物理史话之量子力学的奠基人玻恩

在物理学史上,有学生获得诺贝尔奖而老师没有获得的,比如索末菲,也有学生先于老师获得诺贝尔奖的,比如本文的主角--德国物理学家--玻恩。玻恩的两个学生海森堡和泡利分别于1932年和1945年获得了诺贝尔物理学奖,而玻恩自己却要等到1954年他72岁的时候才获得诺贝尔奖,要是玻恩也跟赫兹一样英年早逝的话,他就等不到获奖的这一天了,尽管他早在获奖之前30年就做出了相应的成就。

物理史话之量子力学的奠基人玻恩

马克斯·玻恩

马克斯·玻恩于1882年出生在德国布雷斯劳(现在波兰的弗罗茨瓦夫)的一个犹太家庭(这也能预知玻恩后来在德国的处境了)。玻恩的父亲是布雷斯劳大学医学系的教授,所以玻恩很小的时候就经常跟姐姐到父亲的实验室去玩,聆听父亲和同事之间的科学讨论。1901年,玻恩进入布雷斯劳大学学习,父亲告诫玻恩要把各种课程都学一下,然后再决定专门研究哪一门。于是,玻恩在进入大学后没有确定专业,他听了数学、哲学、艺术、天文学等课程。1905年,玻恩进入哥廷根大学,师从克莱因、希尔伯特和闵可夫斯基(闵可夫斯基也是爱因斯坦的老师)。不过据说玻恩跟克莱因关系不太好,所以他没有从事数学研究,而转向了理论物理。1907年,玻恩由于在弹性理论领域的工作而获得了哲学博士学位。毕业后,按照规定,他应该服役一年。玻恩在柏林的一个骑兵团里服役,但是由于玻恩患有严重的气喘,所以玻恩并没有服役满一年就退役了。即使如此,他在兵营中也没有放弃科学研究,晚上在马厩值班时,玻恩还利用光滑的马背做书桌,精心修改他的科学论文。

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哥廷根大学

之后,玻恩为了学习更多的物理学的基础理论而远赴英国,进入剑桥大学,并在六个月后回到家乡布雷斯劳。在此期间,他认真阅读了爱因斯坦在1905年发表的关于相对论的论文,他将爱因斯坦的思想"作为启示"接受,并把相对论和闵可夫斯基的数学方法结合起来,发现了一个新的计算电子的电磁能的方法。玻恩把手稿送给了闵可夫斯基,随后又应闵可夫斯基的邀请,于1908年底到达哥廷根,和闵可夫斯基一起工作。但是一年后,闵可夫斯基病故了,这个工作也就中断了。1909年,玻恩在索尔维会议上第一次见到了爱因斯坦本人,之后他们之间一直通信不断。

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闵可夫斯基

1912年夏天,玻恩去了一趟美国,在芝加哥大学作了关于相对论的讲演。回国后,玻恩开始了一项庞大的研究计划,他从原子论、点阵假设出发,推导出一切晶体的性质,建立起统一的晶体物理学,出版了《晶格动力学》。1914年,柏林大学为玻恩提供了一个教授的职位,以分担普朗克的一部分工作。1915年,玻恩前往柏林,但很快由于战争而被迫从戎,在一个炮兵研究机构声学测位部门工作。1919年,玻恩来到法兰克福大学工作,两年后又回到了哥廷根大学,并一直工作了12年。在此期间,他和周围的助手和学生,创建了一个人数众多的理论物理学派(哥廷根理论物理学派,与柏林(普朗克和爱因斯坦)、慕尼黑(索末菲)和哥本哈根(玻尔)三个学派并列,从这里我们也可以看出,当时德国的理论物理水平之高。一个国家内就有三大理论物理学派),这个学派成员包括费米、狄拉克、泡利、海森堡等等,并且他们都比玻恩早获得诺贝尔物理学奖。

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海森堡(我们以后会说到他)

1921年,玻恩写了一篇关于固体原子理论的论文,并将自己的兴趣转向了量子理论中去了。1924年,玻恩首先在一篇论文中采用了"量子力学"这个用语。1925年,海森堡将他的重要著作《论运动学和力学关系的量子论解释》的手稿交给了玻恩,玻恩发现海森堡的计算方法和矩阵计算方法是一致的。接着,玻恩和约尔当合作,建立了"矩阵力学"的最简单的特征。之后,他们三人又系统地发展了这个理论,他们最早给出了量子力学在解决实际问题时实用的微扰论,奠定了以矩阵形式表示的现代量子力学基本原理。

1926年,玻恩发表"散射过程的量子力学"一文,认为薛定谔波动力学的数学形式不仅适用于分立定态,也能胜任对散射过程的描写。玻恩指出,如果用粒子的语言表述,球面波项的散射振幅因子表示入射的粒子以不同方向射出的几率。所以"我们得出的不是对'碰撞后的状态是什么'这一问题,而只是对'碰撞后的一种指定结果有多大可能'的问题的答案(统计解释思想初现)"。后来,玻恩更加准确地提出:代表测量到粒子的几率的,是波函数的绝对值平方,而不是同散射振幅相对应的波函数本身。正是有了玻恩的统计解释,薛定谔的波动力学才被普遍接受,成为与矩阵力学相并列的量子力学的另一数学表达形式。玻恩也因此而获得1954年的诺贝尔物理学奖。

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哥本哈根解释

1933年纳粹上台之后,玻恩由于自己的犹太人血统而被勒令停职,被迫移居英国。移居英国后,1934年起受邀在剑桥大学任教授,这段时间的主要研究集中在非线性光学,并与利奥波德·因费尔德一起提出了玻恩-因费尔德理论。1935年冬天,玻恩在印度班加罗尔的印度科学研究所呆了6个月,与喇曼共事。1936年前往爱丁堡大学任教直到1953年退休。1936年被纳粹剥夺德国国籍。1953年,玻恩退休后居住在巴德派尔蒙特,并成为哥廷根的荣誉市民。

玻恩在爱丁堡大学任教期间,为中国的物理学界培养了四个极其优秀的博士,他们分别是彭桓武、程开甲、黄昆和杨立铭先生。他们四人都是中科院院士,中国物理学届大牛中的大牛。其中两位还获得了中国的国家最高科学技术奖(黄昆(2001年)、程开甲(2013年)),两位是"两弹一星"功勋奖章获得者(彭桓武、程开甲),彭桓武院士被称为中国的"氢弹之父"、黄昆院士是中国半导体事业的奠基人,而杨立铭院士则是原子粒幻数的统计解释提出者。在玻恩和爱因斯坦的书信中就曾经提到过他们多次,比如在1944年,玻恩写到"我和我的中国学生彭(一个杰出的人)一道试图改进量子场论,我认为我们的路是正确的。"玻恩最后一本关于晶体的书也是在1954年与黄昆合作完成的。

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程开甲院士

1970年,玻恩在哥廷根逝世,享年88岁。他的墓碑上刻着"海森堡非对易关系"公式:。


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