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被忽視的矩陣力學,玻恩遲來的諾貝爾獎

發布時間:2025-10-22閱讀(3)

1925年,海森堡在一個小島上度假時,突然想到了一個新的思路,他認為量子力學應該只描述可以被觀測的物理量,而不是不可觀測的軌道。他用這個思路重新推導了氫原子的能級,得到了正確的結果,但是他的計算方法非常復雜和模糊,他自己也不清楚他到底做了什么。他把他的想法寫成了一篇論文,寄給了玻恩,希望玻恩能夠幫助他理清思路。

玻恩是海森堡的老師,也是一個數學高手,他很快就發現了海森堡的方法的本質,那就是矩陣代數。玻恩意識到,海森堡的方法其實是把物理量表示成矩陣,然后用矩陣的運算規則來計算它們的變化和關系。玻恩把這個想法告訴了他的助手約旦,兩人一起把海森堡的方法系統化和推廣,寫成了一篇論文,發表在了1925年9月的雜志上。

這篇論文是矩陣力學的第一篇論文,它提出了一個重要的原理,就是玻恩-約旦對易關系,它表明了不同的物理量之間存在著一個基本的不確定性,這個不確定性是量子力學的核心特征之一。玻恩和約旦的論文引起了海森堡的興趣,他馬上加入了他們的合作,三人一起寫了一篇更長更全面的論文,發表在了1926年1月的雜志上。這篇論文是矩陣力學的第二篇論文,它把矩陣力學應用到了更多的物理系統,也給出了一些新的結果,比如選擇定則和躍遷概率。

這兩篇論文就是矩陣力學的基礎,它們在物理學界引起了很大的反響,也遭到了很多的質疑和批評。有些人認為矩陣力學太抽象太復雜,不符合物理學的直觀和實驗,也不容易理解和推廣。有些人認為矩陣力學只是一種數學技巧,沒有揭示量子現象的本質和原理,也沒有給出一個清晰的物理圖像。有些人認為矩陣力學是不完整的,因為它沒有考慮電磁場的量子化,也沒有解決相對論的問題。這些批評和質疑使得矩陣力學的發展受到了阻礙,也使得玻恩和他的合作者感到了困惑和沮喪。

就在這個時候,另一個物理學家出現了,他就是薛定諤。薛定諤是一個奧地利的物理學家,他對量子力學也很感興趣,但是他不喜歡矩陣力學,他認為矩陣力學太難太抽象,他想找到一個更簡單更直觀的方法。他的靈感來自于德布羅意的物質波假說,德布羅意在1924年提出了一個大膽的想法,他認為所有的物質都具有波動性,而且物質的波長和動量成反比。

薛定諤覺得這個想法很有意思,他想知道物質波是如何變化和傳播的,他用波動方程來描述物質波,得到了一個著名的方程,就是薛定諤方程。他用這個方程解決了一些量子力學的問題,比如氫原子的能級,得到了和矩陣力學相同的結果,但是他的方法更簡單更直觀。他把物質波叫做波函數,他認為波函數是一個實在的物理量,他把波函數的模方解釋為物質波的密度。

這個解釋看起來很合理,但是它有一個嚴重的問題,就是它不能解釋波函數的疊加和干涉現象。如果兩個波函數疊加在一起,它們的模方并不等于兩個波函數的模方之和,而是要考慮它們的相位差,這就導致了一些奇怪的結果,比如波函數的模方在某些位置為零,這意味著物質在那里完全不存在,這和物質的連續性和守恒性相矛盾。

為了解決這個問題,玻恩提出了一個不同的解釋,他認為波函數并不是一個實在的物理量,而是一個數學的工具,它代表了我們對量子系統的知識和預測。他把波函數的模方解釋為觀測概率,也就是說,波函數的模方在某個位置的值,表示了我們觀測到物質在那個位置的概率。這個解釋可以解釋波函數的疊加和干涉現象,因為它們只是反映了我們的不確定性和概率干涉,而不是物質的實際狀態。

玻恩的解釋也可以解釋量子力學的另一個奇妙的現象,就是波函數的坍縮。波函數的坍縮是指當我們對量子系統進行觀測時,波函數會突然從一個分布變成一個確定的值,這個值就是我們觀測到的結果。玻恩認為,這個過程并不是物質的真實變化,而是我們的知識的更新,因為觀測后,我們就知道了量子系統的狀態,所以波函數就不再是一個分布,而是一個確定的值。

玻恩的解釋被稱為波函數的統計解釋,或者玻恩規則,它是量子力學的一個基本假設,也是量子力學的標準解釋。玻恩在1926年6月發表了他的解釋,他的解釋得到了很多物理學家的支持和贊賞,比如玻爾,海森堡,泡利等。但是,也有一些物理學家對玻恩的解釋不滿意,比如薛定諤,他認為玻恩的解釋太主觀太隨意,他認為波函數應該有一個更深刻的物理含義,他試圖找到一個更好的解釋,但是沒有成功。

玻恩的統計解釋是量子力學的一個重要的里程碑,它為量子力學的發展和應用奠定了基礎。然而,玻恩的貢獻仍然沒有得到足夠的重視。在1933年,玻恩因為是猶太人而被迫離開了德國,他流亡到英國,繼續從事物理學的教學和研究。在當時,諾貝爾物理學獎相繼被授予了海森堡、薛定諤和保羅·狄拉克,他們都是量子力學的先驅和領導者。玻恩卻沒有被提名,他的矩陣力學和統計解釋被忽略了,玻恩對此感到非常失望和不滿。

玻恩的不滿終于在1954年得到了一些安慰,當時他的老朋友愛因斯坦給他寫了一封信,稱贊他的矩陣力學是“最偉大的物理學成就之一”。愛因斯坦還說,他希望玻恩能得到諾貝爾獎,因為他“比任何人都更值得得到它”。玻恩對愛因斯坦的信感到非常感動,他把這封信保存了下來,作為他的一份寶貴的財富。

玻恩的希望終于實現了,當時他和沃爾特·鮑特一起獲得了諾貝爾物理學獎。玻恩獲獎的理由是“對量子力學的統計解釋的貢獻”,而不是對矩陣力學的創立。玻恩對此感到有些遺憾,他認為矩陣力學是他的最重要的工作,而統計解釋只是它的一個自然的推論。玻恩還覺得他的獎勵來得太晚了,他已經是一位白發蒼蒼的老人了,他的許多同事都已經去世了,他沒有機會和他們分享他的榮譽。玻恩在領獎演講中說:“我感到非常孤獨,因為我沒有能夠和我的老朋友們一起慶祝這個獎勵,他們都是量子力學的創始人和發展者。”

玻恩的故事告訴我們,科學的發展并不總是公平和順利的,有時候,一個偉大的科學家的貢獻可能會被忽視或誤解,甚至被剝奪或抹去。玻恩的矩陣力學是一個典型的例子,它是量子力學的基石,但卻被波動力學所掩蓋。玻恩的統計解釋是一個重要的突破,但卻引起了一場無休止的爭論。玻恩的諾貝爾獎是一個遲來的認可,但卻沒有完全反映他的功績。

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