主题：【原创翻译】《量子》----第二部·男孩物理 -- 奔波儿
家园 自旋量子数很难理解 自由电子没有n,l,m量子数，但还是有自旋量子数。说是固有特性也对也不对，因为它可以在电子跃迁中改变自己的自旋量子数，从1/2到-/1/2或是相反。
家园 【原创】《量子》----第七章·自旋博士（1） “什么东西最值得人们羡慕？深谙逻辑思维，精通数学推导，无双的物理洞察力，清晰而有条理的表达能力，对学术文献的烂熟于胸，不达目的誓不罢休的干劲，或者鞭辟入里的判断力。”当爱因斯坦读到这篇“思虑严谨但又充满奇思妙想的文章”时，他被它深深地吸引住了。这篇关于相对论的文章总计237页，有394个注脚，但让爱因斯坦难以置信的是，这篇文章的作者是21岁的沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli：1900～1958），当时的他还只是一名大学生，而在他着手书写这篇文章之时，他还只有19岁。沃尔夫冈·泡利，江湖人称“上帝之怒（The Wrath of God）”，有些愤世嫉俗，被视为“堪与爱因斯坦比肩的天才”。“的确，从纯科学的角度看，”他曾经的老板马克斯·玻恩说，“他可能甚至比爱因斯坦还牛。”
1900年4月25日，沃尔夫冈·泡利出生于维也纳，这座繁华的城市还正沉浸在“世纪末（fin de siècle）”的恐慌之中。他的父亲，也叫沃尔夫冈，过去曾经是一位医生，但当时却已经离开医生行当，进入了科学研究的领域，在这一转换过程中，他将家族的姓氏从“Paschelles（帕施立斯）”改为“Pauli（泡利）”。这次身份改变是非常彻底的，由于惧怕日益高涨的反犹浪潮会影响到他的学术生涯，他放弃犹太信仰，改宗天主教。他的儿子在成长过程中对自己的犹太渊源一无所知。在大学里，当另外一位学生说他肯定是一个犹太佬儿，年轻的小沃尔夫冈非常吃惊：“我吗？不可能。从来没人告诉过我，我也不相信我是犹太人。”但是，当他随后返家看望双亲时，父母告诉了他这个事实。1922年，老沃尔夫冈被授予他期盼已久的教授职位，并被任命为维也纳大学新成立的医学化学学院的院长，他对自己这一身份转换并不觉得有什么负疚感。
泡利的母亲，伯莎（Bertha），是维也纳一位著名的记者兼作家。她朋友众多，人脉广泛，这意味着在这样的家庭环境下长大的小沃尔夫冈和比他小六岁的妹妹赫塔（Hertha）从小就熟识那些艺术、科学及医学界的才智之士。他的母亲同时也是一位和平主义者和社会活动家，对沃尔夫冈·泡利产生了很大的影响。影响他一生的少年时光是在一次世界大战的硝烟中度过的，在这段日子里，随着战争的进行，“他的反战立场日趋坚定，而最终，他对一却‘约定俗成的东西’都持反对态度”，他的一位朋友回忆说。1927年11月，母亲逝世，这时距离她49岁的生日还有两周。在《新自由报（Neue Freie Presse）》发表的讣告上，伯莎被称为“奥地利妇女界中少数具有非凡人格魅力的人之一”。
泡利有着学术上的天分，但并非一个模范学生，因为他觉得学校里的日子平淡无奇。为了弥补他求知的渴望，家里为他延请了物理学的家教。没多久，他就对学校里单调乏味的课程丧失了兴趣，于是他把爱因斯坦所写的关于广义相对论的论文藏在课桌里，并（在上课时）开始阅读它们。奥地利物理学家和哲学家恩斯特·马赫（Ernst Mach：1838～1916）是泡利的教父，在他的影响之下，物理学逐渐成为泡利的少年时代的挚爱。泡利后来与爱因斯坦以及玻尔结成了深厚的友情，但当他回忆起与马赫的交往（他们最后一次相见是1914年的夏天）时，他说那是“我求知寻识的一生中最重要的事情”。
1918年9月，泡利离开了他称之为“精神荒漠”的维也纳。奥匈帝国此时已经步入末路，维也纳昔日的光芒也正在褪去，他抱怨在这个城市的大学里并没有一流的物理学家。他本来可以去任何地方，但最后还是选择去慕尼黑，投入到阿诺德·索末菲门下学习。泡利抵达之时，索末菲在慕尼黑大学执掌理论物理学研究所已经十余年了，而且他刚刚推辞掉维也纳大学的教授聘书。自1906年履新之日，索末菲就立志要让研究所成为“理论物理学的托儿所（A Nursery of Theoretical Physics）”。尽管这个研究所并没有像玻尔在哥本哈根的研究所那样庞大，仅仅只有四个房间，即：索末菲的办公室，一间教室，一间学术会议室和一间小型图书馆。另外，在地下室还有一个较大的实验室，1912年，马克斯·冯·劳厄在这儿通过实验验证了X射线是一种短波长的电磁波，从而迅速奠定了该研究所的“托儿所”地位。
索末菲是一位异常优秀的导师，他善于为自己的学生设定一些他们力所能及的问题，用于锤炼学生们的能力。尽管手下不乏才智非凡的学生，但索末菲很快就发现泡利是那种罕见的特殊天才。1919年1月，泡利离开维也纳之前所写就的一篇关于相对论的论文发表了，索末菲并非那种能被人轻易打动的人，但这篇文章却给他留下了深刻的印象。在他的“托儿所”里，他的这位不满19岁的一年级新生，已经被其他人视为相对论的专家了。
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 【原创】《量子》----第七章·自旋博士（9） 尽管到手的鸭子飞了，克罗尼格还是颇为他人考虑，他请求玻尔不要对外提及这件憾事，因为“乌伦贝克和古德斯米特对此肯定会非常不快的”。他知道这两位完全是无辜的。但是，乌伦贝克和古德斯米特慢慢知道了事情的原委。乌伦贝克后来当众坦承他和古德斯米特“并非是第一个提出电子的量子化旋转的人，而拉尔夫·克罗尼格早在1925年的春天就已经描绘出了我们理论中的大部分内容，可是主要是由于泡利的反对意见，他未能将自己的成果发表出来。”一位物理学家告诉古德斯米特，这佐证了“永远正确的神灵确实没有与自己一模一样的代理人”。
私下里，玻尔认为克罗尼格“是个傻孩子”。如果他对自己理论的正确性有信心的话，他就应该把它发表出来，而不要在乎别人怎么看。“公布或者消亡”是科学界里一条值得永远铭记的铁律。而在克罗尼格的内心中，他一定得到相似的结论。起初，他对泡利充满了怨恨，心中还夹杂着痛失发布电子自旋理论这一荣誉的懊悔，但这一却在1927年底冰消雪融。年仅28岁的泡利被任命为苏黎世的ETH（联邦理工学院）的理论物理学教授。克罗尼格当时第二次到哥本哈根做访问学者，泡利邀请他来给自己当助教。在克罗尼格接受了邀请后，泡利在回信中写道：“每次我说了什么言论，而接下来深入讨论之后，又会发现与我的先前的言论相矛盾”。
1926年三月，那些导致泡利起初拒绝电子自旋的问题都已经迎刃而解了。“现在，我要做的事情就是完全接受这一观点”，他在写过玻尔的信中说。多年以后，大多数物理学家都认为古德斯米特和乌伦贝克应该获得诺贝尔奖----毕竟，电子自旋是二十一世纪物理学领域最具影响力的理论之一，这是一个全新的量子概念。但是泡利----克罗尼格事件却让诺贝尔奖委员会在对授予二人这一荣誉一事上难以作为。因为自己的反对而导致克罗尼格功败垂成，这件事情让泡利一直心怀愧疚。作为不相容原理的发现者，泡利在1945年荣获了诺贝尔奖，然而克罗尼格却被拒之门外，这让他更是难以释怀。“年轻的时候，我是如此之愚蠢！”他后来说。
1927年7月7日，乌伦贝克和古德斯米特两人分别用时一个小时进行了论文答辩，均获得了博士学位。一向考虑周详的艾尔菲斯特所作的这种安排打破了惯常的规矩，他还为二人在密西根大学找到了工作。而在当时，这样的机会是非常难得的，古德斯米特在其暮年时说美国的这份教职“对我而言，其意义远远超出了一个诺贝尔奖”。
古德斯米特和乌伦贝克的成果第一次充分证明已有的量子理论在其应用领域已经走到了穷途末路。研究量子的理论物理学家们以前要想在经典物理学的领域占据某块阵地，他们一般得先对这块地盘进行量子化，而这样的日子已经一去不复返了，因为在经典物理学的领域里根本就找不到能与电子自旋这一量子概念相对应的理论。泡利以及荷兰的这对自旋博士（Spin Doctor）哥俩儿已经为“旧量子理论”敲响了丧钟，危机感盘旋在人们的心头。物理学“不再是合乎逻辑的连贯一致的理论，而变成了一盘混杂着假说、原理、定理和计算草案的大杂烩。”
“那时候，物理学简直是一塌糊涂；不管怎样，反正对我而言，它太复杂了，我希望自己是一个喜剧电影演员或者做类似的什么职业，而最好从来没听说过物理二字。”，这是泡利在1925年5月写下的一段话，而当时距离他提出不相容原理也不过刚过去六个月。“现在，我真希望玻尔能用他的新思想挽救我们大家。我请求他尽快行动起来，他对我是如此和蔼和耐心，对此我感情不尽。”但是，玻尔对“大家在理论上所处的困境”不予置评。那年的春天，人们千呼万唤着“新的”量子理论----量子力学赶紧现身，看起来只有量子魔法师才能请得动它。
（第七章完）
通宝推：五藤高庆,
本帖一共被 2 帖 引用 (帖内工具实现)家园 【原创】《量子》----第七章·自旋博士（8） 在他随后的归途之中，更多的物理学家前来拜会他，他们急于想知道玻尔对量子自旋的看法。火车停靠在哥廷根时，维尔纳·海森堡（他几个月前刚刚结束了给玻尔做助教的工作）和帕斯库尔·乔丹（Pascual Jordan：1902～1980）已经恭候在站台上。他告诉他们说电子自旋是一个伟大的进步。随后，他又前往柏林，去参加纪念普朗克于1900年12月在德国物理协会发表那篇著名报告25周年的庆典，那一天也被当作是量子的诞生日。泡利又一次出现火车站迎候玻尔的人群中，他刚从汉堡过来，还想继续和玻尔探讨自旋问题。正如他所担心的那样，玻尔现在已经改变立场，变成了电子自旋理论的支持者。泡利起初试图改变玻尔的观点，但却无功而返，他称量子自旋为“一个新的哥本哈根邪说（Copenhagen heresy）”。
一年以前，21岁的德裔美籍物理学家拉尔夫·克罗尼格（Ralph Kronig：1904～1995）首次提出电子自旋的观点时，泡利对此不以为然。克罗尼格在哥伦比亚大学获得了博士学位之后，他在欧洲的一些顶级物理研究所进行了为期两年的奥德赛式的学术之旅。1925年1月9日，他来到了蒂宾根大学，之后又在玻尔的研究所待了十个月。克罗尼格对奇异塞曼效应比较感兴趣，当作为邀请人的阿尔弗雷德·兰德（Alfred Landé：1888～1976）告诉他说泡利几天后会过来，克罗尼格闻讯非常兴奋。他来这儿的目的本来是想在发表自己的一篇论文之前先和兰德探讨一下不相容原理。兰德是索末菲的弟子，后来在法兰克福给玻尔当过助教，因此泡利对他一直青眼有加。兰德给克罗尼格看了一封信，这是泡利在前一年的11月份寄过来的。
泡利一生之中，写过成千上万封信。随着他的声望日隆，他成为越来越多的记者追逐的对象，而他的书信也被人高度推崇、传看和研究。但在玻尔的眼中，泡利这封诙谐机敏的来信不过是平常生活中的一件小事件。他把信塞进外套口袋里，就这样带着信周游四方，只要有谁对泡利所提及的问题或者观点哪怕只有一点兴趣，他也会拿出信让对方阅读。玻尔之所以这么做名义上是为了能答复泡利，可在他的眼前却时常出现这么一副虚拟的画面----泡利叼着烟斗坐在对面，正和他聊着天。“大概我们大家都惧怕泡利；其结果是，我们对他是如此惧怕以至于大家都不敢承认这一点。”他曾经戏谑地说道。
克罗尼格回忆说当他读到泡利写给兰德的信后，他的“好奇心被唤起了”。泡利有一个设想，即用由四个量子数组成的单一数组标定原子内部每一个电子，同时还谈到了其后果。刹那间，克罗尼格想到了第四个量子数的物理解释，即一个绕着其自转轴旋转的电子。但他很快就发现，要解释这个自旋的电子是非常困难的。然而，这个“绝妙的主意”是如此让人难以割舍，因此他花费数天时间进行数学和理论上的推演。就这样，他独立完成了自己的理论架构，而其内容与乌伦贝克和古德斯米特将在稍后的11月份发表的论文中的大部分内容是一致的。他向兰德解释了自己的理论，两个人打算等待泡利前来对这一理论做盖棺论定，他们都有些急不可待了。结果，克罗尼格被泼了一头的凉水，泡利以嘲弄的口吻评述他的理论说：“这真是个聪明的想法，但大自然却并不是这样存在的。”泡利坚决反对这一理论，兰德试图安慰惨遭打击的克罗尼格：“好吧，既然泡利都这么说了，那么它的确不应该这样。”垂头丧气的克罗尼格就这样将自己的理论扔到了垃圾桶里。
但现在，看到电子自旋的理论如此迅速地受到大家的关注，克罗尼格胸中又气又恨，他在1926年的三月写信给玻尔的助教亨德里克·克拉默斯（Hendrik Kramers：1894～1952）说自己是第一个提出电子自旋理论的人，但却因为泡利一番挖苦嘲笑，自己并没有发表这一理论。“以后，我将坚信自己的判断力，而不是信赖他人”，悲痛万分的克罗尼格在信中如此写道，可当他明白这个道理的时候，已经太迟了。克拉默斯读了克罗尼格的来信，感到很惋惜，他把信交给玻尔。玻尔依旧记得在克罗尼格逗留哥本哈根期间，他经跟自己以及其他人谈起过电子自旋的思想，但自己当时对此并不赞同。为此玻尔给克罗尼格写了一封信，在信中表达了自己对这件事情感到“无比的震惊和深深的遗憾”。克罗尼格收信后回复道：“我本该在这件事情上一言不发，我并不是想抨击某些装腔作势的物理学家，他们总是自以为是，自高自大，把自己当作是真理的代言人。”
通宝推：五藤高庆,
本帖一共被 2 帖 引用 (帖内工具实现)家园 逐篇花。 老兄的名字来源是什么？我只想起西游记的奔波儿霸、霸波儿奔。
家园 【原创】《量子》----第七章·自旋博士（7） 按照经典物理学的理论，人们在日常生活中所见到的旋转运动能够指向任何方向。但是，乌伦贝克提出的是量子自旋（Quantum Spin），这是一种“双值型的”自旋运动，即“向上”或者“向下”。根据他的描述，这两种自旋状态对于电子而言就是在其围绕原子核旋转的同时，它还环绕着一根垂向轴做顺时针旋转或者逆时针自旋。假如电子这样运动的话，那么它就会产生自己的磁场，就像是一个亚原子磁棒（Subatomic Bar Magnet）。电子可以按照与外部磁场相同或者相反的方向排列在一起。第一次，人们认识到在电子可以依存的这些轨道上，电子总是成对出现，其中一个“向上”自旋，另一个“向下”自旋。然而，这两种自旋方向所拥有的能量虽然相似但并不完全相同，这就会产生两个存在微小差异的能级，并引起了碱金属原子的双谱线，即在谱线图上本应该只存在一个谱线的地方却出现了两个彼此间隔极小的谱线。
乌伦贝克和古德斯米特指出电子的自旋可以是正负1/2，而这两个值正好满足了泡利所提出的这第四个量子数应该是“双值型的”限制条件。
10月中旬，乌伦贝克和古德斯米特写就一篇仅仅只有一页纸的论文，并把文章交给埃伦费斯特审阅。在这篇论文中，作者的排序是按照二人姓氏字母顺序排列的（即古德斯米特（Goudsmit）在前，乌伦贝克（Uhlenbeck）在后），他建议二人调换一下作者的排序。因为古德斯米特已经就原子谱线问题发表过好几篇反响良好的文章，所以他考虑到读者可能会误以为乌伦贝克只是一位参与文章撰写的新人。古德斯米特对此表示赞同，因为“提出自旋观点的人是乌伦贝克”。但对这一概念自身是否可行，埃伦费斯特并不确定。为此，他写信给洛仑兹，征询“他对这一奇思妙想的判断和意见”。
洛仑兹当时已经72岁，退休后一直住在哈勒姆（Haarlem），尽管如此，他依然每周一次访问莱顿，给学生上课。星期一的早上，在洛仑兹下课后，乌伦贝克和古德斯米特与他会了面。“洛仑兹并没有打击我们，”乌伦贝克说“他沉默了一会儿，然后说这个想法很有意思，他需要考虑一下。”一、两周后，乌伦贝克从洛仑兹手中收到了最终判决，这是一摞列满了数学公式的纸，洛仑兹的计算结果与自旋的判断相左。洛仑兹指出，自旋电子的平面的移动速度将会超过光速，而根据爱因斯坦的狭义相对论理论，这种情况是被严格禁止的。接着，又一个问题被发现了。根据自旋电子理论，碱金属元素的双谱线会出现进一步的分裂，也就是说，理论数目将会是实测数目的两倍。乌伦贝克请求埃伦费斯特不要提交这篇论文，但太迟了，因为埃伦费斯特早就把文章发给了杂志编辑部。“你们都很年轻，就算是做了件傻事也很正常”，埃伦费斯特安慰他说。
这篇论文于11月20日正式发表，玻尔对其表示强烈质疑。12月份，他启程前往莱顿，参加为纪念洛仑兹荣获博士学位50周年而举行的庆典。当他的火车缓缓停靠汉堡火车站时，泡利正等候在站台上，他想询问一下玻尔对电子自旋理论有什么看法。玻尔说这个概念“非常有意思”，这种模棱两可的态度意味这他认为电子自旋理论存在问题。他提出一个疑问，电子是在带有正电荷的原子核所产生的电场中运动的，而要产生这种完美的结构，电子和磁场之间到底是什么样的关系？载着玻尔的火车抵达莱顿，有两个心急火燎地想知道他对自旋理论有什么观点的人正在火车站候着他，他们是爱因斯坦和埃伦费斯特。
玻尔讲述了他对于与此相关的磁场问题的质疑，埃伦费斯特说爱因斯坦已经利用相对论解决了这个问题，这让玻尔非常震惊。玻尔随后承认爱因斯坦给出的解释就像是一道“完美的神启”。所有那些与电子自旋理论有关的残留问题即刻就会迎刃而解，对此，他现在抱有十足的信心。洛仑兹所提出的反对意见是建立在经典物理学上的，在这一领域，他是大师级人物。但是，电子自旋是一个量子概念。因此，洛仑兹所指出的问题并非像大家开始想得那么严重。英国物理学家卢埃林·托马斯（Llewellyn Thomas：1903～1992）解决了第二个问题。他指出当计算电子在其环绕原子核的轨道所做的相对运动时，出现了一个计算错误，而这一错误引起了碱金属元素的双谱线进一步分裂并产生了多余的两根谱线。玻尔在1926年的三月写道：“我们的苦难马上就要结束了，对此，我坚信不移。”
通宝推：五藤高庆,回旋镖,imres,
本帖一共被 2 帖 引用 (帖内工具实现)家园 如果不是在边上看到你的广告，就会错过这堆好玩的东西
