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日志

 
 

一页纸多一点的博士论文【转】   

2010-04-16 09:03:26|  分类: 杂文随记 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一页纸多一点的博士论文
发信站: BBS 科苑星空站 (Fri Dec 2 10:42:08 2005), 站内

一、
  故事发生在二十世纪初的法国。巴黎。一样的延续着千百年的灯红酒绿,香榭丽舍大道上散发着繁华和暧昧,红磨坊里弥漫着躁动与彷徨。
  而在此时的巴黎,有一个年轻人,名字叫做德布罗意(DeBroglie),从他的名字当中可以看出这是一个贵族,事实上德布罗意的父亲正是法国的一个伯爵,并且是正是一位当权的内阁部长。这样一个不愁吃不愁穿只是成天愁着如何打发时光的花花公子自然要找一个能消耗精力的东西来磨蹭掉那些无聊的日子(其实象他这样的花花公子大约都会面临这样的问题)。德布罗意则找到了一个很酷的事业---研究中世纪史。据说是因为中世纪史中有着很多神秘的东西吸引着这位年轻人。
  时间一转就到了1919,这是一个科学界急剧动荡动着的年代。就在这一年,德布罗意突然移情别恋对物理产生了兴趣,尤其是感兴趣于当时正流行的量子论。具体来说就是感兴趣于一个在当时很酷的观点:光具有粒子性。
  这一观点早在十几年前由普朗克提出,而后被爱因斯坦用来解释了光电效应,但即便如此,也非常不见容于物理学界各大门派。德布罗意倒并不见得对这一观点的物理思想有多了解,也许他的理解也仅仅就是理解到这个观点是在说“波就是粒子”。
  或许是一时冲动,或许是因为年轻而摆酷,德布罗意来到了一派宗师朗之万门下读研究生。从此,德布罗意走出了一道足以让让任何传奇都黯然失色的人生轨迹。

 二、

      历史上德布罗意到底花了多少精力去读他的研究生也许已经很难说清,事实上德布罗意在他的5年研究生生涯中几乎是一事无成。事实上也可以想象,一个此前对物理一窍不通的中世纪史爱好者很难真正的在物理上去做些什么。白驹过隙般的五年转眼就过去了,德布罗意开始要为他的博士论文发愁了。
  其实德布罗意大约只是明白普朗克爱因斯坦那帮家伙一直在说什么波就是粒子,(事实上对于普朗克大约不能用“一直”二字,此时的普朗克已经完全抛弃自己当初的量子假设,又回到了经典的旧框架。)而真正其中包含的物理,他能理解多少大约只有上帝清楚。
  五年的尽头,也就是在1924,德布罗意终于提交了自己的博士论文。他的博士论文只有一页纸多一点,不过可以猜想这一页多一点的一份论文大约已经让德布罗意很头疼了,只可惜当时没有枪手可以雇来帮忙写博士论文。他的博士论文只是说了一个猜想,既然波可以是粒子,那么反过来粒子也可以是波。
  而进一步德布罗意提出波的波矢和角频率与粒子动量和能量的关系是:
  动量=普朗克常数/波矢能量=普朗克常数*角频率这就是他的论文里提出的两个公式。
  而这两个公式的提出也完全是因为在爱因斯坦解释光电效应的时候提出光子的动量和能量与光的参数满足这一关系。可以想象这样一个博士论文会得到怎样的回应。
  在对论文是否通过的投票之前,德布罗意的老板朗之万就事先得知论文评审委员会的六位教授中有三位已明确表态会投反对票。
  本来在欧洲,一个学生苦读数年都拿不到学位是件很正常的事情,时至今日的欧洲也依然如此。何况德布罗意本来就是这么一个来混日子的花花公子。
  然而这次偏偏又有些不一样---德布罗意的父亲又是一位权高望众的内阁部长,而德布罗意在此厮混五年最后连一个Ph.D都没拿到,双方面子上自然也有些挂不住。情急之中,朗之万往他的一个好朋友那里寄了一封信。当初的朗之万是不是碍于情面想帮德布罗意混得一个PhD已不得而知,然而事实上,这一封信却改变了科学发展的轨迹。
  

三、

       这封信的收信人是爱因斯坦。信的内容大致如下:
  尊敬的爱因斯坦阁下:
  在我这里有一位研究生,已经攻读了五年的博士学位,如今即将毕业,在他提交的毕业论文中有一些新的想法…请对他的论文作出您的评价。
  另外顺便向您提及,该研究生的父亲是弊国的一位伯爵,内阁的**部长,若您……,将来您来法国定会受到隆重的接待 朗之万在信中,大约朗之万的潜台词似乎就是如果您不肯给个面子,呵呵,以后就甭来法国了。
  不知是出于知趣,还是出于当年自己的离经叛道而产生的惺惺相惜,爱因斯坦很客气回了一封信,大意是该论文里有一些很新很有趣的思想云云。
  此时的爱因斯坦虽不属于任何名门望派,却已独步于江湖,颇有威望。有了爱因斯坦的这一封信,评审委员会的几位教授也不好再多说些什么了。于是,皆大欢喜。
  浪荡子弟德布罗意就这样攻读下了他的PhD(博士)。而按照当时欧洲的学术传统,朗之万则将德布罗意的博士论文印成若干份分寄到了欧洲各大学的物理系。大约所有人都以为事情会就此了结,多少年以后德布罗意那篇很新很有趣的博士论文也就被埋藏到了档案堆里了。德布罗意大约也就从此以一个PhD的身份继续自己的浪荡生活。但历史总是喜欢用偶然来开一些玩笑,而这种玩笑中往往也就顺带着改变了许多人的命运。在朗之万寄出的博士论文中,有一份来到了维也纳大学。
  

四、

1926年初。维也纳。当时在维也纳大学主持物理学术活动的教授是德拜,他收到这份博士论文后,将它交给了他的组里面一位已经年届中年的讲师。
  这位讲师接到的任务是在两周后的Seminar(学术例会)上将该博士论讲一下。这位老讲师大约早已适应了他现在这种不知算是平庸还是算是平静的生活,可以想象,一个已到不惑之年而仍然只在讲师的位置上晃荡的人,其学术前途自然是朦胧而晦暗。而大约也正因为这位讲师的这种地位才使得它可以获得这个任务,因为德拜将任务交给这位讲师时的理由正是你现在研究的问题不很重要,不如给我们讲讲德布罗意的论文吧。这位讲师的名字叫做---薛定谔(Schrodinger)!
  在接下来的两周里,薛定谔仔细的读了一下德布罗意的博士论文,其实从内容上来讲也许根本就用不上“仔细”二字,德布罗意的这篇论文只不过一页纸多一点,通篇提出的式子也不过就两个而已,并且其原型是已经在爱因斯坦发表的论文中出现过的。
  然而论文里说的话却让薛定谔一头雾水,薛定谔只知道德布罗意大讲了一通波即粒子,粒子即波,除此之外则是不知所云。
  两周之后,薛定谔硬着头皮把这篇论文的内容在Seminar上讲了一下,讲者不懂,听者自然也是云里雾里,而老板德拜则做了一个客气的评价:这个年轻人的观点还是有些新颖的东西的,虽然显得很孩子气,当然也许他需要更深入一步,比如既然提到波的概念,那么总该有一个波动方程吧。多年以后有人问德拜是否后悔自己当初作出的这一个评论,德拜自我解嘲的说,你不觉得这是一个很好的评论吗?并且,德拜建议薛定谔做一做这个工作,在两周以后的seminar上再讲一下。
  两周以后。薛定谔再次在seminar上讲解德布罗意的论文,并且为德布罗意的波找了一个波动方程。这个方程就是薛定谔方程!
  当然,一开始德布罗意的那篇论文就已经认为是垃圾,而从垃圾产生出来的自然也不会离垃圾太远,于是没人真正把这个硬生生给德布罗意的波套上的方程当一回事,甚至还有人顺口编了一首打油诗讽刺薛定谔的方程:
  欧文用他的psi,计算起来真灵通:但psi真正代表什么,没人能够说得清。(欧文就是薛定谔,psi是薛定谔波动方程中的一个变量)。故事的情节好像又一次的要归于平庸了,然而平庸偏偏有时候就成了奇迹的理由。大约正是薛定谔的平庸使得它对自己的这个波动方程的平庸有些心有不甘,他决定再在这个方程中撞一撞运气。
  

五、

      上面讲到的情节放到当时的大环境中来看就好像是湖水下的一场大地震---从湖面上看来却是风平浪静。下面请允许我暂时停止对老讲师薛定谔的追踪,而回过头来看一看这两年发生在物理学界这个大湖表面的风浪。
  此前,玻尔由普朗克和爱因斯坦的理论的启发提出了著名的三部曲,解释了氢光谱,在这十几年的发展当中,由玻尔掌门的哥本哈根学派已然是量子理论界的少林武当。
  1925,玻尔的得意弟子海森堡提出了著名的矩阵力学,进一步抛弃经典概念,揭示量子图像,精确的解释了许多现象,已经成为哥本哈根学派的镇门之宝---量子届的“屠龙宝刀”
  。不过在当时懂矩阵的物理学家没有几个,所以矩阵力学的影响力仍然有限。事实上就是海森堡本人也并不懂矩阵,而只是在他的理论出炉之后哥本哈根学派的另一位弟子玻恩告诉海森堡他用的东西在数学中就是矩阵。
  再回过头来再关注一下我们那个生活风平浪静的老讲师薛定谔在干些什么---我指的是在薛定谔讲解他的波动方程之后的两个星期里。事实上此时的他正浸在温柔乡中---带着他的情妇在维也纳的某个滑雪场滑雪。不知道是宜人的风景,总之是冥冥之中有某种东西,给了薛定谔一个灵感,而就是这一个灵感,改变了物理学发展的轨迹。薛定谔从他的方程中得出了玻尔的氢原子理论!
  

六、

        倚天一出,天下大惊。从此谁也不敢再把薛定谔的波动方程当成nonsense了。哥本哈根学派的掌门人玻尔更是大为惊诧,于是将薛定谔请到哥本哈根,详细切磋量子之精妙。然而让玻尔遗憾的是,在十天的漫长切磋中,两个人根本都不懂对方在说些什么。在一场让两个人都疲惫不堪却又毫无结果的哥本哈根论剑之后,薛定谔回到了维也纳。
  薛定谔回到了维也纳之后仍然继续做了一工作,他证明了海森堡的矩阵力学和他的波动方程表述的量子论其实只是不同的描述方式。从此倚天、屠龙合而为一。
  此后,薛定谔虽也试图从更基本的假设出发导出更基本的方程,但终究没有成功,而不久,他也对这个失去了兴趣,转而去研究生命是什么。历史则继续着演义他的历史喜剧。德布罗意,薛定谔都在这场喜剧中成为诺奖得主而名垂青史。
  尾声其实在这一段让人啼笑皆非的历史当中,上帝还是保留了某种公正的。薛定谔得出它的波动方程仅在海森堡的矩阵力学的的诞生一年之后,倘若上帝把这个玩笑开得更大一点,让薛定谔在1925年之前就导出薛定谔方程,那恐怕矩阵力学就根本不可能诞生了(波动方程也就是偏微分方程的理论是为大多数物理学家所熟悉的,而矩阵在当时则没有多少人懂)。如此则此前在量子领域已辛苦奋斗了十几年的哥本哈根学派就真要吐血了!薛定谔方程虽然搞出了这么一个波动方程,却并不能真正理解这个方程精髓之处,而对它的方程给出了一个错误的解释---也许命中注定不该属于他的东西终究就不会让他得到。对薛定谔方程的正确解释是有哥本哈根学派的玻恩作出的。(当然玻恩的解释也让物理界另一位大师---爱因斯坦极为震怒,至死也念念不忘“上帝不会用掷色子来决定这个世界的”,此为后话)。
       更基本的量子力学方程,也就是薛定谔试图获得但终究无力企及的的基本理论,则是由哥 本哈根学派的另一位少壮派弟子---狄拉克导出的,而狄拉克则最终领袖群伦,建起了了量 子力学的神殿。

X

以下为辩论回复:

  • c.w137

    2008-04-07 17:24:36 c.w137 (在流形中永生./只见纤维不见丛.)

    发信人: fey (信仰疗法怪人团成员), 信区: Physics
    标 题: 澄清史实(ZZ)
    发信站: BBS 科苑星空站 (Mon Apr 10 19:28:48 2006), 站内

    发信人: pangen (潘根), 信区: Physics
    标 题: 澄清史实
    发信站: 南京大学小百合站 (Fri Apr 7 19:16:58 2006)

      《一页多纸拿到诺奖zz》一文是以历史为题材的“演义”类文学作品,而非严肃的史学作品。该文歪曲了物理学史,有损多位知名物理学家的形象。名人容易成为人们聊天的话题,该文的读者较多,有可能以讹传讹造成混乱,需要澄清。
      ○“德布罗意本来就是这么一个来混日子的花花公子……历史上德布罗意到底花了多少精力去读他的研究生也许已经很难说清,事实上德布罗意在他的5年研究生生涯中几乎是一事无成。事实上也可以想象,一个此前对物理一窍不通的中世纪史爱好者很难真正的在物理上去做些什么”
      德布罗意出身于贵族家庭,“不愁吃不愁穿”是事实,但这能说明什么?能成为“德布罗意是混日子的花花公子”的证据吗?古希腊的毕达哥拉斯、文艺复兴时代的伽利略、资本主义时代的开文迪士不也是出身于贵族豪门吗?
      德布罗意固然是出身于贵族家庭,但同时又是出身于有着浓厚学术气氛的学者家庭,他家里有私人的实验室。他的哥哥莫利斯· 德布罗意公爵是杰出的X射线物理学家,兄弟二人经常讨论X射线的波粒二象性。
      德布罗意在大学本科时代本来是攻读历史。在1913年大学毕业之时,正逢第一次世界大战即将爆发,因而他一毕业就参军了,在军队里连续搞了六年无线电设备。第一次世界大战结束后,他到哥哥私人的实验室里研究X射线,从此把兴趣转向物理。在进大学之前,起码已经学过高中物理,大学毕业后又在物理实验方面有了多年的实践经验,还能算是“对物理一窍不通”吗?
      德布罗意在读研期间已经发表过5篇论文。1922年,他用热力学、分子运动论和光量子假说导出了维恩定律和普朗克定律,发表在Journal de Physique(Serie V1,3,1922,422)上。可以认为该文是玻色统计的先导。同年还研究了黑体辐射的能量涨落,发表在 Comptes Rendus(175,1922,811). 1923年又连续在Comptes Rendus 发表了三篇文章,标题分别为《波与量子》、《光量子、衍射和干涉》、《量子、气体动力理论和费马原理》,为后来获诺贝尔物理学奖奠定了基础。这些都是他在读研期间发表的工作,并且都已经载入史册。凭什么说“事实上德布罗意在他的5年研究生生涯中几乎是一事无成”?如今,我国有大量的博士生,他们也已经发表了一些有水平的文章,但能拿出几篇来同德布罗意的那些文章比一比质量吗?(此话只是为了说明问题,绝无批评中国博士生之意。博士生们的导师也多半不能同德布罗意比高低,又怎能苛求学生?)德布罗意写过一本《波动力学》,六十年代我校图书馆里有此书的中译本,我曾读过。该书中不仅是介绍了量子力学,还涉及到了相对论方面的一些知识,绝不是属于“对物理一窍不通的中世纪史爱好者很难真正的在物理上去做些什么”的那种水平。
      ○“大约朗之万的潜台词似乎就是如果您不肯给个面子,呵呵,以后就甭来法国了。
      不知是出于知趣呢,还是出于当年自己的离经叛道而产生的惺惺相惜,爱因斯坦很客气回了一封信,大意是该论文里有一些很新很有趣的思想云云。”
      我想,朗之万和爱因斯坦都不至于如此庸俗。法国是卢梭的故乡,民权思想的普及程度超过其它任何国家,最不买权威账的人莫过于法国人。作为学界人物,朗之万的社会地位已经到顶了,不需要谁来提拔;作为社会名人,朗之万的知名度在部长之上,部长有能力有胆量进行打击报复吗?朗之万凭什么要巴结部长?在信中顺便介绍论文作者的一些情况,这有什么不可以呢?
      至于爱因斯坦,他的品德更是有目共睹的。他在学术问题上是从不讲情面的,他敢批评玻尔、玻恩等已经成名的教授,他能热情扶持无权无势、尚未成名的玻色,他敢于在年轻的弗里德曼面前承认自己在学术上的错误,他到美国避难时敢于批评美国政府的政策,世上有多少人能像他这样是非分明刚直不阿呢?法国总统的权力尚且不能到达德国,爱因斯坦凭什么要巴结法国的部长呢?他在诺贝尔奖得主之中是威望最高的一个,访问别国时往往要受到国家元首的接待,为什么要在乎一个部长的捧场呢?
      德布罗意的确是朗之万的得意门生,他确实欣赏德布罗意的假说,但感到无把握,这才征求爱因斯坦的意见。爱因斯坦也确实很重视德布罗意的论文,他并不是用“很新很有趣”之类无足轻重的字眼来评论德布罗意的论文,而是说该文“已揭开了巨大帷幕的一角”,还在自己的论文里把德布罗意的论文称为“非常值得注意的论文”,并说该文“对玻尔-索末菲量子规则作了很值得注意的几何解释”。
      德布罗意的论文导致了矩阵力学和波动力学问世,为后来的原子能、半导体、激光等一系列的新技术提供了理论依据,这已经是既成事实。这个事实表明:当年对持反对意见的人实际上是不识货,他们差一点把新生的婴儿扼杀在摇篮里。而朗之万,特别是爱因斯坦,分明是起了“伯乐”的作用,对人类作出了巨大的贡献。
      人类需要“千里马”,还需要有“伯乐”。拉马克的进化论在法国被居维叶压下去了,达尔文的进化论如果得不到赫胥黎的大力支持,恐怕也顶不住大主教的压力。世上总有一些人不乐意看到别人取得成就,看问题不是以实际效果为依据,而喜欢所谓“透过现象看动机”。能“透过现象”当然是最好,但需使用“X光”。德布罗意有“X光机”,朗之万和爱因斯坦也有“X光机”,但更多的人是没有,所以就以“可以想象”冒充“透视”。
      事物总有好坏两种可能性,有些人在新事物面前的本能反应是把别人往坏处想,坏就是坏,好也是坏。或许是所谓“将心比心”、“以自己之心度他人之腹”吧?
      ○“玻尔的得意弟子海森堡提出了著名的矩阵力学”,“哥本哈根学派的另一位弟子玻恩”,“哥本哈根学派的另一位少壮派弟子——狄拉克”
      玻尔是丹麦人,曾赴英国留学。回国后在哥本哈根大学和维多利亚大学教了七年书,于1920年创办理论物理研究所。从未到德国执教。
      海森堡是德国人,从小学到大学,都是在德国,从未前往丹麦求学。他在慕尼黑大学读研时,攻读的是理论物理,导师是世界一流理论物理学家兼数学家索末菲。1923年,海森堡获博士学位,前往哥庭根大学担任玻恩的助教。后来到哥本哈根玻尔研究所工作了三年,与玻尔是“同事”关系而非“师生”关系。
      玻恩也是德国人,他不仅从未到丹麦求学,而且从未到玻尔那里工作过。他生于1882年,比1885年出世的玻尔大三岁,天晓得他怎么可能成为“哥本哈根学派的另一位弟子”。
      狄拉克是英国人,他在学生时代从未离开过自己的祖国。起初是学电机工程,毕业后改读数学,成为剑桥大学福勒的研究生。他从未在玻尔门下工作过。
      在量子力学问题上,狄拉克曾支持过玻尔观点,后来倒戈,改为支持爱因斯坦观点。
      如果是因为曾经支持过玻尔观点就能算是“哥本哈根学派的弟子”,那么当代中国物理学界百分之九十以上的人就都可以宣布自己是玻尔的学生。
      ○“事实上就是海森堡本人也并不懂‘矩阵’”
      矩阵代数是十九世纪五十年代问世的,后来成为大学本科低年级的课程。比海森伯长一辈的玻恩在不太知名的布莱斯劳大学读书时已经读过这门课。在一流大学(慕尼黑大学)攻读理论物理、在世界一流理论物理学家和数学家指导下获得博士学位的海森伯,居然能在“事实上不懂矩阵”的情况下创立“矩阵力学”,这个“事实”在逻辑上能够讲得通吗?
      起初海森伯对自己创立的学说感到没有把握,那倒是真的,但那是指“矩阵力学”而不是指低年级的“矩阵代数”。正因为感到没有把握,他才决定把文章寄给玻恩。玻恩虽学过矩阵,但已经忘了,这倒也是事实。据玻恩回忆,海森伯的文章迫使他复习了矩阵代数。

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