返回上一页 发布人:patent
我要发布信息
| 中外科学家发明家丛书：玻恩 （九） | 发布于:2012/05/22 | |
| 中外科学家发明家丛书：玻恩 （九） 九、玻恩对自然科学的贡献 玻恩一生发表了280多篇科学论文，涉及相对论、量子论、晶格动力学、 液体理论、超导理论、光学理论等等领域。他还编撰了20多本科学著作，其 中有科学的经典著作，如《原子物理学》、《晶格动力学理论》等；有科学 哲学的论著《关于因果和机遇的自然哲学》；有面向广大读者的，《我这一 代的物理学》和 《物理学与政治》这两个文集主要包括认识论、科学史和政 治方面的论文和报告；有自传性的回忆。《我的一生和我的观点》和《我的 生活》他为培养青年一代物理学家作出了重要贡献，他的助手，后来成为大 物理学家的有海森堡、泡利、施特恩、洪德等。他的博士生有奥本海默、梅 耶夫人、约尔丹等，因而，玻恩对人类的贡献是多方面的，这些贡献使他成 为现代物理学的一代宗师，博得了科学界特别是30年代、40年代学习物理 学的那一代人的特殊尊敬。玻恩对科学的贡献主要是如下两大方面： 一、晶格动力学之父 玻恩一生涉足的领域非常广泛，但研究时间最长、论文最多、最能代表 他个性的是在晶格动力学方面的工作，仅收于玻恩自选文集中属于这一领域 的论文就有33篇。玻恩在晶格动力学领域的贡献主要有： 1．比热理论 固体比热的杜隆—泊蒂定律存在许多例外，这被列为19世纪末晶体学悬 而未决的谜之一。1906年，爱因斯坦对比热问题的解决提供了一个极其简单 而成功的例子：考虑到麦克斯·普朗克量子假说，固体比热可以用固体中粒 子的振动来解释，但固体中粒子振动的物理图像还不清楚。 1912年，玻恩在戈丁根大学任讲师，他与后来成为空气动力学创始人之 一的特奥多尔·冯·卡曼住在同一幢房屋里，他们俩人天天一起讨论物理学。 在讨论中，他们谈到了爱因斯坦比热理论与实验的小小脱节。他们坚信晶格 是物理实体，力图给出晶体作为动力学体系的图像。玻恩和卡曼合作的论文， 奠定了晶格动力学的基础，引入了这一领域的几乎所有基本概念。后来，卡 曼专注于流体理论，而玻恩和他的许多助手、学生，一直继续在这一领域工 作。他们发展了基于晶格动力学的固体的热学、光学、力学理论。因此，玻 恩被科学界称为“晶格动力学之父”。 当时从事改进爱因斯坦比热理论的还有P·德拜，他的工作比玻恩和卡 曼早几个星期，但德拜简单地把固体视作一种连续媒质，因而忽略了其原子 性的内部结构，而玻恩和卡曼的理论则是以较完善而严格的原子动力学原理 为基础。就晶格研究的理论意义来说，玻恩和卡曼的结果更为重要。这一工 作的另一重要结果，是玻恩认识到普朗克的作用量子h不可能像普朗克本人 所希望的那样可以同牛顿或麦克斯韦的理论结合在一起，原子领域需要一种 更基本的新力学，因为固体的振动不再是单个粒子或粒子群的经典振动，而 是一种新的模式振动。 2．离子晶体 离子晶体，特别是卤化碱，在固体物理学发展中起着十分重要的作用。 它们容易产生、单纯，适于作精确和重复的实验研究。1918年，玻恩和他的 学生A·朗德研究了离子晶体，他们所用模型的最简单情况是：晶格位置被 球对称的离子所占据，它们所具有的电荷与它们的正常化学价相对应。这些 离子与邻近的位置只是稍为重叠，彼此通过向心力作用。每个离子按玻尔理 论都是轮模型 （核被平面电子轨道围绕）。由此，玻恩假说，和排斥力相当 的相互作用能的形式是： b Er 在1954年出版的《晶格动力学理论》，至今仍然是这个学科的主要方面的权 威著作。” 二、量子力学的先驱 玻恩通过在固体比热和离子晶体方面的工作，感到需要用更基本的新理 论来代替玻尔的量子理论。1922年玻尔到戈丁根讲学后，玻恩便把注意力集 中于此。他和詹姆斯·弗兰克及罗伯特·玻尔一起举办物质结构讨论班，他 们一起寻找波兰半经典理论的弱点和矛盾。海森堡曾对比玻恩的戈丁根学派 和索末菲的慕尼黑学派，当玻恩的戈丁根学派对波兰理论的正确性表示怀疑 时，索末菲学派还相信；只要附加普朗克、玻尔和索末菲所提出的量子条件， 牛顿力学还可以解决原子领域的问题。海森堡认为，玻恩甚至比玻尔更加坚 信有一套完整的、数学上统一的量子理论；而不是在牛顿力学、量子条件和 光量子假设之间徘徊，试图去调和它们。 玻恩和其助手泡利深入讨论了把微扰理论用于原子理论，并同海森堡合 作对氦原子进行了研究。玻恩还和约尔丹一起研究多周期体系，他们发现： 量子的“跃迁量”总对应于经典理论中振幅的平方，由此能恰当地构成“跃 迁振幅”的概念，这符合玻尔的对应原理。玻恩对此非常重视。 海森堡于1925年发展了玻恩的设想。他在一篇论文中沿着H·克拉曼包 散工作的方向，把注意力从定态能量转向跃迁几率。他抛弃了旧量子论中电 子的位置、速度、轨道等经典概念，主张代之以原子光谱的频率、波长、强 度等可观测量。他认为只有可观测量在物理理论中才是有意义的。他推广了 玻尔的对应原理，并把它从数学上精确化。海森堡让玻恩决定他是否应当发 表该文，他说他已无法再推进一步。玻恩立即看出了海森堡思想的重要性。 海森堡的论文发表后，玻恩发现：海森堡的不同寻常的演算实际上不过是矩 阵演算，海森堡对量子条件所作的新表述，表示了矩阵方程的对角线元素 h pq 讲授晶体理论和量子力学。晶体理论10讲；量子力学20讲，所用标题为“原 子动力学问题”。玻恩第一个把新的量子理论带到美国，吸引了许多听众。 他的讲稿于1926年由麻省理工学院出版，同年出版了德文本，这是关于量子 力学的第一本专著。在麻省理工学院讲学期间，玻恩还和维纳合作，用算符 理论对矩阵力学进行了推广。 由于德布罗意和薛定谔等人的工作，1926年在同一领域又出现了不同于 矩阵力学，但同样有效的波动力学。薛定谔对矩阵力学很反感，海森堡对波 动力学也同样反对，物理学家们以针锋相对的论战来辨别两套理论的优劣。 玻恩1926年的工作对统一物理学家的思想，澄清对此问题的讨论起了关键作 用，使这两种截然不同的思想得到某种综合，在新的高度上达到了一定的统 一。他用薛定谔的方法处理碰撞问题，讨论了入射粒子功能远远大于散射中 心相互作用势能的情况，得到了著名的玻恩近似，即电子波函数的几率诠释。 这项工作从物理上统一了波动力学和矩阵力学。几率诠释使物质的波粒二象 性更加明确，在此基础上，海森堡提出了测不准关系，玻尔提出了互补原理。 玻恩的几率诠释对量子理论的发展，对人们思维方式的影响很大。他和 哥本哈根学派坚持认为几率是量子理论的内在性质。著名科学史学家A·派 斯甚至认为：“在量子力学的这种意义上引入几率——也就是说，几率是物 理基本定律的内在特征——很可能是迄今仍具影响的20世纪最根本的科学 变革。同时，它的出现标志一次科学革命——这是常用而很少定义的术语— —的结束而不是开始。”统计观念在玻恩自己的思想中也占有重要位置，形 成了他哲学思想的一部分。 |
||
