【一頁物理】小伙子物理(knabenphysik)

1933年諾貝爾物理獎得主狄拉克的照片。留影時(1930年)他只有28歲。

■ 「我們可以合理地猜測,相對而言,量子小伙子就沒有什麼信念的牽絆。如果在腦中會時時念念不忘量子力學的荒謬,當然不可能全力投入,也就學不了那些困難的技巧。」

撰文 ∣ 高涌泉(臺灣大學物理系教授)

  注意量子力學發展的人都會留意到一件事——開創量子力學的英雄人物都年輕得不像話。在他們寫出劃時代的論文之時,海森堡才二十三歲半,狄拉克(P.A.M. Dirac,1902─1984)二十三歲,喬丹(P. Jordan,1902─1980)二十二歲,包利也不過是二十五歲。物理學/史家派斯在研究事業高峰過後轉攻科學史,寫了幾本頗受好評的傳記與物理史。他在不同的書中三兩次提到在德國哥廷根大學,量子力學進展最快的1925至1927年間被稱為「小伙子物理」(knabenphysik)年代。固然量子力學英雄中還有一些四十歲上下的「老人」如波爾、波恩(M. Born,1882-1970)、薛丁格(E. Schrödinger,1889-1961)。但是在那兩年間用量子力學解決了原子分子與固態物理難題,以及將量子力學推廣成量子場論的的確就是海森堡這一批二十來歲的「大師」與比他們更年輕的學生們。所以說那段時光是「小伙子物理」是很傳神的。

  自古英雄出少年,所以量子力學的「小伙子」現象,本來未必要些有什麼深刻的意義,天才的出現也許只是歷史的偶然而已。不過我們如果知道在當時一些大人物對於量子力學的反應,就會覺得「小伙子」現象還是有些內在道理。由於量子力學反映出的世界觀與直覺、素樸的古典力學世界觀差異太大,不能適應的名家大有人在。即便是量子力學創建人之一的薛丁格,也一直拒絕接受正統的哥本哈根解釋,甚至還頗後悔提出他著名的波動方程式。愛因斯坦雖然承認量子力學的威力,不過一輩子都深信一定還有一個更高明的理論可以涵蓋量子力學而且合乎古典物理中客觀實在(objective reality)觀點的要求。

  愛因斯坦與薛丁格對於古典世界觀的執著已經深化成一種信念。我們可以合理地猜測,相對而言,量子小伙子就沒有什麼信念的牽絆。如果在腦中會時時念念不忘量子力學的荒謬,當然不可能全力投入,也就學不了那些困難的技巧。所以小伙子佔的便宜之一就是他們於舊傳統的浸染不深,沒有要捍衛什麼信念的壓力。我們也可以用這種因素來理解,各行各業中,部分的「英雄出少年」現象。有意思的是,愛因斯坦自己也曾是個機會主義者。他二十六歲時提出光量子的概念,也是一個當時不能自圓其說的荒謬看法。但是實驗卻符合愛因斯坦於光電效應上的推測,他也因此獲得諾貝爾獎。愛因斯坦說他思考光量子的時間遠遠多於思考相對論。派斯認為在愛因斯坦的創見之中,光量子才真正算得上是革命性的。

  物極必反,在量子力學成為正統數十年之後,不少學者反過來要質疑哥本哈根觀點。愛因斯坦的信念某種程度地又時髦起來。不過自然仍是非常固執的,「不會以人的意志為轉移」。至目前止所有的實驗都支持荒謬的量子力學,而沒有站在愛因斯坦那一邊。愛因斯坦啟動了革命的浪潮,這個二十世紀最大的浪潮速度越來越快,終於連愛因斯坦自己也被淹沒過去。愛因斯坦當然知道他的固執會帶來傷害,不過他也說:「我已經掙得犯錯誤的權利」。極大多數研究員沒有權利堅持自己的信念,如果不適時「參加他們」,在革命洪流之中,只有無情地被淘汰了。

  科學史家麥克寇馬(R. McCormmach)1982年的一本小說《一位古典物理學家之夜思Night Thoughts of a Classical Physicist》,主角賈克布(Jacob)就是這樣一位被時代淘汰的人。熱愛真理,又有奉獻精神的賈克布於十九、二十世紀之交是德國理論物理資深副教授。古典物理是他的看家本領,在一流學刊也有不少文章。可惜都僅是「還不錯」的文章,還沒好到可以升上希罕的理論物理正教授。他也知道普朗克的量子說,但是沒法讓這些理論溶入血液之中。他了解並且接受了自己的平庸,知道自己在物理史上注定只是一個小小的註腳而已。

  評論者說這本「感人」的小說,成功地融合了藝術性與學術性。麥克寇馬讓虛構的賈克布經歷了真實的歷史事件,交往了真正的物理學家。作者最後還一一列出所有引用史料來源。賈克布的書房掛了他所仰慕的英雄照片,包括馬克斯威爾(J. C. Maxwell,1831-1879),赫茲(H. Hertz,1857-1894),黑姆霍茲(H. Helmholz,1821-1894)等古典物理大師。內行人看得出作者故意不讓普朗克,愛因斯坦名列其中,以此突顯二十世紀新物理不是賈克布能追得上的。德國社會在世紀初劇烈動盪與國家主義浪潮也讓他深感不能適應。故事的終局是賈克布自殺,融入情境中的讀者已不會感到驚訝。

  

本文出自高涌泉教授著作集《另一種鼓聲——科學筆記》頁77-80(2006,三民出版)

鳴謝:在此特別感謝高涌泉教授提供多年來著作之文稿,本專欄將繼續定期出刊。請鎖定CASE PRESS!

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6 thoughts on “【一頁物理】小伙子物理(knabenphysik)

  • 2011 年 02 月 17 日 at 18:00:03
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    這篇文章頗值得進一步的study。
    從學術的角度,新科學常需要新的構想和察覺(conception & perception),年輕人也的確在發想或接受時,沒有傳統或舊知識的繫絆。但是新人和新觀念之間,未必是有必然的關係。
    從教育的角度來看,每一個社會都有年輕人,但是每一個社會不一定有跨文化、跨民族、跨時代的小伙子舞台。
    台灣人真的成熟的太晚了嗎?

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  • 2011 年 03 月 03 日 at 20:34:44
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    除了哥本哈根詮釋之外,後來又多出了幾個新的,有些甚至能夠更圓滿地回答愛因斯坦的問題,似乎不是「至目前止所有的實驗都支持荒謬的量子力學,而沒有站在愛因斯坦那一邊」?

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    • 2011 年 03 月 04 日 at 14:51:16
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      您好,關於專欄的意見和討論,CASE將定期轉達給高涌泉教授。感謝提供意見~若有回覆也會盡快post上來!

      CASE PRESS板僕 敬上

      Reply
    • 2011 年 03 月 09 日 at 19:26:10
      Permalink

      你的 information 是錯的
      目前尚未有令人滿意的 "local and realistic" 模型出現

      例如 Roger Newton 在2009年出版的一本書
      《How Physics Confronts Reality》 中這麼說
      "To sum up Einstein’s negative view of quantum mechanics,
      I think it is fair to say that he was correct in his analysis that
      the theory does not directly describe reality, even though we
      may not necessarily agree with his definition of what
      constitutes reality."
      Roger Newton又說
      “On the other hand, it does not follow that he was correct in
      not accepting such a theory. One may well agree with
      Bohr when he declared, “[I]t is wrong to think that the task of
      physics is to find out how nature is. Physics concerns what we
      can say about nature,’’ and concluded, “There is no quantum
      world. There is only an abstract quantum physical description.’’”

      也就是說雖然愛因斯坦的批評不是無的放矢
      但是波耳還是對的
      可以我們也要記得愛因斯坦對量子力學的批評
      也引發了一些有意義的結果
      如 John Bell 的工作

      這就是目前的狀況

      Reply
  • 2011 年 03 月 31 日 at 23:15:48
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    高教授您好:

    感謝您撥冗回應。原先的提問太過簡略,容我進一步説明。發問當時我心裡想的其實就是「愛因斯坦的批評並非無的放矢」,同時也不認為已經有 dominant theory 能作為 local and realistic 都讓人滿意的模型。但我所好奇的是,像(個人覺得最嚴重的)EPR paradox 在多世界詮釋和交易詮釋的觀點之下似乎可以既不違反 John Bell 的理論又是 non-local 的,且後者的發明人宣稱它跟某實驗相符。另外 quantum information theory 也有一套數學方法認為愛因斯坦的問題都可以解答,卻好像不怎麼認同海森堡的思維。

    總之我其實並未深刻理解當代的量子理論進展,霧裡看花的結果是無法體會波耳是否已經算是「對」了,尤其是他本人似乎並未使用「哥本哈根詮釋」一詞的情況下,我搞不太懂是「波函數」本身沒有爭議,或是延伸到波耳的觀點都已蓋棺論定。

    Reply
  • 2012 年 07 月 04 日 at 17:56:48
    Permalink

    这是不是就是孔子说的 学而不思则罔?

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