在當(dāng)前的辯論中，有一方面是新引入的量子力學(xué)范式的創(chuàng)始人，包括沃納·海森堡本人，還有他的合作者沃爾夫?qū)げɡR克斯·伯恩，亨德里克·克拉默斯，路易斯·德布羅意，尼爾斯·玻爾和保羅·狄拉克。在另一邊，是經(jīng)典的確定性的范式的支持者，顯著代表是愛因斯坦，還有馬克斯·普朗克，保羅·埃倫費斯特和薛定諤。在這次會議的29位參加者中，有17位已經(jīng)或?qū)@得諾貝爾物理學(xué)或化學(xué)獎。其中還包括已經(jīng)獲得兩項冠軍的瑪麗·居里。第五屆蘇威國際電子和光子會議于1927年10月在比利時布魯塞爾舉行。自1911年成功舉行成立大會以來，索爾維會議一直致力于解決物理領(lǐng)域杰出的顯著開放問題，大約每三年舉行一次。從1913年到1961年，每一次聚會都是圍繞量子理論中的開放性問題展開的。會議由亨德里克·洛倫茲（Hendrik Lorentz）主持，于1927年召開，會議的正式主題是“光子和電子”。實際上，1927年的會議圍繞著兩個新興的物理學(xué)流派之間日益增長的爭議展開討論：被海森堡（Heisenberg）引入的新量子力學(xué)迷住的人們，以及仍然堅持被取代的確定性范式的人們。前者由尼爾斯·波爾（Niels Bohr）領(lǐng)導(dǎo)，后者由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）領(lǐng)導(dǎo)。本文通過上面這張引人注目的照片的鏡頭敘述了所謂的“量子物理學(xué)的黃金時代”的起源，突出了其在1927年第五屆索爾維會議期間最有影響力的主角及其觀點。預(yù)計閱讀時間為17分鐘。
后排
從后排的左側(cè)開始，除了一些鮮為人知的面孔外，我們還看到了一些熟悉的面孔。例如，奧古斯特·皮卡德（Auguste Piccard，1884-1962年），以瑞士物理學(xué)家，發(fā)明家和探險家而聞名，他以大膽，破紀(jì)錄的充氦氣球飛行以及發(fā)明了第一只深水船而聞名，他曾經(jīng)進(jìn)行無人潛水最早是在1948年探索海洋深處的。埃里·亨里歐（émileHenriot，1885-1961年）是瑪麗·居里（Marie Curie）的學(xué)生，是法國的化學(xué)家，首先發(fā)現(xiàn)鉀(potassium) 和銣(rubidium)是天然放射性物質(zhì)。荷蘭-奧地利物理學(xué)家保羅·埃倫費斯特（Paul Ehrenfest，1880–1933年），是愛因斯坦的親密朋友，其博士生導(dǎo)師路德維希·博爾茲曼（Ludwig Boltzmann），他對統(tǒng)計力學(xué)及其與量子力學(xué)的關(guān)系，包括相變理論，做出了重大貢獻(xiàn)。Jules-émileVerschaffelt（1870-1955）和de Donder（1872-1957）都是比利時人物理學(xué)家，后者以牛頓化學(xué)親和力概念與吉布斯自由能概念之間的相關(guān)性發(fā)展而聞名。拉爾夫·福勒（Ralph Fowler，1889–1944年）是英國劍橋的物理學(xué)家和天文學(xué)家，也許最著名的是與狄拉克（Dirac）監(jiān)督并合作研究白矮星的統(tǒng)計力學(xué)，以及將狄拉克（Dirac）引入量子理論并通過尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）使狄拉克（Dirac）和海森堡（Heisenberg）彼此保持聯(lián)系（這三位成員也出席了會議）。里昂·布里淵（Leon Brillouin，1889–1969年）是法國物理學(xué)家，他在論文發(fā)表前發(fā)表了關(guān)于固體量子理論的論文，并在會議的前一年與格雷戈爾·溫策爾（Gregor Wentzel，1898–1978年）和亨德里克·克拉默斯（1894–1952年）獨立發(fā)展作為Wentzel-Kramers-Brillouin近似，用于找到具有空間變化系數(shù)的線性微分方程的解。除了這些才華橫溢的人，就我們的故事而言，與他們?nèi)齻€有關(guān)：
- 維爾納·海森堡（1901-1976年）
- 沃爾夫?qū)け＠╓olfgang Pauli，1900-1958年）
- 埃德溫·薛定諤（1887–1961）
維爾納·海森堡
現(xiàn)年26歲的德國物理學(xué)家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg），他在1925年突破性論文《量子力學(xué)對運動和機械關(guān)系的重新解釋》奠定了矩陣力學(xué)的基礎(chǔ)，這是第一個概念上自主的以及量子力學(xué)在邏輯上一致的表述。據(jù)報道，海森堡與沃爾夫?qū)け＠╓olfgang Pauli）的往來書信一直在花粉病恢復(fù)期間進(jìn)行研究。目的是試圖通過可觀察到的參數(shù)（例如，量子躍遷的躍遷概率）來描述一維非諧振蕩器的能級（Segrè，1980）。海森堡于1925年7月將該論文發(fā)送給了馬克斯·伯恩（Max Born），以進(jìn)行審查并決定是否應(yīng)將其提交發(fā)表。該論文于同年9月在《物理雜志》上發(fā)表。在二年后的2月份，海森堡完成了他的下一個革命性的論文《關(guān)于量子運動學(xué)和力學(xué)的描述性內(nèi)容》，其中他以草案形式介紹了海森堡不確定性原理。
“即使從原則上講，我們也不能完全了解現(xiàn)在。因此，觀察到的一切都是從眾多可能性和對未來可能性的限制中選擇的……。確定的位置越精確，在此刻已知的動量就越少，反之亦然。” -海森堡（1927）
海森堡的不確定性原理主要由數(shù)學(xué)上的不等式組成，這些不等式斷言，對于某些特定的粒子物理特性對，其精度存在根本性的限制。結(jié)合他對矩陣力學(xué)的介紹，該論文出版幫助海森堡獲得了1932年諾貝爾物理學(xué)獎。
沃爾夫?qū)げɡ?/h2>
在海森堡（Heisenberg）于1925年發(fā)表論文介紹現(xiàn)代量子力學(xué)的矩陣論之后不久，他的合作者，出生于奧地利的沃爾夫?qū)け＠╓olfgang Pauli）在他的論文《從新的量子力學(xué)的角度看氫譜》，因此為海森堡理論提供了第一個驗證。正如Pauli在論文摘要中解釋的那樣：
“證明了具有單個電子的原子的巴爾默項是由新的量子力學(xué)正確產(chǎn)生的，并且在舊理論中出現(xiàn)的困難…在新理論中消失了。”
關(guān)于這項工作，麥克斯·伯恩（Max Born）稍后會說，從保利的計算發(fā)表之時起，“物理學(xué)家對理論（指量子力學(xué)）的正確性不再有任何疑問”（Born，1956年）。
歐文·薛定諤
到1927年會議召開時，傳奇的奧地利物理學(xué)家薛定諤已有40歲，并已成為正式教授六年，首先是弗羅茨瓦夫大學(xué)，然后是蘇黎世大學(xué)。會議召開時，他剛剛接替了馬克斯·普朗克（Max Planck）柏林弗里德里希·威廉大學(xué)（Friedrich Wilhelm University）的職位。現(xiàn)在，薛定諤這個名字可能是他后來對流行的量子力學(xué)思想實驗“ 薛定諤的貓 ”的表述而聞名的。然而，他對物理學(xué)的最重要貢獻(xiàn)是在1926年發(fā)表了他的論文《量化為特征值問題》，其中薛定諤引入了所謂的薛定諤方程，該方程描述了量子力學(xué)系統(tǒng)的波函數(shù)。從而為后來的波動力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。著名的是，盡管薛定諤在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)揮了重要作用，但他對它的含義從未完全滿意，他后來寫道：“我不喜歡它，對不起，我不想與它有任何關(guān)系”。他對薛定諤的貓的主張實際上是在嘲笑物理學(xué)的非確定性觀點。
中排
繼續(xù)到中間行，再次從左邊我們看到另一位諾貝爾獎獲得者，荷蘭化學(xué)家彼得·德拜（Peter Debye，1884–1966），他主要因?qū)⑴紭O矩的概念應(yīng)用于不對稱分子的電荷分布而聞名。在他的直接左邊，我們看到馬丁·克努森（1871年至1949年），為他的分子氣體流的研究和開發(fā)的著名丹麥物理學(xué)家努森池，和勞倫斯·布拉格（1890年至1971年），英國物理學(xué)家，開拓X-射線晶體學(xué)家和1915年諾貝爾獎獲得者。除狄拉克（Dirac）外，還出現(xiàn)了1927年諾貝爾獎獲得者，美國物理學(xué)家亞瑟·康普頓（Arthur Compton，1892–1962年），他倆都因發(fā)現(xiàn)黑星而聞名。康普頓效應(yīng)證明了電磁輻射的粒子性質(zhì)以及他后來對曼哈頓計劃的貢獻(xiàn)。保羅·蘭格文（Paul Langevin）（前排）的學(xué)生路易斯·德布羅意（Louis de Broglie，1892-1987年）也在那里。德布羅意（de Broglie）是第一個（在他的1924年博士學(xué)位論文中）假設(shè)電子的波性質(zhì)并暗示所有物質(zhì)都具有波性質(zhì)的人。現(xiàn)在被稱為“ 德布羅意假設(shè) ”，這是德布羅意的想法，薛定ding在波羅力學(xué)的表述中就使用了這一觀點。在1927年通過戴維森-杰默（Davisson-Germer）實驗進(jìn)行實驗驗證后，德布羅意（De Broglie）于1929年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。除了這些才華橫溢的人之外，我們再次將注意力集中在少數(shù)幾個在早期量子理論的闡述中尤為突出的人。其中
- 尼爾斯·波爾（1885–1962）
- 亨德里克·克拉默斯（1894–1952）
- 麥克斯·伯恩（1882–1970）
- 保羅·狄拉克（Paul Dirac）（1902–1984）
尼爾斯·波爾（Niels Bohr）
尼爾·玻爾（Niels Bohr）在會議召開時享年42歲，他當(dāng)然是丹麥物理學(xué)家，以他（和歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford））于1913年提出的原子玻爾模型公式聞名，該公式提出電子的能級是離散的，并且電子在原子核周圍以穩(wěn)定的軌道旋轉(zhuǎn)，但可以從一個能級（軌道）跳到另一個能級。該模型在1922年贏得了玻爾（Bohr）的諾貝爾物理學(xué)獎。在30年代，他曾幫助難民擺脫了納粹主義。丹麥被德國人占領(lǐng)之后，他親自游說海森堡（當(dāng)時是德國核武器計劃的負(fù)責(zé)人），談?wù)摵藨?zhàn)爭的影響。他也是英國對曼哈頓項目的訪問的一部分，后來參與了在日內(nèi)瓦建立歐洲核子研究組織的工作。會議之前，海森堡一直在哥本哈根大學(xué)玻爾理論物理研究所擔(dān)任講師。玻爾已將海森堡的論文介紹給愛因斯坦，介紹了不確定性原理。在會議期間，玻爾領(lǐng)導(dǎo)辯護(hù)，通過對愛因斯坦的批評來捍衛(wèi)海森堡的工作含義，愛因斯坦通過現(xiàn)在著名的“狹縫實驗”說明了他的批評：
思想實驗：狹縫實驗
考慮一個粒子穿過寬度為d的狹縫。由于粒子穿過壁，因此狹縫引入了大約h / d的動量不確定性。但是，讓我們通過測量墻的后坐力來確定粒子的動量。通過這樣做，我們通過保持動量找到了粒子的動量達(dá)到任意精度。
玻爾的反應(yīng)很簡單：他認(rèn)為光子穿過的壁確實也是量子力學(xué)系統(tǒng)。這樣，為了將壁的反沖力測量到精度為Δp，還必須在粒子通過之前以該精度知道壁的動量。這意味著在這種精確度下，壁的位置實際上也是不確定的，就像粒子穿過壁時一樣。這樣，狹縫的位置等于h /Δp，并且如果精確地知道墻的動量足以測量后坐力，則根據(jù)海森堡的不確定性原理，狹縫的位置將具有足夠的不確定性，無法測量其位置。玻爾在辯論中的勝利以及他與哥本哈根大學(xué)海森堡的密切關(guān)系導(dǎo)致以海森堡，玻爾，博恩等人為首的非確定性觀點的口語命名為量子物理學(xué)的“ 哥本哈根解釋 ”。
亨德里克·克拉默斯
居中排的還有荷蘭物理學(xué)家亨德里克·克拉默斯（Hendrik Kramers，1894-1952年），他曾在哥本哈根的玻爾（Bohr）擔(dān)任博士學(xué)位。候選人，后來在萊頓的埃倫費斯特。在海森堡在1925年提出量子力學(xué)之前，克雷默斯與他合作開發(fā)了所謂的克雷默斯-海森堡色散公式，該公式表示電子散射光子的橫截面，這對于建立海森堡1926年的結(jié)果至關(guān)重要。保羅·狄拉克
到現(xiàn)在為止，出席會議的著名物理學(xué)家之一是保羅·狄拉克（Paul Dirac），當(dāng)時25歲，是劍橋大學(xué)拉爾夫·福勒（Ralph Fowler）（后排）的研究員。前一年，他以有關(guān)海森堡量子力學(xué)的第一篇論文完成了博士學(xué)位。Dirac的貢獻(xiàn)使他獲得了博士學(xué)位。發(fā)生在1925年。他的上司（Fowler）收到了海森堡論文的證明副本，他在其中首次介紹了矩陣力學(xué)，并將其交給狄拉克供他檢查。狄拉克注意到了一種奇怪的數(shù)學(xué)關(guān)系，后來他意識到，它與經(jīng)典的粒子運動動力學(xué)中的泊松括號具有相同的結(jié)構(gòu)。這一認(rèn)識導(dǎo)致他引入了基于非交換動態(tài)變量的量子理論，這使他獲得了新穎而有啟發(fā)性的量化規(guī)則（從物理學(xué)的經(jīng)典理解過渡到量子理解的過程），即所謂的規(guī)范量化程序。他的規(guī)則結(jié)合了海森堡的矩陣力學(xué)和薛定s的波浪力學(xué)的思想，并表明它們實際上是等效的。正如他的仰慕者和劍橋大學(xué)盧卡斯數(shù)學(xué)教授一樣，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）后來寫道：“在現(xiàn)代量子力學(xué)的三位創(chuàng)始人中，海森堡和薛定er可以聲稱對這一理論有初見。但這是狄拉克（Dirac）將它們放在一起并揭示出整個畫面的結(jié)果。索爾維會議之后的一年，狄拉克（Dirac）獨立于保利（Pauli），發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)在稱為狄拉克方程（Dirac equation），該方程描述了所有奇偶性都是對稱的自旋?質(zhì)量粒子，例如電子和夸克。該發(fā)現(xiàn)是第一個暗示存在反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，僅在數(shù)年后通過實驗證實了這一點。狄拉克將繼續(xù)與Schr?dinger分享1933年諾貝爾物理學(xué)獎，“以發(fā)現(xiàn)原子理論的新生產(chǎn)形式”。
馬克斯·伯恩
最后，在中間一排，我們還發(fā)現(xiàn)了德國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家馬克斯·伯恩（Max Born，1882-1970年），盡管他不像海森堡那樣出名，但在矩陣力學(xué)的發(fā)展以及后來使用的概率密度函數(shù)的制定方面發(fā)揮了重要作用由。會議的前一年，正是鮑恩在回應(yīng)海森堡1925年的出版物時提出，量子力學(xué)最好由概率來理解。現(xiàn)在簡單稱為“ 伯恩法則 ”（Born rule），給出了量子系統(tǒng)上的測量將產(chǎn)生給定結(jié)果的可能性。它是Born于1926年在《關(guān)于碰撞的量子力學(xué)》中首次提出的。在本文中，Born解決了散射問題的薛定諤方程。現(xiàn)在，該規(guī)則被認(rèn)為是量子力學(xué)的基本定律。到1927年10月召開會議時，博恩和海森堡對他們的結(jié)果非常有信心，以至于他們宣稱量子力學(xué)“是完整且不可撤銷的”：
當(dāng)我們考慮對電磁場進(jìn)行量子力學(xué)處理時（尚未完成），我們認(rèn)為量子力學(xué)是一個封閉的理論，其基本物理和數(shù)學(xué)假設(shè)不再易受任何修改。“因果關(guān)系法則的有效性”我們有這樣的觀點：只要人們只考慮位于我們當(dāng)前獲得的物理和量子力學(xué)經(jīng)驗范圍內(nèi)的實驗，則原則上不確定性的假設(shè)（這里被視為基本假設(shè)）是一致的有經(jīng)驗。-Born＆Heisenberg（1927）。第五屆索爾維大會論文集
前排
最后，照片的前排主要由（當(dāng)時）年齡較大的物理學(xué)家控制，其中一些人從事量子物理學(xué)工作，而有些人則沒有。夫人瑪麗·居里（1867-1934），在誰曾在兩個物理（1903年）和化學(xué)（1911）獲得了諾貝爾會議的唯一的人，從來沒有工作過的量子理論。相反，她在放射性的性質(zhì)和性質(zhì)以及發(fā)現(xiàn)鐳和po元素以及成功地隔離和研究前者的性質(zhì)方面做了巨大的工作。同樣，會議主席亨德里克·洛倫茲（Hendrik Lorentz，1853年至1928年），盡管他在1926年曾在康奈爾大學(xué)（Cornell University）進(jìn)行過有關(guān)量子物理學(xué)的系列講座，但從未親自發(fā)表過有關(guān)該主題的研究。歐文·蘭格繆爾（Irving Langmuir，1881-1957年）是美國化學(xué)家和物理學(xué)家，他因在表面化學(xué)領(lǐng)域的研究而獲得1932年諾貝爾獎。現(xiàn)在，法國物理學(xué)家保羅·蘭格文（Paul Langevin）（1872-1946）因其對蘭格文動力學(xué)和蘭格文方程的發(fā)展而聞名，同時也是路易斯·德布羅意（Louis de Broglie）和萊昂·布里淵（LéonBrillouin）的監(jiān)督者（目前）。瑞士物理學(xué)家Charles-EugéneGuye在他的左邊（1866–1942）是愛因斯坦在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的老師之一，他的實驗結(jié)果是最早支持洛倫茲和愛因斯坦關(guān)于狹義相對論的預(yù)測的實驗之一。蘇格蘭的查爾斯·湯姆森·里斯·威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson，1869年至1959年）是物理學(xué)家和氣象學(xué)家，他因發(fā)明了所謂的云室（一種用于可視化電離通道的粒子檢測器）而贏得了當(dāng)年的諾貝爾獎。輻射。第二年，諾貝爾獎授予威爾遜左翼的人歐文·理查森（Owen Richardson，1879–1959年），他是英國物理學(xué)家，以在熱電子發(fā)射和理查森定律的推導(dǎo)方面的工作而聞名。但是，在我們的辯論中，最重要的是，最前面的是兩名年長的男人：
- 馬克斯·普朗克（1858–1947）
- 阿爾伯特·愛因斯坦（1879–1955）
馬克斯·普朗克
較老的普朗克在建立量子物理學(xué)中起著至關(guān)重要的早期作用，他于1900年提出了著名的普朗克黑體輻射定律或簡稱普朗克定律。愛因斯坦（Einstein）和薛定諤（Schr?dinger）后來在他們的諾貝爾獎獲獎?wù)撐闹惺褂昧似绽士硕桑枋隽撕隗w在熱平衡狀態(tài)下發(fā)出的電磁輻射的光譜密度。從本質(zhì)上講，他是一個保守的頭腦；他對革命一無所知，并且對投機行為完全持懷疑態(tài)度。但是，他對事實證明邏輯推理的強大力量的信念是如此強烈，以至于他沒有畏縮于宣布最革命的想法曾經(jīng)動搖過物理學(xué)。
艾爾伯特愛因斯坦
最后，當(dāng)然，前面是阿爾伯特·愛因斯坦（1879–1955）。在這一年48歲的時候，愛因斯坦通過引入特殊和廣義相對論，質(zhì)量能等價物以及光電效應(yīng)的性質(zhì)等方法，對物理學(xué)進(jìn)行了多次革命。他早在1921年就已獲得諾貝爾獎，但是在海森堡（Heisenberg）在1925年發(fā)表的介紹矩陣力學(xué)的論文之后，就對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展方向感到不滿。堅定的決定論者，他著名的詩句
是在蘇威會議期間與玻爾對峙時制作的。兩人對該主題的著名和公開辯論一直持續(xù)到1935年發(fā)表了所謂的《愛因斯坦-波多爾斯基-羅森》（Einstein-Podolsky-Rosen）論文，題為《對物理現(xiàn)實的量子力學(xué)描述》可以被認(rèn)為是完整的嗎？無論如何，我深信上帝他不玩骰子。—愛因斯坦
會議一年后，盡管有分歧，但愛因斯坦還是提名海森堡和博恩獲得諾貝爾獎。后來他還提名沃爾夫?qū)け＠╓olfgang Pauli）（1945年）。盡管他們很少見面或交流非常頻繁，但愛因斯坦和玻爾的相互欽佩仍然存在，正如愛因斯坦的秘書海倫·杜卡斯（Helen Dukas）稍后所說：
“他們熱烈而深愛著彼此”
