チャプター5 第4章 雲の奥

一 原子構造に関するボーアの新しい理論は、それが導入された後、物理学者にあまり人気がなかったと言わなければなりません。一部の人々の目には、この理論はマクスウェルのシステムを打倒する傲慢な意図を実際に持っており、それ自体がとんでもないものです。レイリー卿 (前述のレイリー ジーンズ系統の発見者の 1 人) は完全に無関心を示し、ケンブリッジでボーアの家庭教師をしていた JJ トムソンはコメントを控えた。物理学者がクラスで次のように宣言するなど、あまり尊敬されていない他の人は、より率直でした：これが量子力学によってのみ説明できる場合、私はそれを説明したくない.量子モデルが真実であることが判明した場合、物理学をやめると主張する人もいます。アインシュタインやボーンのような偏見のない人々でさえ、最初はこの理論を完全に受け入れるには消極的であることに気付きました。

しかし、量子力は誰の想像も超えています。勝利は非常に迅速かつ迅速に行われたため、ボーア自身はほとんど途方に暮れ、途方に暮れていました。まず、ボーアの導出は、バルマーの式で記述された水素原子のスペクトル線と完全に一致しており、式 W2-W1=hν から、ν の式を逆に計算できるため、バルマーの元の式と一致します。リュードベリ定数 R の理論値を計算するには、ν=R(1 /2^2-1/n^2) を使用します。実際、ボーアの理論の予測値と実験値の差はわずか 1000 分の 1 であり、これにより彼の理論はすぐに確固たる基盤を持つことになります。 それだけでなく、ボーアのモデルはいくつかの新しいスペクトル線の存在を予測し、これらの予測は実験物理学者によってすぐに確認されました。いわゆるピカリング線列に関する議論で、ボーアは強力な証拠とともに決定的な勝利を収めました。彼の原子システムは、いくつかのヘリウム イオンのスペクトルを驚くべき正確さで説明しました。これは、古い方程式と比較して驚くほど正確でした。そしてヘンリー。X 線に関する Mosley (前述の若き天才であり、残念ながら戦場で亡くなった) の研究は、原子核モデルの正確性をさらに確認しました。原子の化学的性質は、従来の原子量ではなく、核電荷に依存することが現在知られています。ボーアの理論に基づく電子殻モデルも段階的に開発されました。水素原子のスペクトルが1本の線ではなく、多くの線に分割できることが発見されたなど、解決すべきいくつかの小さな困難がありました。これらの効果は、電磁場の関与により、より奇妙で明白になります (これらの現象について、人々はいわゆるシュタルク効果とゼーマン効果を使用して説明します)。しかし、ボーア系はすぐに強力な反撃を行った. アインシュタインの相対性理論の支持者を獲得し、電子がより多くの自由度 (量子数) を持っていると仮定するという条件の下で、ボーアと他の何人かの科学者は A. Sommerfeld がこれらすべてを証明しようとした.現象はボーアの量子系にスムーズに含めることができます。残忍な世界大戦が勃発しましたが、当時の科学の大きな進歩は止まりませんでした。

毎日、新しい報告と実験的証拠が雪片のようにボーアの机に届きました。そして、ほぼすべての報告が、ボルナ量子モデルの正しさをさらに確認しています。もちろん、これらの報告に加えて、各界からのお祝いの言葉、社会的招待状、さまざまな大学からの任命状が圧倒的に届きました。ボーアは原子物理学のリーダーになったようです。祖国への責任感から、彼はラザフォードが提案したマンチェスターでの地位を拒否したが、財政的にも学問的にも間違いなくより良い選択だった.ボーアは現在、コペンハーゲン大学の教授であり、理論物理学をさらに研究するための特別な研究所を建設することを決定しました。この研究所は、後で見るように、ヨーロッパで目を引く真珠となり、その輝きはヨーロッパ中から最も優秀な若者を引き付け、ここに集まり、より輝かしい思想の輝きを放ちます。

ここで、ボーア模型のいくつかの基本的な特徴を復習したほうがよいでしょう。基本的にはラザフォードの惑星モデルの続きですが、ボーアモデルでは一連の量子化条件が導入されているため、この系は明確な量子化特性を持っています。 まず、ボーアは、原子核を周回するとき、電子が特定のエネルギー状態にあるだけであると仮定しました。これらのエネルギー状態は不連続であり、定常状態と呼ばれます。E1 を持つことも、E2 を持つこともできますが、E1 と E2 の間の値を取ることはできません。すでに説明したように、電子は 1 つの定常状態にしか存在できず、2 つの定常状態の間にバッファ ゾーンはなく、電子の禁止領域があり、そこには電子が現れません。

しかし、ボーアは、電子が異なるエネルギー状態間でスイッチまたは遷移することを可能にしました。電子が高エネルギーの E2 状態から E1 状態に遷移するとき、E2-E1 のエネルギーが放出され、そのエネルギーが放射の形で放出されます. 私たちの基本式によると、この放射の周波数はν であるため、E2-E1 = hν となります。逆に、電子がエネルギーを吸収すると、低エネルギー状態から高エネルギー状態に上昇することもあり、その関係は依然として式に従っています。このエネルギー遷移は量子化された動作であることに注意する必要があります. 電子が E2 から E1 に遷移する場合、電子がこのプロセス中に E2 と E1 の 2 つのエネルギーの間の状態を経験したことを意味するものではありません.まだ混乱している場合は、連続性の亡霊がまだ頭に浮かんでいます。実際、Quantum はまるで素晴らしい魔法使いのようで、ステージの端に笑顔で帽子を振って現れ、瞬く間にステージの反対側に現れました。そして、それがセンターステージを通過したことは一度もありませんでした!

地上 500 km の衛星と地上 800 km の衛星が異なるポテンシャル エネルギーを表すように、すべての可能なエネルギー レベルは電子の軌道を表します。電子がエネルギーを放出も吸収もしない場合、電子は軌道上を着実に移動します。一定のエネルギーを吸収すると元の軌道から消え、原子核から離れたよりエネルギーの高い軌道に謎の出現をする。逆に、原子核に向かって必死に落下するときは、高エネルギー軌道で拾ったエネルギーを放出します。 原子の化学的性質は主に最外殻の電子数に依存し、規則的な周期性を示すことがすぐに発見されました。しかし、多くの電子を持つ重元素の場合、なぜその電子の一部がエネルギーを失うことなく、原子核近くのより低い軌道に落ちることなく、外側の電子軌道を長時間占有できるのかについて、人々は非常に困惑しています。この質問は、1925 年に若いパウリによって答えられました。彼は、2 つの電子が同じ状態を共有することはできず、1 つの軌道が収容できる異なる状態の数は限られていること、つまり、トラックには一定の容量があることを発見しました。電子が軌道を埋めると、他の電子はその軌道に参加できなくなります。

アトムは寮のようなもので、各部屋には 4 桁の番地があります。1 階には 1001 と 1002 の 2 つの部屋しかありません。2階には8つの部屋があり、住居番号は2001、2002、2101、2102、2111、2112、2121、2122です。建物が高いほど、部屋数が多くなります。不機嫌そうな管理者のパウリは、2 人の電子テナントが同じ家に滞在することはできないことを知らせる通知をゲートに掲示しました。電子がこの建物に殺到し、最初の 2 人は 1 階の 2 つの安くて質の高い部屋を占有し、1 階が満員だったので後から来た人は次善の策で妥協しなければならず、2 階が埋まり始めました。の部屋。2階が満室になった後、3階、4階、6階、7階、8階と続き、法外な賃料となった。残念ながら、高所での電子生活はやりくりできませんが、階下は人でいっぱいで出られないので仕方がありません。彼らは不平を言い、パウリの法外な規則を排斥原則と呼んだ。

しかし、この尺度は、人々が化学社会のいくつかの基本的な行動原則をよりよく理解するのに役立ちます.たとえば、社交的なサイボーグは、常にフロアのすべての部屋を入居者で埋めようとします。3 階 3001 号室に 1 人だけが住んでいるナトリウム マンションをイメージします。隣接する塩素ビルの3階には、たまたま空き部屋が1部屋（3122）しかなかった。ナトリウムビルの孤独な男は、興奮への電子的な憧れから、空いた部屋を埋めるために塩素ビルに移動することを決め、そこのテナントに暖かく迎えられました.この動きは、2 つの建物の関連付けにもつながり、塩のコミュニティを形成しました。また、一部の高層ビルでは、空き部屋が多すぎるため、フロアを埋めるのに十分な孤独な人を見つけることができないため、1つの翼だけが満たされていても、電子は満足しています.

もちろん、これはすべて比喩的で一般的な声明です。実際の状況はもっと複雑で、例えば、各階の部屋は設備によっていくつかのレベルに分かれています。背が高いほど高いというのは一概には言えません。たとえば、6 階のプレジデンシャル スイートは、7 階の普通の部屋よりもはるかに高くなる可能性があります。しかし、これは問題ではなく、重要な点は、ボーアの電子軌道モデルが原子の性質と振る舞いを非常に説得力のある方法で説明しており、その予測と実験結果は基本的に完全に一致していることです。2 年も経たないうちに、ボーアの理論は輝かしい勝利を収め、世界中の物理学者がボーア モデルを受け入れ始めました。量子が実用的であることを認めることを拒否する私たちの頑固なプランクでさえ、彼の最初の偉大な発見を再検討し始めました.

ボーア理論の功績は大きく、人々の心に深く根付いており、ボーア自身も 1922 年にノーベル賞を受賞しています。しかし、それでも旧体制との深い矛盾は解消されていません。ボーア軌道が成功するかどうかに関係なく、マクスウェルの方程式は、原子核の周りを移動する電子が電磁放射を放出しなければならないとまだ言わなければなりません。ボーアはまた、これについて非常に無力感を感じていました.彼は古典的な電磁システム全体を打倒する能力を持っていませんでした.封建主義の残党は依然として非常に強い.妥協案として、ボーアは向きを変え、彼の原子系をマクスウェル理論と調和させ、2 つの理論の関係を確立しようとしました。彼は両方のシステムが正しいことを世界に証明しようとしましたが、それぞれのアプリケーションの範囲内でのみ確立できます。私たちの視野が原子の範囲から通常の世界に徐々に拡大すると、量子効果は徐々に消え、古典的な電磁気学は世界のマスターとして再びh定数を置き換えることができます.このプロセスでは、常に、2 つのシステム間に明確な対応状態が存在します。これが彼が 1918 年に発表した対応原理と呼ばれるものです。

対応の原則自体には豊かな意味があり、今日の私たちにとって依然として参照的な意味を持っています.しかし、古典的なシステムとのこのあいまいな関係が、ボーアの理論の致命的な先天的な欠陥であることも否定できません。彼が主導したのは不完全な革命であり、革命家のように見えたが、最終的には伝統勢力の支援に頼った。ボーアの量子は古典系の強さにしか作用できず、その自己認識はまだ深い眠りにあり、目覚めていません。もちろん、それにもかかわらず、その成果は世界を驚かせましたが、これは、近い将来、長いテールライトで地平線の反対側に落ちて、つかの間の流星になることを妨げるものではありません。 もちろん、非常に重要な理論の寿命がこれほど短いことは、1 つのことを示しているにすぎません。当時、科学は私たちの想像を超えるペースで進歩していたということです。それは、一筋縄ではいかない時代、理論物理学の黄金時代でした。今振り返ると、明るい月と澄んだ風だけが東の川に沿って流れています。 夕食後のゴシップ: 原子と銀河 ラザフォードのモデルが生まれるやいなや、それは惑星モデルまたは太陽系モデルと呼ばれました。これはもちろん比喩的な名前ですが、原子の小さなシステムと太陽系の巨大なシステムとの間に多くの類似点があることは否定できません。両方とも (システム全体と比較して) 取るに足らない体積を占めるコアを持っていますが、その質量と角運動量の 99% 以上を集中させます。原子そのものが小宇宙なのだろうか？それとも、私たちの宇宙は数千の小さな宇宙で構成されており、それがさらに数千の他の宇宙とともにより大きな宇宙を形成しているのでしょうか?これはウィリアムを思い出させます。ウィリアム・ブレイクのあの有名な短い詩: 一粒の砂に世界を見る * 一粒の砂から世界を観る * 野の花に天国を見る * 花から天城を知る * 手のひらに無限大を握る * 片手で無限大を掴む * 片手で永遠を掴む時間 * 永遠を保つために一瞬を使う 一粒の砂から世界が見えますか？惑星間の実際の距離は電子の距離よりもはるかに遠いため、原子と太陽系との類似性は私たちに多くの啓蒙を与えません (もちろん、比例的に言えば)。しかし、一部の科学者は最近、宇宙がさまざまなスケールで驚くほど反復的な構造を持っていることを提案しています。たとえば、原子と銀河の類推、原子と中性子星の類推は、半径、周期、振動などのさまざまな側面で非常によく似ています。原子を 10^17 倍に拡大すると、白色矮星のように振る舞います。10^30倍に拡大すると、天の川に相当すると考えられています。もちろん、等価とは完全に等しいという意味ではなく、原子系を 10 の 30 倍に拡大すると、そのさまざまな機械定数や構造定数が、私たちが観測している天の川銀河に非常に近くなります。また、原子は高エネルギーの太陽系に類似しているはずであることが示唆されています。つまり、原子は非常に高い励起状態 (約数百の主量子数) にある必要があり、そのときのさまざまな構造は太陽系に非常に近いものです。 宇宙がすべてのレベルで同様の構造を示すというこの見解は、フラクタル宇宙モデルとして知られています。その見方では、原子でさえ宇宙全体に関する何らかの情報を含んでおり、それは宇宙のホログラフィック胚です.カオスダイナミクスの興味深い研究対象であるいわゆるフラクタルは、複雑な構造がさまざまなレベルで何度も繰り返されることを示しています。宇宙の進化もカオスダイナミクスの原理に従うかどうかはまだ不明であり、いわゆるフラクタル宇宙は単なる家族の意見です.これは興味深い話です。みんなで笑ってください。 二 むかしむかし、ボーアの理論の台頭により、暗い物理的な空全体にまばゆい光がもたらされ、人々は楽園の美しさを見たと思いました。残念ながら、この疑似バブルブームは長続きしませんでした。古い物理的世界はさまざまな衝撃で傷だらけになりましたが、ボーア原子模型の壮大な宮殿は、より激しい革命の衝撃に耐えられず、混乱の中で焼かれ、壊れたタイルと廃墟だけが残りました。最初の暴風雨が過ぎ去り、大地は荒涼とし、空はまだ厚い雲に覆われています。夕日は血のようで、空に残光を映し出し、廃墟を金色と赤く染め、より重厚な雰囲気を醸し出し、より大きな嵐の到来を告げた。 ボーア王朝の衰退は、それが生まれた日に運命づけられているようです。この理論は生まれたばかりの量子の無限の力を借りていますが、その基礎はまだ壊れやすい古い基礎の上に構築されています.量子化のアイデアは、ボーアの理論の単なる傭兵であり、理論全体の出発点と基礎というよりも、追加を余儀なくされているようなものです。たとえば、ボーアは、電子は量子化されたエネルギー準位と軌道しか持てないと仮定しましたが、なぜでしょうか?電子を量子化する必要があるのはなぜですか?その理論的根拠は何ですか？ボーアはこれについて曖昧で、彼について左右に話しました。もちろん、辛辣な経験主義者は、電子が量子化されるのは実験で観察されたからであり、他の理由は必要ないと主張するでしょう。しかし、いずれにせよ、理論の基本的な仮定が不安であると感じた場合、その理論の見通しはそれほど有望ではありません.ボーアの量子仮説に対する態度において、科学者は間違いなくユークリッドの 5 番目の公理を考えています (この公理は、線の外側の点を通る既知の直線に平行な直線は 1 つしか存在できないと述べています。人々は後に、この公理がそうではないことを証明しました)。非常に信頼性が高いです）。間違いなく、いくつかのより基本的な公理から派生させることが最善であり、これらのより基本的な公理は、単に華美な装飾ではなく、理論全体の基礎となるはずです。 後の歴史家がボーアの理論についてコメントしたとき、彼らは常に半古典的、半量子、または古いボトルに入った新しいワインなどの言葉を使用しました。電子が一つの軌道を公転すると古典力学の顔を見せ、軌道が変わるとすぐに量子化された姿に変わる。この二重性は、対応の巧みな原則に裏打ちされていますが、やはり疑わしいものです。しかし、これらの問題は重要なポイントではなく、重要なポイントは、一連の大勝利の後、ボーア軍は最終的にその力の限界に達したことに気付き、とにかく攻撃できない強力な要塞がいくつかあったということです。 たとえば、原子のスペクトル線の分裂の問題はすでにわかっていますが、ゾンマーフェルトらの努力により、ボーア模型は磁場下のゼーマン効果と電場下のシュタルク効果を説明しました。しかし、自然界には常に際限のない変化があり、頭の痛い問題です。科学者たちはすぐに、異常なゼーマン効果として知られる、弱い磁場下でのスペクトル線の複雑な分裂を発見しました。この現象には 1/2 の値を持つ量子数の導入が必要であり、ボーアの理論はそれとは何の関係もない、とため息をついた。この問題は多くの科学者を困惑させ、眠れなくさせています。パウリがボーアの家を訪れたとき、彼はボーア夫人のあいさつに不機嫌な不満で応えたことがあったと言われています。異常なゼーマン効果がわかりません！パウリが彼の排除原理を提案するまで、この問題は最終的に解決されませんでした。 さらに、ボーア理論は、その力が電子を 1 つしか持たない原子のモデルに限定されていることを発見し、がっかりしました。水素原子、重水素原子、またはイオン化されたヘリウム原子の場合、説得力のある議論が得られます。しかし、核外電子が 2 つしかない通常のヘリウム原子の場合、それは無力です。電子原子の場合でも、ボーアが明確に言えるのはスペクトル線の周波数だけです. スペクトル線の強度、幅、または偏光については、ボーアはまだ肩をすくめて大きな舌を使うことしかできません. . 水素分子の戦場では、ボーアの理論も打ち負かされた。 これらすべての困難を解決するために、ボーア、ランデ、パウリ、クラマースなどは多大な努力を払い、次々と新しい仮定を導入し、次々と新しいモデルを確立し、ボーアとゾンマーフェルトの理論自体に違反するものさえありました。1923 年までに、不十分に管理されたボーア理論はほとんど問題を解決できず、一般に受け入れられましたが、それはすでに根本的なオーバーホールを必要とするパッチを当てたローブのようでした.ゲッティンゲンのエネルギッシュな若者たちは、この斑点のあるシステムを拒否し始め、より強力で完全な理論を求め、量子のアイデアを本質的に物理学に根付かせ、そのような荒々しい滞在生活を終わらせることを望んでいました。 ボーア星系の衰退は、その繁栄と同じくらい急速でした。ますます多くの人々が原子の世界に注意を向けるようになり、より多くの実験的な観測を行いました。毎日、人々は新しい情報を入手し、熱意を刺激し、この神秘的な王国の顔を明らかにすることができます.コペンハーゲンとゲッチンゲンでは、物理学の天才たちが原子核、電子、量子について熱心に語り、数式や文字で埋め尽くされた原稿のページにはインスピレーションと創造性が織り込まれ、偉大な時代の到来への序曲となりました。緑の山々はそれを覆うことができず、結局、東に流れています。時代のペースが速すぎて、動揺しているボーア原子はついに無力になり、歴史の舞台から撤退し、広大な黄砂の中に消えていき、時折思い出せる名前は 1 つだけになります。 1925 年から 1926 年にかけてのハイゼンベルク (Werner Heisenberg) とシュレーディンガー (Erwin Schrodinger) の先駆的な仕事がボーアのシステムの終わりと見なされる場合、この理論は合計で約 13 年間栄えました。物理世界における量子の重要性を人々に認識させ、その力を利用して初めて原子内部の謎を解き明かします。しかし、これまで見てきたように、ボーアの革命は不完全な革命であり、量子仮説は彼の体系の中で根本的な地位を獲得することはなく、古典理論と現実の間の矛盾を調停するための家臣にすぎないように思われた。ボーアの理論では、電子が離散的なエネルギー準位と量子化された振る舞いをする理由を説明できません。ボーアは、量子論と古典論の間の折衷的な道をたどったため、彼の原子は常に半分新しい色になり、克服できない困難のために最終的に崩壊しました。ボーアの軌道原子はまばゆいばかりの火球のように強い光を放ちますが、瞬く間に夜空を横切り、再び闇と混沌に陥ります。それはとても急いで行ったり来たりするので、人々はベルトに結び目を作って美しい願い事をする時間すらありません. しかし、その寿命が短いために、その重要性は決して色あせることはありませんでした。量子パワーを発掘し、将来のパイオニアへの道を開いたのはそれでした。それは過去と未来の間のリンクであり、物理学全体のペースを効果的に促進しました.ボーア モデルは依然としてかなり良好な近似値であり、そのアイデアの一部は今日でも参照や学習に使用されています。それが描く原子の絵は時代遅れですが、それは非常に鮮やかで鮮やかであるため、今日まで大衆の心の中で標準的なスタイルであり、科学のイメージさえ表しています.たとえば、1980 年代の終わりまで、科学を表す図が中国の街頭のいたるところで見られたことを思い出すことができるはずです。楕円軌道に沿って原子核を周回する 3 つの電子です。このパターンは 1990 年代にようやく姿を消し、ついに誰かが問題に気付きました。 ボーアシステムでは、ランダム性と決定論の間にすでに矛盾があります。ボーアの理論に関する限り、電子がいつ、どこで自動的に遷移するかを判断することは不可能であり、ランダムなプロセスに似ています。1919 年、マックス プランクの招待で、ボーアは戦後のベルリンを訪れました。そこでは、プランクとアインシュタインが彼を温かく迎え、量子力学の 3 人の巨人がいくつかの物理的な問題について議論しました。ボーアは、軌道間の電子の遷移は予測できないようであり、自発的なランダム過程であると信じていました.少なくとも理論的には、電子の特定の遷移条件を計算する方法はありません.アインシュタインは頭を振って、物理的なプロセスはすべて決定論的で予測可能だと考えました。これは、将来、両者の間の長期にわたる紛争の種を蒔きました。 もちろん、我らが尊きニールス。古い量子論が崩壊したからといって、ボーア氏が物理学の段階から撤退することはありません。それどころか、彼に関する素晴らしい物語は始まったばかりです。彼はまた、死ぬまで物理学の最前線で長く戦うことになります。1921 年 9 月、コペンハーゲンにあるボーアの研究所がついに完成し、36 歳のボーアは研究所の所長になりました。彼の人柄の魅力は、瞬く間に世界中から才能ある若者を磁場のように惹きつけ、ヨーロッパ全土のアカデミックセンターへと変貌させました。Georg von Hevesy、Otto Frisch、Pauli、Heisenberg、Nevill Mott、Lev D. Landau、George Gamov ここにいる人々 ここに来て、ここの自由な雰囲気とボーアの気遣いを十分に感じ、情熱、活力、楽観主義、進取の精神に満ちた学問の精神を形成してくださいコペンハーゲンのスピリットであり、後世に称賛されたスピリットです。デンマークという小さな国には、物理​​学界にとって神聖な場所があり、量子力学の未来だけでなく、私たちの基本的な世界観や考え方にも大きな影響を与えるでしょう。 三つ ボーアの原子がまだ泥沼にはまっていて、自分自身を解放することができなかったとき、新しい革命はすでに醸造されていました.今回、革命家は貧しいプロレタリア大衆からではなく、著名な貴族の家族から来ました。ルイ。ビクター。ピレス。レイモンド。デ。ルイ・ヴィクトル・ピエール・レイモンド・ド・ブロイ王子は、彼の輝かしい家族の歴史に新たな次元を加えます. 王子（王子、息子とも訳される）の称号は、私たちが通常理解しているものではなく、王の息子です。実際、騎士団の表ではあまり上位にランクされておらず、英語圏では見られないようです。ステータスは大まかに言うと、Viscount (バイカウント) より少し下、Baron (バロン) より少し上。しかし、これはルイが家族のボスではないという理由だけです. ドブロイ家には長い歴史があります. 多くの将軍、元帥、大臣が彼の先祖から現れました. 16人の部下が仕えました.彼らはポーランド継承戦争（1733︱1735）、オーストリア継承戦争（1740︱1748）、七年戦争（1756︱173）、アメリカ独立戦争（1775︱1782）、フランス革命（1789）に参加した。 、2 月革命 (1848 年)、フランツ 2 世 (神聖ローマ皇帝) を受け入れ、後にオーストリアのフランツ 1 世皇帝に退位) とルイ。フィリップ（ルイ・フィリップ、フランス王、歴史上オルレアン公として知られる）の正統化により、家族は最高の世襲的地位の称号を継承します：公爵（フランスの公爵、英語の公爵に相当）。ルイ。ド・ブロイの兄、モーリス。モーリス・ド・ブロイは第6代ド・ブロイ公爵です。1960 年にモーリスが亡くなったとき、ルイはついに兄から名誉称号を継承し、7 代目のブロイ公になりました。 もちろん、その前にルイはまだ王子の称号を持っていた.リトル ルイは歴史に強い関心を示しました. 彼の祖父であるジャック ヴィクトル アルベール (ドゥ ブロイ公) は政治家であるだけでなく、1873 年から 1874 年までフランスの首相を務めました. Histoire de l'e'glise et de l'empire romain (聖座の歴史) を書きました。祖父の影響で、幼いルイは歴史を学ぶためにパリ大学に入学することを決心しました。18 歳 (1910 年) で大学を卒業しましたが、彼の関心が物理学に強く変わったため、歴史の分野でそれ以上の研究を続けることはありませんでした。兄のモリス。ド ブロイ (ド ブロイの第 6 代公爵) は有名な光線物理学者です. ルイは弟に続いて 1911 年にブリュッセル物理学会議に出席し、彼の科学への熱意は完全に刺激され、このエキサイティングな原因に彼の人生を捧げることを決意しました. 物理学に転向した直後、第一次世界大戦が勃発した。ド・ブロイは陸軍に入隊し、無線技術者としての仕事を割り当てられました。彼は貧しいヘンリーよりも優れている.モズレーは、戦争を無傷で生き延び、大学で物理学を学び続けることができて、はるかに幸運でした.彼の博士指導教官は有名なポールです。ランジュヴァン（ポール・ランジュヴァン）。 この時点で、私は声明を出すために少し立ち止まる必要があります。これまでの私たちのストーリーテリングは、いくつかのエキサイティングな革命と目を見張るような新しいアイデアを振り返ってきました (少なくとも私はそう願っています) が、一般的にはまだ古典的な世界の領域にとどまっています.そして、私の印象では、これまでのところ、私たちのトピックは中学校の物理の教科書や大学入試の範囲を超えていません。一般の読者にとって、少しだけなじみのないことは、クォンタム・リープの考え方かもしれません。そして、この考えを受け入れることは、それほど難しく、望まないことではありません。 しかしその後、私たちは完全にファンタジーの世界にいます。この世界は奇妙で、私たちが通常認識し、認識している世界とはまったく異なります。この新しい世界では、すべてのイメージと概念がクレイジーで不合理に見え、現実的な土地というよりも、アリスの夢の中の不思議の国に似ています。多くの名詞は非常に奇妙で、その真の意味は数学的ツールの助けを借りてのみ把握することができます.もちろん、著者はいつものようにそれらを最も簡単な言葉で表現しようとしますが、それでも精神的に準備することを全員に思い出させる必要があります。表現の便宜上、1 つのことを完全に述べるように最善を尽くしてから、トピックを変更します。歴史上、これらはすべて圧倒されますが、それらは混ざり合い、混乱し、人々は手がかりを伝えることができません.次の物語では、時々年を飛び越えなければならないかもしれません。時間の感覚をつかみたい読者は、正確な年に注意を払うべきです。 私たちはすでに素晴らしい瞬間を迎えようとしています。間もなく新しい量子力学が生み出され、今度はその力が全開となり、ボーアの半分新しい系を含め、すべての古いものは完全に破壊されます。それは間もなく私たちにとって新しい世界を明らかにするでしょう、それを垣間見るだけで人々はめまいと悲痛を感じるのに十分な新しい世界です.しかし、私たちはすでにここに立っているのだから、迷わず前に進むしかありません。だからついて来い、無数のエキサイティングなことが私たちを待っています。 話題はド・ブロイに戻ります。彼は問題について考えていました。つまり、観察された現実に適合するために、周期の概念をボーアの原子モデルに自然に導入する方法です。もともと、この条件は電子に課せられた量子化モードでした. ボーアの厳格な規則の下では、電子は従順ですが、常に少し気が進まなかった.ド・ブローグは、電子を解き放ち、電子に自らの意思決定をさせる時が来たと考えました. さまざまな周期的および量子化された現象を意識的に示すことができるように、電子に基本的な性質を与えるにはどうすればよいでしょうか?De Bro は、アインシュタインと彼の相対性理論を知っていました。他開始這樣地推論：根據愛因斯坦那著名的方程，如果電子有品質m，那麼它一定有一個內稟的能量E ＝mc^2。好，讓我們再次回憶那個我說過很有用的量子基本方程，E ＝hν，也就是說，對應這個能量，電子一定會具有一個內稟的頻率。這個頻率的計算很簡單，因為mc^2＝E＝hν，所以ν＝mc^2／h。 良い。電子有一個內在頻率。那麼頻率是什麼呢？它是某種振動的週期。那麼我們又得出結論，電子內部有某些東西在振動。是什麼東西在振動呢？德布羅意借助相對論，開始了他的運算，結果發現當電子以速度v0前進時，必定伴隨著一個速度為c^2/v0的波 噢，你沒有聽錯。電子在前進時，總是伴隨著一個波。細心的讀者可能要發出疑問，因為他們發現這個波的速度c^2/v0將比光速還快上許多，但是這不是一個問題。德布羅意證明，這種波不能攜帶實際的能量和資訊，因此並不違反相對論。愛因斯坦只是說，沒有一種能量信號的傳遞能超過光速，對德布羅意的波，他是睜一隻眼閉一隻眼的。 德布羅意把這種波稱為相波（phase wave），後人為了紀念他，也稱其為德布羅意波。計算這個波的波長是容易的，就簡單地把上面得出的速度除以它的頻率，那麼我們就得到：λ＝（c^2／v）／（mc^2／h）＝h／mv。這個叫做德布羅意波長公式。 但是，等等，我們似乎還沒有回過神來。我們在談論一個波！可是我們頭先明明在討論電子的問題，怎麼突然從電子裡冒出了一個波呢？それはどこから来たのか？我希望大家還沒有忘記我們可憐的波動和微粒兩支軍隊，在玻爾原子興盛又衰敗的時候，它們一直在苦苦對抗，僵持不下。一九二三年，德布羅意在求出他的相波之前，正好是康普頓用光子說解釋了康普頓效應，從而帶領微粒大舉反攻後不久。倒楣的微粒不得不因此放棄了全面進攻，因為它們突然發現，在電子這個大後方，居然出現了波動的奸細！而且怎麼趕都趕不走。 電子居然是一個波！這未免讓人感到太不可思議。可敬的普朗克紳士在這些前衛而反叛的年輕人面前，只能搖頭興歎，連話都說不出來了。假如說當時全世界只有一個人支持德布羅意的話，他就是愛因斯坦。德布羅意的導師朗之萬對自己弟子的大膽見解無可奈何，出於挽救失足青年的良好願望，他把論文交給愛因斯坦點評。誰料愛因斯坦馬上予以了高度評價，稱德布羅意揭開了大幕的一角。整個物理學界在聽到愛因斯坦的評論後大吃一驚，這才開始全面關注德布羅意的工作。 證據，我們需要證據。所有的人都在異口同聲地說。如果電子是一個波，那麼就讓我們看到它是一個波的樣子。把它的衍射實驗做出來給我們看，把干涉圖紋放在我們的眼前。德布羅意有禮貌地回敬道：是的，先生們，我會給你們看到證據的。我預言，電子在通過一個小孔的時候，會像光波那樣，產生一個可觀測的衍射現象。 一九二五年四月，在美國紐約的貝爾電話實驗室，大衛遜（CJ Davisson）和革末（LH Germer）在做一個有關電子的實驗。這個實驗的目的是什麼我們不得而知，但它牽涉到用一束電子流轟擊一塊金屬鎳（nickel）。實驗要求金屬的表面絕對純淨，所以大衛遜和革末把金屬放在一個真空的容器中，以確保沒有雜質混入其中。 不幸的是，發生了一件意外。這個真空容器因為某種原因發生了爆炸，空氣一擁而入，迅速地氧化了鎳的表面。大衛遜和革末非常懊喪，不過他們並不因此放棄實驗，他們決定，重新淨化金屬表面，把實驗從頭來過。當時，去除氧化層的好辦法就是對金屬進行高熱加溫，這正是大衛遜所做的。 兩人並不知道，正如雅典娜暗中助推著阿爾戈英雄們的船隻，幸運女神正在這個時候站在他倆的身後。容器裡的金屬，在高溫下發生了不知不覺的變化：原本它是由許許多多塊小晶體組成的，而在加熱之後，整塊鎳融合成了一塊大晶體。雖然在表面看來，兩者並沒有太大的不同，但是內部的劇變已經足夠改變物理學的歷史。 當電子通過鎳塊後，大衛遜和革末瞠目結舌，久久說不出話來。他們看到了再熟悉不過的景象：X射線衍射圖案！可是並沒有X射線，只有電子，人們終於發現，在某種情況下，電子表現出如X射線般的純粹波動性質來。電子，無疑地是一種波。 更多的證據接踵而來。一九二七年，GP湯姆遜，著名的JJ湯姆遜的兒子，在劍橋通過實驗進一步證明了電子的波動性。他利用實驗資料算出的電子行為，和德布羅意所預言的吻合得天衣無縫。 命中註定，大衛遜和湯姆遜將分享一九三七年的諾貝爾獎金，而德布羅意將先於他們八年獲得這一榮譽。有意思的是，GP湯姆遜的父親，JJ湯姆遜因為發現了電子這一粒子而獲得諾貝爾獎，他卻因為證明電子是波而獲得同樣的榮譽。歷史有時候，實在富有太多的趣味性。 飯後閒話：父子諾貝爾 俗話說，將門無犬子，大科學家的後代往往也會取得不亞於前輩的驕人成績。JJ湯姆遜的兒子GP湯姆遜推翻了老爸電子是粒子的觀點，證明電子的波動性，同樣獲得諾貝爾獎。這樣的世襲科學豪門，似乎還不是絕無僅有。 居里夫人和她的丈夫皮埃爾．居里於一九○三年分享諾貝爾獎（居里夫人在一九一一年又得了一個化學獎）。他們的女兒約里奧．居里（Irene Joliot-Curie）也在一九三五年和她丈夫一起分享了諾貝爾化學獎。居里夫人的另一個女婿，美國外交家Henry R.Labouisse，在一九六五年代表聯合國兒童基金會（UNICEF）獲得了諾貝爾和平獎。 一九一五年，William Henry Bragg和William Lawrence Bragg父子因為利用X射線對晶體結構做出了突出貢獻，分享了諾貝爾物理獎金。 我們大名鼎鼎的尼爾斯．玻爾獲得了一九二二年的諾貝爾物理獎。他的小兒子，埃格．玻爾（Aage Bohr）於一九七五年在同樣的領域獲獎。 卡爾．塞班（Karl Siegbahn）和凱伊．塞班（Kai Siegbahn）父子分別於一九二四和一九八一年獲得諾貝爾物理獎。 假如俺的老爸是大科學家，俺又會怎樣呢？不過恐怕還是如現在這般浪蕩江湖，尋求無拘無束的生活吧，呵呵。 四 電子居然是個波！這個爆炸性新聞很快就傳遍了波動和微粒雙方各自的陣營。剛剛還在康普頓戰役中焦頭爛額的波動一方這下揚眉吐氣，終於可以狠狠地嘲笑一下死對頭微粒。《波動日報》發表社論，宣稱自己取得了決定性的勝利。微粒的反叛勢力終將遭遇到他們應有的可恥結局電子的下場就是明證。光子的反擊，在波動的眼中突然變得不值一提了，連電子這個老大哥都搞定了，還怕小小的光子？ 不過這次，波動的樂觀態度未免太一廂情願，它高興得過早了。微粒方面的宣傳輿論工具也沒閒著，《微粒新聞》的記者採訪了德布羅意，結果德布羅意說，當今的輻射物理被分成粒子和波兩種觀點，這兩種觀點應當以某種方式統一，而不是始終地尖銳對立這不利於理論的發展前景。對於微粒來說，講和的提議自然是無法接受的，但至少讓它高興的是，德布羅意沒有明確地偏向波動一方。微粒的技術人員也隨即展開反擊，光究竟是粒子還是波都還沒說清，誰敢那樣大膽地斷言電子是個波？讓我們看看電子在威爾遜雲室裡的表現吧。 威爾遜雲室是英國科學家威爾遜（CTR Wilson）在一九一一年發明的一種儀器。水蒸氣在塵埃或者離子通過的時候，會以它們為中心凝結成一串水珠，從而在粒子通過之處形成一條清晰可辨的軌跡，就像天空中噴氣式飛機身後留下的白霧。利用威爾遜雲室，我們可以研究電子和其他粒子碰撞的情況，結果它們的表現完全符合經典粒子的規律。在過去，這或許是理所當然的事情，但現在對於粒子軍來說，這個證據是寶貴的。威爾遜因為發明雲室在一九二七年和康普頓分享了諾貝爾獎金。如果說一九三七年大衛遜和湯姆遜的獲獎標誌著波動的狂歡，那十年的這次諾貝爾頒獎禮無疑是微粒方面的一次盛典。不過那個時候，戰局已經出乎人們的意料，有了微妙的變化。當然這都是後話了。 捕捉電子位置的儀器也早就有了，電子在感應屏上，總是激發出一個小亮點。Hey，微粒的將軍們說，波動怎麼解釋這個呢？哪怕是電子組成衍射圖案，它還是一個一個亮點這樣堆積起來的。如果電子是波的話，那麼理論上單個電子就能構成整個圖案，只不過非常黯淡而已。可是情況顯然不是這樣，單個電子只能構成單個亮點，只有大量電子的出現，才逐漸顯示出衍射圖案來。 微粒的還擊且不去說他，更糟糕的是，無論微粒還是波動，都沒能在德布羅意事變中撈到實質性的好處。波動的嘲笑再尖刻，它還是對光電效應、康普頓效應等等現象束手無策，而微粒也還是無法解釋雙縫干涉。雙方很快就發現，戰線還是那條戰線，誰都沒能前進一步，只不過戰場被擴大了而已。電子現在也被拉進有關光本性的這場戰爭，這使得戰爭全面地被升級。現在的問題，已經不再僅僅是光到底是粒子還是波，現在的問題，是電子到底是粒子還是波，你和我到底是粒子還是波，這整個物質世界到底是粒子還是波。 事實上，波動這次對電子的攻擊只有更加激發了粒子們的同仇敵愾之心。現在，光子、電子、α粒子、還有更多的基本粒子，他們都決定聯合起來，為了大粒子王國的神聖保衛戰而並肩奮鬥。這場波粒戰爭，已經遠遠超出了光的範圍，整個物理體系如今都陷於這個爭論中，從而形成了一次名副其實的世界大戰。玻爾在一九二四年曾試圖給這兩支軍隊調停，他和克萊默（Kramers）還有斯雷特（Slater）發表了一個理論（稱作BSK理論），嘗試同時從波和粒子的角度去解釋能量轉換，但雙方正打得眼紅，這次調停成了外交上的徹底失敗，不久就被實驗所否決。戰火熊熊，燃遍物理學的每一寸土地，同時也把它的未來炙烤得焦糊不清。 物理學已經走到了一個十字路口。它迷茫而又困惑，不知道前途何去何從。昔日的經典輝煌已經變成斷瓦殘垣，一切回頭路都被斷絕。如今的天空濃雲密佈，不見陽光，在大地上投下一片陰影。人們在量子這個精靈的帶領下一路走來，沿途如行山陰道上，精采目不暇接，但現在卻突然發現自己已經身在白雲深處，彷徨而不知歸路。放眼望去，到處是霧茫茫一片，不辨東南西北，叫人心中沒底。玻爾建立的大廈雖然看起來還是頂天立地，但稍微瞭解一點內情的工程師們都知道它已經幾經裱糊，傷筋動骨，搖搖欲墜，只是仍然在苦苦支撐而已。更何況，這個大廈還憑藉著對應原理的天橋，依附在麥克斯韋的舊樓上，這就教人更不敢對它的前途抱有任何希望。在另一邊，微粒和波動打得烽火連天，誰也奈何不了誰，長期的戰爭已經使物理學的基礎處在崩潰邊緣，它甚至不知道自己是建立在什麼東西之上。 不過，我們也不必過多地為一種悲觀情緒所困擾。在大時代的黎明到來之前，總是要經歷這樣的深深的黑暗，那是一個偉大理論誕生前的陣痛。當大風揚起，吹散一切嵐霧的時候，人們會驚喜地發現，原來他們已經站在高高的山峰之上，極目望去，滿眼風光。 那個帶領我們穿越迷霧的人，後來回憶說：一九二四到一九二五年，我們在原子物理方面雖然進入了一個濃雲密佈的領域，但是已經可以從中看見微光，並展望出一個令人激動的遠景。 說這話的是一個來自德國的年輕人，他就是維爾納．海森堡（Werner Heisenberg）。 在本史話第二章的最後，我們已經知道，海森堡於一九○一年出生於維爾茲堡（Wrzburg），他的父親後來成為了一位有名的希臘文教授。小海森堡九歲那年，他們全家搬到了慕尼克，他的祖父在那裡的一間學校（叫做Maximilians Gymnasium的）當校長，而海森堡也自然進了這間學校學習。雖然屬於高幹子弟，但小海森堡顯然不用憑藉這種關係來取得成績，他的天才很快就開始讓人吃驚，特別是數學和物理方面的，但是他同時也對宗教、文學和哲學表現出強烈興趣。這樣的多才多藝預示著他以後不僅僅將成為一個劃時代的物理學家，同時也將成為一為重要的哲學家。 一九一九年，海森堡參與了鎮壓巴伐利亞蘇維埃共和國的軍事行動，當然那時候他還只是個大男孩，把這當成一件好玩的事情而已。對他來說，更嚴肅的是在大學裡選擇一條怎樣的道路。當他進入慕尼克大學後，這種選擇便很現實地擺在他面前：是跟著林德曼（Ferdinand von Lindemann），一位著名的數學家學習數論呢，還是跟著索末非學習物理？海森堡終於選擇了後者，從而邁出了一個科學巨人的第一步。 一九二二年，玻爾應邀到哥廷根進行學術訪問，引起轟動，甚至後來被稱為哥廷根的玻爾節。海森堡也趕到哥廷根去聽玻爾的演講，才三年級的他竟然向玻爾提出一些學術觀點上的異議，使得玻爾對他刮目相看。事實上，玻爾此行最大的收穫可能就是遇到了海森堡和泡利，兩個天才無限的年輕人。而這兩人之後都會遠赴哥本哈根，在玻爾的研究室和他一起工作一段日子。 到了一九二五年，海森堡他現在是博士了已經充分成長為一個既朝氣蓬勃又不乏成熟的物理學家。他在慕尼克、哥廷根和哥本哈根的經歷使得他得以師從當時最好的幾位物理大師。而按他自己的說法，他從索末非那裡學到了樂觀態度，在哥廷根從波恩，弗蘭克還有希爾伯特那裡學到了數學，而從玻爾那裡，他學到了物理（索末非似乎很沒有面子，呵呵）。 現在，該輪到海森堡自己上場了。物理學的天空終將雲開霧散，露出璀璨的星光讓我們目眩神迷。在那其中有幾顆特別明亮的星星，它們的光輝照亮了整個夜空，組成了最華麗的星座。不用費力分辨，你應該能認出其中的一顆，它就叫維爾納．海森堡。作為量子力學的奠基人之一，這個名字將永遠鐫刻在時空和歷史中。 飯後閒話：被誤解的名言 這個閒話和今天的正文無關，不過既然這幾日討論牛頓，不妨多披露一些關於牛頓的歷史事實。 牛頓最為人熟知的一句名言是這樣說的：如果我看得更遠的話，那是因為我站在巨人的肩膀上（If I have seen further it is by standing on the shoulders of Giants）。這句話通常被用來讚歎牛頓的謙遜，但是從歷史上來看，這句話本身似乎沒有任何可以理解為謙遜的理由。 首先這句話不是原創。早在十二世紀，伯納德（Bernard of Chartres，他是中世紀的哲學家，著名的法國沙特爾學校的校長）就說過：Nos esse quasi nanos gigantium humeris insidientes。這句拉丁文的意思就是說，我們都像坐在巨人肩膀上的矮子。這句話，如今還能在沙特爾市那著名的哥特式大教堂的窗戶上找到。從伯納德以來，至少有二三十個人在牛頓之前說過類似的話。 牛頓說這話是在一六七六年給胡克的一封信中。當時他已經和胡克在光的問題上吵得昏天黑地，爭論已經持續多年（可以參見我們的史話）。在這封信裡，牛頓認為胡克把他（牛頓自己）的能力看得太高了，然後就是這句著名的話：如果我看得更遠的話，那是因為我站在巨人的肩膀上。 這裡面的意思無非兩種：牛頓說的巨人如果指胡克的話，那是一次很明顯的妥協：我沒有抄襲你的觀念，我只不過在你工作的基礎上繼續發展這才比你看得高那麼一點點。牛頓想通過這種方式委婉地平息胡克的怒火，大家就此罷手。但如果要說大度或者謙遜，似乎很難談得上。牛頓為此一生記恨胡克，哪怕幾十年後，胡克早就墓木已拱，他還是不能平心靜氣地提到這個名字，這句話最多是試圖息事寧人的外交詞令而已。另一種可能，巨人不指胡克，那就更明顯了：我的工作就算不完全是自己的，也是站在前輩巨人們的肩上沒你胡克的事。 更多的歷史學家認為，這句話是一次惡意的揶揄和諷刺胡克身材矮小，用巨人似乎暗含不懷好意。持這種觀點的甚至還包括著名的史蒂芬．霍金，正是他如今坐在當年牛頓盧卡薩教授的位子上。 牛頓還有一句有名的話，大意說他是海邊的一個小孩子，撿起貝殼玩玩，但還沒有發現真理的大海。這句話也不是他的原創，最早可以追溯到Joseph Spence。但牛頓最可能是從約翰．密爾頓的《復樂園》中引用（牛頓有一本密爾頓的作品集）。這顯然也是精心準備的說辭，牛頓本人從未見過大海，更別提在海灘行走了。他一生中見過的最大的河也就是泰晤士河，很難想像大海的意象如何能自然地從他的頭腦中跳出來。 我談這些，完全沒有詆毀誰的意思。我只想說，歷史有時候被賦予了太多的光圈和暈輪，但還歷史的真相，是每一個人的責任，不論那真相究竟是什麼。同時，這也絲毫不影響牛頓科學上的成就他是有史以來最偉大的科學家。