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    【转载】 科学史上的弄潮儿——那些和“波”有关的伟大工作(下)

    更新时间:2017-08-23 点击数:1694


    4

    伊壁鸠鲁:随机转向


    伊壁鸠鲁的大理石雕像


    这里我们说的并不是一般意义上的波,而是公元前300年左右由希腊哲学家伊壁鸠鲁设想的相对直线运动的偏差。与亚里士多德不同,伊壁鸠鲁相信原子论,并辩称我们的世界是由无限个随机碰撞的微小粒子构筑而成。他认为,如果没有某种难以预测的“转向”使得原子的路径发生偶然的偏转,原子理应直接坠入宇宙的中心。在这种随机转向的影响下,原子彼此碰撞并聚集成一些复杂的结构。


    当代哲学家们并未遗漏伊壁鸠鲁关于随机转向的跨时代构想,并敏锐地发现了这种思想和量子力学中粒子运动不确定性之间的联系。而在量子力学中,粒子的这种所谓随机“转向”本身就是波。


    3

    路易斯·德布罗意:物质波


    20世纪20年代早期,德布罗意注意到量子力学与相对论之间奇妙的联系,普朗克那著名的量子公式将能量与波动的频率联系在一起;而爱因斯坦的狭义相对论又把能量与粒子质量关联起来。德布罗意心想,一旦找出这两个看似风马牛不相及的理论之间的瓜葛,说不定能写一篇不错的博士论文呢。如果粒子能量等价于质量(乘以光速的平方),且同样等价于频率(乘以普朗克常数),那就愉快地决定了,质量等价于频率(乘以一些常数的组合)。因此,德布罗意推断,既然粒子质量对应着频率,那粒子本身也应当以波的形式存在。


    这听起来也许很奇怪,但爱因斯坦读了论文后觉得德布罗意的观点很合理。很快德国物理家沃尔特·埃尔泽塞尔和美国物理学家克林顿·戴维森及其合作者分别独立证明电子的确会表现出波的性质,这一实验事实无疑佐证了德布罗意的观点。


    德布罗意于1929年获得诺贝尔物理学奖;戴维森和乔治·汤姆逊于1937年共享诺贝尔奖,后者同样也得到了电子波动性的实验证据,有意思的是,乔治的父亲老汤姆逊于1906年因发现电子粒子的存在而获得诺奖。1986年恩斯特鲁斯卡凭借设计出以电子波动性为原理的电子显微镜获得诺奖。


    2

    马克斯·玻恩:概率波


    德布罗意思想的火花在量子力学领域燃起了一片燎原之火,物理学家们尝试把物质波理论整合进量子力学框架内。尼尔斯·玻尔也是其中一员,他为整合电子与光波的波粒二象性可谓呕心沥血。与此同时,埃尔文·薛定谔则发展出了完善的“波动力学”,完全从波动的视角去看待原子中电子的运动。尽管一些实验清楚地表明电子是实物粒子,但薛定谔引入的“波函数”所描绘的理论图景却与实验结果十分契合。


    爱因斯坦的好友,德国物理学家玻恩发现了解释波函数的关键:波函数模的平方标示了在给定点粒子出现的概率。当玻恩将自己的发现与新鲜出炉的海森堡不确定性原理联系在一起时,近代物理图景的电子本质已是昭然若揭:电子在被观测前是波一样的存在,并不具备确定的位置。这种理解方式在各种实际应用中都行之有效,但物理学家和哲学家们直至今日仍在无休止地辩论波函数的物理实质。


    1

    LIGO: 引力波


    在完成广义相对论后不久,爱因斯坦意识到他的理论预示了引力辐射存在的可能性——即时空本身的振荡。然而他老人家何曾想到,在百年以后,物理学家们豪掷千金,竟然真的探测到了这些时空的涟漪。在2015年,借助激光技术(大概也算是排行第11位的工作吧),路易斯安那州和华盛顿州的两座激光干涉仪引力波天文台,成功捕捉到了由两个黑洞碰撞所引发的时空颤动的蛛丝马迹。


    2015年9月14日,位于华盛顿州的汉福德和路伊斯安娜州的利文斯顿的引力波探测器几乎在同时记录到了时空的波纹。


    这一发现无疑是科学史上最为卓越的实验成就之一。它标志着天文学的新纪元,为天文学家的深空探测提供了新的可能,那由麦克斯韦口中“其他可能的辐射”所构成的神秘面纱,终究会被穿越星辰的引力波揭开吧。对天文学而言,引力波代表着未来。


    原文链接:

    https://www.sciencenews.org/blog/context/top-10-discoveries-about-waves


    编辑:山寺小沙弥


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