学和文学的结合部,把掌握的物理学前沿知识与自己的写作能力结合起来,以既科学又文学的方式把爱因斯坦、霍金等近代学者研究的前沿知识及成功者的创新之路介绍给广大青年。
我怀着欣喜的心情读完了本书的电子稿,大有后生可畏又可爱的感觉。这本书和几年前发表的《相对论通俗演义》一样,既保证了科学内容的正确,历史梗概的真实,又带有适当的文学色彩,而且使用的是年青人熟悉喜爱的语言,可读性很强。《相对论通俗演义》一书不但受到了青年读者的喜爱,也受到了许多理论物理专家的好评,相信这本书同样会得到较高的评价。
我们中华民族是一个伟大的民族,从春秋战国到明朝中叶,站在人类文明的前列差不多2000年,只是在近代落后了,而且挨打了。经过全国人民的流血奋斗,今天的中国终于又站起来了,经济得到了飞速的发展,中华民族再次奔向人类文明的最前列。在目前经济危机的阴影笼罩全球的情况下,中国是最有活力,最充满希望的国家,全世界人民都在注意正在重新崛起的中华民族,对于当代中国青年来说,真是任重而道远。
小平同志说,“科学技术是第一生产力”。中国经济的可持续发展依赖于科技创新和教育的普及提高。几十年来,中国的教育取得了长足进展,不仅基本普及了中、小学教育,而且大学生能占到同龄人的三分之一,这是震撼世界的成就,是中国可持续发展的强大动力之一。
我们的教育质量,从知识水平和计算能力来说是不低的,但也有严重缺陷,这就是中国学生的创新动力和创新能力都不足。
应该使年青人明白,500年的自然科学史表明,青年是科学发现的主力军。伽利略25岁被誉为“当代的阿基米德”。牛顿23-25 岁期间完成了他一生最重要的科学发现。莱布尼兹27岁发明微积分,伽罗华20岁创造了群论。赫姆霍兹26岁、迈耶28岁时提出了热力学第一定律。克劳修斯26岁时提出了热力学第二定律。开尔文24岁提出绝对温标,并预见到热力学第三定律的存在。麦克斯韦25岁对电磁理论作出重大改进,34岁建立起著名的电磁方程组。爱因斯坦26岁发表狭义相对论,提出光子说,36岁又发表广义相对论。历史上重大的科学发现,大都是年青人做出的。他们虽然知识不如老年人丰富,但很少保守思想,最具创新精神。
社会科学和文艺创作与自然科学不完全相同。贝多芬在47岁的时候说:“现在,我知道如何搞创作了”。而且他在47岁之后的作品,确实比以前的作品更为出色。贝多芬和莎士比亚一样,都是在晚年才达到自己艺术创作的顶峰的。
然而,不管是贝多芬、莎士比亚还是其它杰出的文学艺术家和社会科学家,都不是40岁以后才开始建功立业的。他们中的大多数,在30岁之前就已锋芒毕露,显现出耀眼的才华。莎士比亚写作《亨利四世》时只有28岁,发表《仲夏夜之梦》和《哈姆雷特》时也才36-37岁。贝多芬在30岁之前就已创作出优秀的作品,31岁时完成著名的《第一交响曲》,40岁出头完成8首交响曲和50多部其它作品。莫扎特是有名的神童。歌德25岁发表《少年维特之烦恼》,席勒21岁完成剧本《强盗》,24岁发表《阴谋与爱情》,雪莱21岁发表长诗《麦布女王》,狄更斯24岁完成《匹克威克外传》。泰戈尔15岁开始写剧本,普希金30岁之前完成了他一生中主要的诗歌创作。马克思30岁、恩格斯28岁时发表《共产党宣言》,毛泽东26岁主编《湘江评论》。亚历山大30岁左右就横扫南欧、北非和西亚,建立起横跨三洲的大帝国。诸葛亮27岁发表《隆中对》,提出三分天下的战略方针。打赢赤壁之战时,周瑜34岁,诸葛亮才28岁。
翻开历史的长卷,我们看到“自古英雄出少年”。青年人应该有志气、有抱负,完全不应在权威面前有自卑心理。应该象牛顿那样,努力站在巨人的肩上,让青春发出光辉。
青春的光辉,主要产生于勤奋而不是天才。爱因斯坦曾经说过:“在天才和勤奋之间,我毫不迟疑地选择勤奋。它几乎是世界上一切成就的催生婆”。《聊斋志异》的作者蒲松龄曾用下面的对联自勉自警:
有志者,事竟成,破釜沉舟,百二秦关终属楚;
苦心人,天不负,卧薪尝胆,三千越甲可吞吴。
清代诗人赵翼也在诗中写道:
江山代有才人出,各领风骚数百年。
轩中的这本《日出:量子力学与相对论》列举了大量科学发展的曲折经历,对增强读者的创新欲望,提高读者的创新能力,大有裨益。而且在这方面,轩中本人就做出了榜样,他像射门意识极强的足球运动员,总想把球踢进球门一样,极想做一些创新工作。由于不断地拼搏努力,他在 26岁的时候就完成了《相对论通俗演义》一书。今年正当轩中的而立之年,他又呈现给读者这本优秀的作品。
我应轩中之邀,不揣冒昧给他的新书作序,好在他的书确实是本好书。
赵峥
2011年9月于北京半读斋
序2
最早听说张轩中是在百度相对论吧,后来连载的《相对论通俗演义》出版了纸质书还特地找来阅读,听说他还借此凝聚了一些人气,开办了一个网络学校,以爱因斯坦命名普及科学。此次他的新书《日出: 量子力学与相对论》(下简称《日出》)即将出版,我很高兴地先阅读完此书,并向大家推荐。
开尔文在展望20世纪的物理学时提出了科技史上著名的两朵乌云: “动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了……第一朵乌云出现在光的波动理论上……第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦玻耳兹曼理论上……”他和当时绝大多数的物理学家一样,认为物理的大厦已经构建完成,所需要做的不过是对大厦粉刷粉饰罢了,未来的物理学者们大都可以失业了。他们所疑惑所轻视的乌云,导致了随后的科学革命,量子力学和相对论就此诞生。乌云散去,阳光普照,我们可以套用牛顿墓碑上的话来评价爱因斯坦等人: “上帝说要有光,于是他们诞生了!”
推荐序二(戴一)
《日出》就是这样一本介绍量子力学和相对论发展历程的科普书籍,但是与其他科普作品相比又有着鲜明的特点特色。霍金曾在《时间简史》里打趣“听说作品里放上一个公式,就会吓跑一半潜在的读者”,于是他只在书中放上了著名的质能方程“E=mc2”,《日出》却毫不避讳地在书中直接引用各种公式和方程,显然没有语言比数学更优美、更精确、更打动人心的了,这是本书的第一个特点,保证了作为一部科普著作必须具备的科学性,而且具备了一丝大师的视角。(这是做科学研究和科学史研究的不同,后者并不需要你在科学研究方面成为大师,具备基本素养,仔细研究分析,自己未尝不能提出一套自圆其说的理论解释历史规律,本书作者就已经开始尝试这么做了。)但是如果全是公式,就会和专业书一样枯燥乏味,于是作者力图用轻松幽默的语言来编排故事,这一点相信各位读者去看看作者之前的《相对论通俗演义》(一本和曹天元《上帝掷骰子吗——量子物理学史话》同样出色的作品)就能够体会。
从某种程度上说,本书即是《相对论通俗演义》和《上帝掷骰子吗——量子物理学史话》的合订缩略本,是它们的孩子(也难怪本书原打算命名为《相对论与量子力学遗情书》了)。作者在书中分条缕析地沿着历史的轨迹和物理上的联系,将量子力学和相对论的发展和进步——展示在读者面前。当泡利、薛定谔、爱因斯坦等人灵光一闪的时候,作者运用了自己的想象将他们的灵感具像化了,比如薛定谔是和女友你侬我侬的时候,海森堡是望着大海等待日出的时候,虽然这些都是出于想象,但是又很好地结合了推导过程,读起来相当有趣,没有亲自学习一遍推导一番大概是很难写出来的。
这也是本书最大的不同: 想象!如果其他大多数科普书是正史是《三国志》的话,这本书可能是野史、是笔记、是话本、是《三国演义》。读过《三国演义》的朋友都知道,罗贯中写三国有几个特点很鲜明: 第一是大事件大历史方向保证正确但是在小细节小情节上多有妙笔,比如空城计;第二是人物个性鲜明,立场坚决,“红脸的关公,白脸的曹操”即是如此。《日出》也具备这两个特征: 第一,物理史的大事件和逻辑推理内在联系没有问题,但是会用王小波式的幽默配上科学内涵深刻吐槽一些科学家和一些物理事件,或者如前所述加入一些花边新闻;第二,每个科学家的特点同样鲜明,比如“奥地利也是一个物理英雄辈出的国度。玻耳兹曼,以及本书后面将写到的薛定谔和泡利,他们便是来自维也纳的三剑客。依据他们的秉性,我们大概可以分别称呼他们三人为忧郁哥、多情哥和犀利哥”。三个人的性格不仅是心理学特征还带上了他们的物理学属性。
用这样的笔法写科普的不多,虽然将科普小说化也不算新鲜,比如科幻科普,国外有伽莫夫《物理世界漫游记》珠玉在前,其后层出不穷,从平面国续集《二维国内外: 数宇漫游奇历记》到最近的《三把锁的门:量子世界奇遇记》都堪称经典,国内也有《小灵通漫游记》但之后就几乎消失不见。一些小说也开始逆向走学术路线,比如《剑桥金庸武侠史》、《剑桥倚天屠龙史》。大概小说和科普自身都到了打破旧范式,寻求革命的时候了吧。这一点倒又和此书的科学革命遥相辉映,或许能从科学革命的结构中学到一点儿东西。
张轩中的科普之路一路走来,《日出》虽不能说是其集大成之作,但称为转型寻求变化之作并不为过,从《相对论通俗演义》不怎么像演义再到现在的《日出》,风格的变化显而易见。至于这种小说化的写法是否能受到大家的肯定还得大家捧场看了才知道。希望读者喜欢此书,能将历史上的物理和小说化的物理成功区分开来,甚至抛离小说化的背景仍能被物理本身打动,领略其中的天地大美。
戴一
2013年8月

媒体评论: 《日出:量子力学与相对论》把量子力学与相对论的历史做了有趣的串讲,是一本很难得的由中国的年轻人自己写的科普作品。文笔生动,可读性强。
——梁灿彬 北京师范大学教授 著名相对论专家
作者满怀浪漫瑰丽的青春激情,以富有诗情画意的史诗风范与雅俗共赏的演义风格,展现了最近两个世纪以来伟大物理学家探索大自然神奇玄奥的深层数学物理结构的波澜壮阔历程。
—— 吴新忠 上海交通大学科学史与科学文化研究院教师
作者用明晰诙谐的语言讲述了量子理论和相对论发展历程中许多引人入胜的故事。将科普与中国人文融合起来,这是一部生动而让人愉悦的作品。
——凌意,中国科学院高能物理研究所研究员
“量子力学和广义相对论恐怕是大学物理系中挂科率和逃课率最高的课程,这本书以虚实相间的风格精彩地演绎了二者发展历程中的复杂旋律,是现有专业书籍的有益补充。”
——李剑龙 浙江大学理论物理博士
现世的整个人类世界都沐浴在20世纪初物理学之“日出”——量子力学和相对论的光辉之下,虽然很多人都不愿做夸父,但相信所有人都向往光明。让我们一起和轩中兄探索光明之源吧!
——罗会仟 中国科学院物理研究所副研究员
对于没有物理背景的读者,这本书中的故事和形象而准确的比喻提供了对量子力学的一种浪漫窥视;对于有物理背景的读者,这本书对量子力学的产生和发展进行了教科书以外的有趣的梳理;而对于像我一样需要教书的老师来说,这本书提供了丰富的素材。毫无疑问,轩中的这本书,对于中国读者理解现代物理在20世纪的发展提供了一个富有魅力的特殊角度!
——吴骏 香港中文大学教师

书摘:

  第十章 海森堡:日出
  (1)
  1923年夏天的一个闷热的傍晚,云层在高空形成湍流,校园里没有一丝风,热浪让空气无语凝抑。德国慕尼黑大学的一间教室坐着几个教授模样的人,他们已经听完了一个23岁年轻人博士论文答辩。
  其中一个教授模样的人翘着二郎腿,不屑地对年轻人说:“海森堡,你这样下去是不行的啊——虽然我听说你父亲在这个大学里也是有名望的教授……但是,我们是要讲事实的,你的湍流理论缺乏实验数据的支持,模型也有问题,我在考虑要不要给你这个博士学位。”
  年轻人低着头羞涩地站在讲台边上,唯唯诺诺地说:“维恩教授,其实,关于湍流,我……” 名叫维恩教授粗暴地打断了年轻人的话,说:“别再解释,你的论文不行,你实验也不行,理论也不行,你这样混一个博士学位,对你个人的成长也很不利……。”
  年轻人似乎有点愤怒了,他的眼睛里充满委屈的愤怒光芒,血液象岩浆一样在沸腾,拳头已经紧紧地攥起来。心想老子我15岁自学微积分,高中毕业读完外尔写的相对论……海森堡听见自己的喉结在颤动,下面吐说这样的一句话来:“您说得对,维恩教授。”
  接下来,就是一次长时间的比较空洞的沉默。
  教室里静得连一根针掉在地上的声音也能听出来,慢慢地海森堡也好象中了化骨绵掌,虚汗从后背冒出来,仿佛一滴一滴掉到了地上。海森堡的导师索莫菲终于打破了这短暂的死寂,说:“维恩教授,其实,海森堡对实验技术确实缺少了解,但……依我看,他的文章还是有可取之处的……”
  海森堡感觉自己好象一个可怜虫,静静地等待着命运的审判。维恩的刁难成了他心中的刺。维恩当时已经得到诺贝尔奖,他对黑体辐射有一定的研究,得到了一个维恩位移定理,说黑体辐射最强的波长和温度之乘积是一个常数---类似于汽车在额定功率一定的时候,汽车引擎产生的拉力和汽车的速度之乘积是一个常数。
  海森堡得到博士学位以后,连夜离开了慕尼黑前往哥廷根,23岁的脸上还充满稚气,但这次博士论文答辩已经让他成熟了不少——他的人生观已经悄悄改变了,他变了,内心深处变得怨愤——没有人知道他已经长大了,心中充满了不平。他前去投靠玻恩,这事情是早已经说好了的,1922年10月他们已经认识,海森堡这次去玻恩那里相当于是去那里做博士后研究——人生若只如初见,交往越多,关系越微妙。自从投靠上玻恩以后,海森堡也渐渐地讨厌起玻恩来,到了最后,他视玻恩为寇仇,在文章里也很少提起玻恩对他的影响和鼓励,甚至在1932年诺贝尔演讲中他似乎也对“玻恩”这个人名讳莫如深——玻恩实在很委屈,他心里说:“海森堡,我和你前世无怨今世无仇,你怎么凡事都要刻意冷落我”。
  人是很为微妙的动物。
  海森堡在玻恩那里开始他新的工作。1924年复活节,他第一次去哥本哈根,但不久就回到了哥廷根。这个时候,表面上看上去有点腼腆的青年海森堡正在积蓄足够多的力量——在他心中,那个曾经的阳光大男孩,已经死去,现在活着的,是一个内心世界如静水深流的海森堡。海森堡不由地回忆起自己的青少年时代……
  19世纪末到20世纪初的电力革命让德国走在了世界最前沿,以西门子为代表的电器公司增强了德国的科技与经济实力,渐渐成为后起之秀,这个国家在很多方面已超越英法等老派帝国主义国家。可惜在俾斯麦统一德意志的时候,地球上的殖民地已经被西班牙,葡萄牙,荷兰,法国,尤其是大英帝国给瓜分干净了——那个大英帝国不是曾经号称是“日不落帝国”吗?德国只在非洲的几个贫瘠地方扶植了自己的势力。要打破前人的格局,德国联合了奥匈帝国与奥斯曼帝国组成同盟国,开始与英法对抗。英法自然不敢小视,拉拢了和德国几乎同时崛起的美国与俄罗斯组成协约国。第一次世界大战在巴尔干半岛这个火药桶的引爆下展开了。
  从1914年一战的正式开始,德国的大量的民用资源被消耗在无意义的战场上,国民经济开始崩溃,人民的生活也变得拮据。有一次海森堡因为太饿了,直接从自行车上摔了下来。众所周知,一战之后,德国战败,凡尔赛和约签署,德国把阿尔萨斯与洛林地区归还给法国,同时要承担巨额赔款,在这个时期成长起来的德国年轻人进入了食不果腹的贫穷时代。笼罩在战争失败的阴影下,慕尼黑的街头天天上演着几个政治派别的血腥搏杀,弱肉强食成为社会常态。海森堡切切实实地感受到了政治的虚伪和残忍,也许只有在自然科学才能找到那份纯真与善良。成王败寇的丛林现实让人感觉到只有让自己变得更出色,更强大才能顽强地活下来……
  (2)
  1925年5月,天空那么阴。
  北海。赫尔兰岛。
  海鸥在盘旋。
  孤岛,杂草丛生。
  海森堡戴着墨镜,脸色阴郁,走在沙滩上,用脚趾踢打浪花。他得了枯叶草病,是一种花粉过敏的病,需要在这一个没人的地方躲一段时间。
  海浪打在沙滩上,发出哗哗的响声,那么有节律,这个单调节律在海森堡听起来是一个周期运动,他的脑子里还在想这另外一个周期运动,那就是电子绕着原子核的圆周运动——这是玻尔的模型,他已经厌烦了。
  24岁的他厌烦了一切,他喜欢海浪的声音,那像是一个孤独的沉默者的哭泣,拍打着他的灵魂,他爱大海的蔚蓝和深邃,他知道海浪里还有他所研究的湍流,但现在他更关心一些简单和谐的东西,那就是月球绕着地球转,潮起潮落这些简单的周期运动。玻尔的模型那么单调,简直有些无聊,因为电子的圆周运动的轨道根本是看不到的。只有光的频率和强度,才是可观测的。24岁,嫩得像一棵草,他决定出手了——干掉玻尔!
  电子轨道?周期运动?
  电子轨道是周期性的?
  周期函数可以展开为傅里叶级数?
  展开它?
  展开以后?是频率和振幅?有意思,值得一搞?
  哦,行,就这样干,海森堡像被沙滩上的什么东西吸引住了,蹲下来,捡起了一颗美丽的鹅卵石,他将之攥到手心里,然后缓慢地站起来,用力将之抛向远处的大海。
  从海边回到他住的旅舍,洗了一个澡,他准备把刚才脑子里想到的那个东西写下来。这时候,已经是晚上了。
  等海森堡连夜写完这个傅里叶级数展开,他发现,这个傅里叶级数不应该使用正常的傅里叶级数,因为原子发光的时候,光的很多频率并不是等间隔分布的,光谱线的频率之间基本上显得杂乱无章,但这些频率也可以作为一种变异的傅里叶级数的展开频率——这就好象人民币一样,不是1元,2元,3元,4元,5元,6元……面值为等间隔的纸币都有,而是只有1元,5元,10元……这些基本面值,但同样可以那这些面值去展开任何需要支付的钱款数目。如果这种变异的傅里叶级数展开是可行的,那么两个轨道的乘积满足一个很奇怪的求和规律。这是什么呀?海森堡写到这里,就停住了,陷入迷惘之中。他觉得自己象一个迷路了的旅人,这文章意味着什么呢?
  写完文章后,已经是凌晨,东方已经露出鱼肚白,困意全无,海森堡出门,跑到远处的山崖上,静等旭日的升起。
  天边首先露出一点鱼肚白。
  海森堡的思绪仍然萦绕在那些令人困惑的量子问题上,现在他压抑已久的灵感不断迸发,潜在的革命性思想正在努力冲破传统观念的束缚。他在想,既然电子没有轨道,那么通常的位置和速度描述将不再有意义,这样看来,确实必须利用新的描述量来建立理论。玻尔的对应原理、克拉默斯的色散关系不断出现在他的脑海中,他意识自己所创造的这种变异的傅里叶级数展开也许确实可以建立一种新的力学理论。
  ……

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