《日出:量子力学与相对论》试读:1、孤儿:两个钻石王老五

(1) 1799年,法国的拿破仑(Napoléon Bonaparte,1769—1821)正在准备一场旷日持久的战争,其第一阶段的目的是称霸欧洲。德国南部巴伐利亚州的一个12岁的少年刚刚失去双亲,他的苦难人生已经开始,他的父亲,是一个磨玻璃镜片的工匠,早早逝去。弗朗禾费 这个少年就是弗朗禾费(Joseph von Fraunhofer,1787—1826)。孤苦伶仃的弗朗禾费1799年8月23日离开了自己的故乡,来到慕尼黑一家玻璃作坊里开始了工作。他有一个严厉的师傅,除了玻璃方面的工作,弗朗禾费每天还要在师傅家里做家务。 劳动对于弗朗禾费来说也不算什么,真正令爱学习的他痛苦的是师傅不准他晚上点灯夜读。还禁止他去专门针对手工阶层的孩子所办的假日学校学习。1孤儿:两个钻石王老五日出: 量子力学与相对论 SUNRISEA story of the Quantum theory〖〗and Relitivity00[]001801年7月21日,师傅家的房子突然倒塌,师母在这次事故中丧生。庆幸的是,弗朗禾费在事故发生4小时后在废墟中被发现,他几乎是毫发未损。这个大难不死的少年长大后成为一个著名物理学家,和牛顿一样终身未婚,甚至没有情人。他的私人生活也好像是一个谜,他公开的身份是一家光学仪器公司的经理。如果没有个人的努力,作为穷二代的他很有可能将继承他父亲的职业,成为一个磨镜片的工匠。但他奇迹般扼住了命运的咽喉。 1806年,一个叫乌茨施耐德的人开了一家光学仪器公司,他雇佣弗朗禾费为工厂工作。乌茨施耐德给弗朗禾费提供了凯斯特纳(Abr aham Go tthelf Kastner)、克吕格尔(Georg Simo n Kiug el)和普里斯特李(JosephPriest ley)等人所著的光学课本。弗朗禾费加入工厂后的第一个任务就是打磨和抛光光学元件。 “上天给了我多少时间?”弗朗禾费心想,我命由我不由天,我得干点事情出来,“牛顿用棱镜做成了分光计,看到了七色阳光。那我应该怎么做才能站在牛顿这个巨人的肩膀之上?” 弗朗禾费慢慢积累自己的经验,苦苦思索。1813年,在一次光学实验中,弗朗禾费改装了经纬仪。他在原始经纬仪的物镜前加入了一块棱镜,棱镜会将白色光折射成组成它的彩色光和太阳光谱的黑色线,通过调整经纬仪与黑色线之间的交叉影线,就可以获得每条黑色线的非常精确的角度。弗朗禾费在暗室的百叶窗上开了一条狭小的缝隙,太阳光可以透过缝隙照射在棱镜上,透镜后面是经纬仪的小望远镜,这种仪器所展现的光谱与他在灯光光谱中看到的亮线不同的是,太阳光谱中出现了很多条黑线,这种暗线前后共有574条,他把最明显的26条从A到Z按顺序编排,这就是一直沿用至今的“弗朗禾费暗线”。长时间的孤独探索,已经使他成为一个典型的技术宅,他的实验能力得到了充分发挥,有了自己的光学实验室,发现太阳光谱中的这一年,他26岁。26岁,是判断一个物理学家能不能青史留名的关键年份,一般来说,26岁之前出名的物理学家,多数有两把刷子,不可能靠忽悠欺世盗名,比如爱因斯坦就是26岁的时候发现了狭义相对论和布朗运动的统计秘密,从而奠定了自己的江湖地位。 这些黑线,到底是怎么产生的呢?为什么会这样? 弗朗禾费黑暗线的波长主要有486nm,527nm,589nm,656nm,688nm,760nm,这些黑暗线其实是由于太阳大气对光谱的吸收,一般来说,弗朗禾费暗线宽度不到1nm——要探测到这些暗线,所需要的光谱仪器需要较高的分辨率。其实,后来人们可以看到,地球大气也能对太阳光形成吸收,一般的光谱仪能够探测到688nm和760nm这两个地球上的氧气对太阳光的吸收形成的弗朗禾费暗线。可惜的是,弗朗禾费黑暗线的重要性一直没有被物理学历史学家隆重指出,人们对弗朗禾费的宣传,也往往只停留在单缝衍射上,弗朗禾费单缝衍射是被所有的《光学》教材提及的。而弗朗禾费黑暗线实际上是必须用量子力学才能解释的现象——这是人类历史上第一次看到量子力学的背影。 从历史的角度来看,这个时候的德国著名数学家高斯(Johann Carl Friedrich Gauss,1777—1855)也还很年轻,他只比弗朗禾费大10岁。当他还是一个22岁的青年的时候,他完成了博士论文,证明了代数基本定理——这个定理说,n次多项式方程总有n个复数根。在高中的时候,大家一定已经学过一元二次方程的求根公式,高斯证明的这个代数基本定理是一元二次方程的一个推广,该定理表明只要是多项式方程总是存在着解,你根本不需要担心方程在复数范围内会没有解。不过这个定理并没有说明如何寻找到那些解——如何寻找那些解答的程序成为历史悬念,后来被两个年轻小孩解决,一个是阿贝尔(N.H.Abel,1802—1829),一个是伽罗华(E.Galois,1811—1832)。高斯的这个定理在数学上叫做存在性的证明,虽然不具有操作性,但一般也是非常深刻的。高斯证明的这个定理不但使得他的博士学位含金量奇高,而且也可以用到以后出现的量子力学理论中,因为这个定理表明,一个n乘n的矩阵,它的特征多项式就是一个n次多项式方程,这个方程有n个根。而这n个根,往往就是一个量子力学系统的离散特征值。 高斯是这个早期英雄时代的主旋律,他的思想博大精深,对数学和物理都有研究,因此他就好像是一条长江,是主流。而其他的英雄人物,则构成了他的支流。 高斯时代的另外一条支流,是同时代在法国的傅里叶(Jean Baptiste Joseph Fourier,1768—1830)。 这个傅里叶并非那个空想社会主义学家傅里叶,而是一位著名的数学家,半个物理学大师。用傅里叶的话来讲,弗朗禾费实际上是发现了连续频谱之中缺失的几根小线条(这些离散的线条可以看成是离散谱线)。不过当时他们在两个敌对的国家,一个是法国人,一个是德国人,命运各自流转,天各一方,也没有国际交流的机会,因此,彼此不了解对方所做的学问。 傅里叶其实也研究太阳光,他是万般渴望温暖的人,更广义地说,他研究的是温度和热量…… 温度和热量,这在那个时代对数学家来说,还是很不容易搞清楚的几个物理概念!他们中的代表人物傅里叶,却要在这条路上走进一个神秘莫测的世界…… (2) 很多年以后,当傅里叶在官场几经宦海沉浮,在拿破仑与路易十八的城头变换大王旗下左右摇摆如墙头草,打击掉各种政治对手时,他是否还能回想起1789年跟着拿破仑远征埃及的那段青葱岁月…… 金字塔在沙漠里苍凉地矗立,冷峻而斑驳,漫天是飞舞的黄沙,让人睁不开眼睛,大漠的落日下,戈壁滩上有几只乌鸦在天际盘旋,似乎在寻找战死沙场的尸体……一个30岁的青年用他那凝重的眼神深邃的双眸望着金字塔的狮身人面像出神,他的胡子已经很长,脸上写满风尘的疲惫。 金字塔前思索的科学家绘画: 贾宁 这个时候的傅里叶不是一个文艺青年,而是一位数学家、物理学家。傅里叶在很小的时候就失去了双亲,在贫穷中度过少年时代,在免学费的军校里读书成长。 拿破仑那次远征埃及,带着一个庞大的学者团,一共有165位学者和专家,其中研究方向有地质、植物、动物、数学、物理等,各行各业,无不涵盖。拿破仑还册封自己为“法国科学院院长”,仿佛这次他不是来打仗,而是来搞学术研究的。傅里叶只不过是165名学者专家中的一位,他与著名数学家蒙日一起,主管军队的文化宣传工作。他本来也许不会在历史上留下名字,但这次埃及之行改变了他的命运: 他得病了。埃及热带气候里的蠹虫和蚊子使得他得了一种很严重的病,这种病叫黏液水肿——一种让人总是感觉寒冷的疾病——也许是一种疟疾吧。 从法国到埃及的这次远征一事无成,傅里叶 但改变了傅里叶,他得了那个病以后,总觉得非常寒冷。于是,3年以后,当他从埃及回到法国,他被拿破仑任命为地方行政长官。在夏天他也要穿着厚厚的棉袄。因为实在是太冷了,冷得实在受不了的时候,他决定研究一下地球是如何获取热量的。如果他不叫傅里叶,学术界也许会忘记这个问题。当时傅里叶得出的结论是: 尽管地球确实将大量的热量反射回太空,但大气层还是拦下了其中的一部分并将其重新反射回地球表面,所以,地球上的大气层有保温的效果。 傅里叶每天花大量的时间研究热量的传播问题,并提出了处理这种热量传递的数学工具: 热传导方程。这个事情其实也不难,因为当时与拿破仑关系很不错的另外一位数学家拉普拉斯也提出了一个描写引力势能的偏微分方程,叫位势方程。傅里叶的热传导方程与位势方程的样子长得也差不多,前者是抛物型的方程,后者是椭圆型的方程。 他根据这个热传导的方程出版了一本很重要的书,堪比前辈牛顿的《原理》。这足够验证一句古诗“江山代有才人出,各领风骚数百年”。傅里叶的书影响了一代又一代人。书的名字就叫《热的解析原理》。在这本书中,他基本发明了一种新的方法,也就是频谱分析的方法。 傅里叶研究了热传导的问题以后,意犹未尽,顺便也研究了一下热辐射问题,比如说一个炉子所发生的热辐射到底满足什么物理规律。不过在这个热辐射问题上他完全没弄清楚是怎么回事——这就留给普朗克这些后来人来完成了。 在傅里叶的著作中他提到了一个很重要的概念,这个概念就是“傅里叶变换”。就好像白色的太阳光通过光栅或者棱镜可以色散为七色彩虹一样,傅里叶变换其实就是把任何一个信号转换成光谱的形式。光谱具有不同的频率,所谓频率,其实是单位时间内完成振动的次数,是描述振动物体往复运动频繁程度的量。傅里叶变换就是把振动随时间的复杂变化,转化为几个特征频率的线性组合。 同时在量子力学中,傅里叶变换也是把坐标表象和动量表象联系起来的工具,换句话说,傅里叶变换和矩阵一样是量子力学发展历史上一个绕不过去的存在。 写完《热的解析原理》这本奇书,傅里叶就不再做学问了,他开始更加努力地走行政路线。他在官场里浮沉,担任一个地区的行政长官,他的职责包括征税,征兵,执法,执行巴黎政府的其他命令,撰写政府工作报告。 (3) 弗朗禾费和傅里叶一样,都没有结婚。他后来成为一家光学仪器公司的总经理,销售他们公司自己做的光栅。虽然生活还算宁静,但太阳光里的离散暗线来源似乎是一个不小的难题,难住了弗朗禾费以及其他的很多人,这是新时代巨人扣开房门之前的沉闷脚步声。上天并没有给弗朗禾费更多的时间,作为光学家的弗朗禾费在有生之年还匆匆地干了不少事情,除了制造光谱仪,他留下了平行光线通过一个狭缝以后留下的衍射花纹——弗朗禾费衍射花纹。虽然早在中国的春秋战国时代,墨子他们已经发现,光线通过狭缝的时候,有的时候会出现小孔成像——在读初中物理的时候,我们就知道,这是“倒立的实像”。这事情只被做了一半,到了后来,弗朗禾费他们就注意到,如果这个狭缝开得很小很小,那么就可以看到衍射花纹,就是太阳光照到肥皂泡之上的那种五颜六色的花纹。 39岁那年,终生未婚的弗朗禾费离开了这个色彩斑斓的世界。他再也看不到这个世界的阳光和暗线。 当1807年已经凝固在时空长廊里,经常感觉寒冷的傅里叶正在油灯昏黄的灯光之下用鹅毛笔蘸着墨水写下热量传播的方程,并且他解出了这个微分方程——神奇之处在于,他可以用他的方法把微分方程变成简单的代数方程。 1807年的研究傅里叶翻开了历史的新篇章。而究竟什么是热量什么是热辐射这些问题还一直困扰着19世纪的人们。热量,热辐射,光?千头万绪涌上心头,而此时我们站在21世纪的山顶,回望来时路,看到的19世纪是山腰上的一座孤城。城上风光莺语乱,城下烟波春拍岸。风景很好,我们要慢慢欣赏那两位钻石王老五所留下的杰作。这里面有错综复杂的历史关系,也有思想上的激情澎湃和低潮期,读者们可都要做好准备了!

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日出:量子力学与相对论
作者: 张轩中, 黄宇傲天
isbn: 7302339473
书名: 日出:量子力学与相对论
页数: 320
定价: 45元
出版社: 清华大学出版社
装帧: 平装
出版年: 2014-1-2