第76章 24玻尔大战守恒律
第76章24玻尔大战守恒律
远在丹麦哥本哈根的玻尔，自然不可能未卜先知地察觉出，自己老师卢瑟福所掌舵的卡文迪许实验室里，有一篇可能会给他致命一击的论文即将发表。
此时的玻尔，正在哥本哈根大学理论物理研究所大楼中属于自己的那间办公室里，兴致勃勃地发表着他的高谈阔论。
和之前相比唯一不同的就是，坐在沙发上当听众的，不再只有他的助手克莱默斯，还有刚从哈佛大学博士毕业，远渡重洋来哥本哈根镀金的约翰·斯莱特。
斯莱特是第一个来到理论物理研究所的美国人，这个乐于接受新鲜事物的美国人，还给研究所带来了一个新思想，那就是爱因斯坦的光子是存在的，但同时也会有某一种波在引导光子的行为，使其运动符合麦克斯韦的波动理论。
这一次，还没等到玻尔出手，克莱默斯就第一个跳出来教训新人。
他义正言辞地驳斥了斯莱特的想法，照搬照抄了当时玻尔训斥自己时的那番话，试图说服这个美国人接受老板的那个光子不可能存在的观点。
不过，玻尔倒是听进去了一部分斯莱特的想法，他联想到了自己之前提出来的对应原理：在原子范畴内的现象与宏观范围内的现象可以各自遵循本范围内的规律，但当把微观范围内的规律延伸到经典范围时，则它所得到的数值结果应该与经典规律所得到的相一致。
他觉得斯莱特这个新人的思路，也不是毫无可取之处，值得花费一番功夫，使用对应原理将其中的谬误改正，或许能写出一篇不错的论文来。
于是，三个人又像之前玻尔写给《自然科学会报》的那篇通讯一样，开始日复一日地待在同一间办公室里，“合写”一篇新的论文。具体的分工如下：
玻尔负责叼着烟斗在屋子里来回踱步，嘴里偶尔嘟嘟囔囔地向两人讲述着自己的观点。
克莱默斯仍然负责忠实记录，他的笔记本上从不落下从自己老师口中蹦出的任何一个单词，不放过一丁点儿思想的火花。
然而作为观点提出者的斯特莱，面前发生的一切都仿佛和他无关，他只能坐在另一边的沙发上瞪着眼睛望向天花板。
用了不到一个星期的时间，玻尔便满意地为自己这个新的理论画上了句号，这在玻尔的论文写作史上算是出奇的快速迅捷。
但论文的内容已经面目全非，基本上没有了斯莱特最初思想的影子。
相应地，这篇论文的作者顺序依次为玻尔（Bohr）、克莱默斯（Kramers）和斯莱特（Slater），所以由他们三个提出来的理论，就被称作“BKS理论”，这篇论文也就叫成了“BKS论文”。
当然，玻尔作为第一作者是实至名归的：这篇篇幅高达几十页的论文里，密密麻麻的全是文字，却没有哪怕一个数学方程。
陈慕武在他第一篇有关伽马射线散射的论文中，只用到了高中生乃至初中生都知道的动量守恒定律和能量守恒定律。
借由这两个守恒定律，陈慕武推导出了光子存在的这个结论。
为了坚持光子不存在这个底线，玻尔提出来了一个及其大胆的想法：他从自己之前提出来的对应原理入手，否定了动量守恒和能量守恒这两个基本的物理学定律！
玻尔在BKS理论中提出，这些经典物理中的动量守恒和能量守恒定律，只是在大量碰撞事件的统计平均中才成立，而在微观条件下，单个电子受电磁波影响时的动量和能量并不守恒。
他的这一招险棋，釜底抽薪般地否定了陈慕武第一篇论文中提出来的理论。
因为无论是陈慕武的第一篇论文，还是读过论文之后进行了大量实验的物理学家们，所做的只不过是分别测量了入射和散射的伽马射线的波长，这确实是一种统计平均的结果。
但即便如此，玻尔在论文中也需要花费大量篇幅，构造出一个极其曲折复杂的新理论，才能为伽马射线的散射提供一个另类的解析。
现如今，能反驳玻尔的BKS理论的只有一种办法，那就是找出证据，证明波长变化不仅仅是统计平均，更能够直观地体现在单个光子和单个电子上，也就是说，经典物理中的两条守恒定律，在粒子碰撞中同样适用。
巧了么这不是？
陈慕武让卡皮察和布莱克特拍下的照片，就是为了证实这一点！
……
爱因斯坦当初在提出光量子理论时，为了能证实其正确性，曾经在1909年的萨尔茨堡会议上，提出来了一个不是那么出名的思想实验，“爱因斯坦肥皂泡”：
他首先请大家想象能把阴极射线管的热度调得无限低，以至于每次都是这样只有单独的一粒电子能从作为阴极的灯丝中逸出。
这粒电子会径直地向阳极跑去，击中那里屏幕上的某个点（如图a）。
这只不过是一个平平无奇的粒子运动，没有人会为它大费脑筋，在场的科学家都接受了这个观点。
爱因斯坦又请大家想象把一个光源的能量也调得很低很低，让这个光源也只能在每次发出单一的能量子。
如果光的确是普朗克相信的电磁波，那么从这个点光源所发出的光就应该是一个球面波，如同一个膨胀中的肥皂泡，同时向四面八方均匀地“散开”（如图b）。
然而，当这个球面波在某处被吸收时，这个肥皂泡中所有的全部能量，却又要突然集中在那一个点上，因为它只能作为整个的能量子被吸收（如图c）。
光的能量在传播时像膨胀的肥皂泡一样分散，在被吸收时却又魔术般地集中在一个点，这显然说不通。
在最后爱因斯坦总结，如果光在发射、传播、吸收的整个过程中都是一颗与电子一样的粒子，就合情合理了。
他的这个肥皂泡悖论，并没有引起在场的科学家的注意。
1917年，在用玻尔原子模型推导量子辐射定律时，爱因斯坦发现原子每次只能往一个方向发射一颗光子，是绝不可能产生像肥皂泡那样的球形波的，则原子和电磁场之间，将永远不会达到热平衡。
原子在某一个方向上发射出一个光子，光子沿着直线运动，直到在抵达目的地之后被另外一个原子所吸收。
在这里，光子表现出了像电子一样的粒子性，但是却全无波动的性质，完全违背了一百多年来的所有有关光的干涉和衍射的实验现象。
为了能完美解决这两者之间不可调和的矛盾，爱因斯坦曾假设过，或许还存在着一个符合麦克斯韦方程组的“幽灵场”，让光子同样符合波动的形式。
但是他几年前提出来的肥皂泡悖论，再一次地让他作茧自缚。
点光源的“幽灵场”必然会以球面波的形式向外扩散，而光子却只能在某一处地点现身。
爱因斯坦没办法为这个“幽灵场”赋予严格的数学表述，所以他也没有正式地发表论文，而仅仅是在洛伦兹、索末菲等科学家小圈子里，提出过这个观点而已。
玻尔同样也知道爱因斯坦提出来的这个“幽灵场”，他认为幽灵场的观点和自己在BKS理论中提出来的统计平均，有着相似之处。
所以即使知道爱因斯坦是一个坚定的光量子理论支持者，玻尔还是小心翼翼地把自己的这篇BKS论文的复制件，寄给了已经回到德国的爱因斯坦，想要听听他的看法。
至于论文的原件，当然是被他寄给了英国皇家学会的《自然科学会报》。
……
当玻尔的这篇论文还在轮船上漂泊，沿着海路从哥本哈根奔向伦敦的时候，卡皮察和布莱克特正在焦头烂额地忙着准备期末的各项事情。
麻将牌这种四四方方的小竹子块真是害人不浅，卡皮察下定决心，在春季学期的考试和论文答辩彻底结束之前，他每天最多只打两圈。
而无事一身轻的陈慕武，已经开始享受起了属于他的夏日悠闲时光。
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远在丹麦哥本哈根的玻尔，自然不可能未卜先知地察觉出，自己老师卢瑟福所掌舵的卡文迪许实验室里，有一篇可能会给他致命一击的论文即将发表。
此时的玻尔，正在哥本哈根大学理论物理研究所大楼中属于自己的那间办公室里，兴致勃勃地发表着他的高谈阔论。
和之前相比唯一不同的就是，坐在沙发上当听众的，不再只有他的助手克莱默斯，还有刚从哈佛大学博士毕业，远渡重洋来哥本哈根镀金的约翰·斯莱特。
斯莱特是第一个来到理论物理研究所的美国人，这个乐于接受新鲜事物的美国人，还给研究所带来了一个新思想，那就是爱因斯坦的光子是存在的，但同时也会有某一种波在引导光子的行为，使其运动符合麦克斯韦的波动理论。
这一次，还没等到玻尔出手，克莱默斯就第一个跳出来教训新人。
他义正言辞地驳斥了斯莱特的想法，照搬照抄了当时玻尔训斥自己时的那番话，试图说服这个美国人接受老板的那个光子不可能存在的观点。
不过，玻尔倒是听进去了一部分斯莱特的想法，他联想到了自己之前提出来的对应原理：在原子范畴内的现象与宏观范围内的现象可以各自遵循本范围内的规律，但当把微观范围内的规律延伸到经典范围时，则它所得到的数值结果应该与经典规律所得到的相一致。
他觉得斯莱特这个新人的思路，也不是毫无可取之处，值得花费一番功夫，使用对应原理将其中的谬误改正，或许能写出一篇不错的论文来。
于是，三个人又像之前玻尔写给《自然科学会报》的那篇通讯一样，开始日复一日地待在同一间办公室里，“合写”一篇新的论文。具体的分工如下：
玻尔负责叼着烟斗在屋子里来回踱步，嘴里偶尔嘟嘟囔囔地向两人讲述着自己的观点。
克莱默斯仍然负责忠实记录，他的笔记本上从不落下从自己老师口中蹦出的任何一个单词，不放过一丁点儿思想的火花。
然而作为观点提出者的斯特莱，面前发生的一切都仿佛和他无关，他只能坐在另一边的沙发上瞪着眼睛望向天花板。
用了不到一个星期的时间，玻尔便满意地为自己这个新的理论画上了句号，这在玻尔的论文写作史上算是出奇的快速迅捷。
但论文的内容已经面目全非，基本上没有了斯莱特最初思想的影子。
相应地，这篇论文的作者顺序依次为玻尔（Bohr）、克莱默斯（Kramers）和斯莱特（Slater），所以由他们三个提出来的理论，就被称作“BKS理论”，这篇论文也就叫成了“BKS论文”。
当然，玻尔作为第一作者是实至名归的：这篇篇幅高达几十页的论文里，密密麻麻的全是文字，却没有哪怕一个数学方程。
陈慕武在他第一篇有关伽马射线散射的论文中，只用到了高中生乃至初中生都知道的动量守恒定律和能量守恒定律。
借由这两个守恒定律，陈慕武推导出了光子存在的这个结论。
为了坚持光子不存在这个底线，玻尔提出来了一个及其大胆的想法：他从自己之前提出来的对应原理入手，否定了动量守恒和能量守恒这两个基本的物理学定律！
玻尔在BKS理论中提出，这些经典物理中的动量守恒和能量守恒定律，只是在大量碰撞事件的统计平均中才成立，而在微观条件下，单个电子受电磁波影响时的动量和能量并不守恒。
他的这一招险棋，釜底抽薪般地否定了陈慕武第一篇论文中提出来的理论。
因为无论是陈慕武的第一篇论文，还是读过论文之后进行了大量实验的物理学家们，所做的只不过是分别测量了入射和散射的伽马射线的波长，这确实是一种统计平均的结果。
但即便如此，玻尔在论文中也需要花费大量篇幅，构造出一个极其曲折复杂的新理论，才能为伽马射线的散射提供一个另类的解析。
现如今，能反驳玻尔的BKS理论的只有一种办法，那就是找出证据，证明波长变化不仅仅是统计平均，更能够直观地体现在单个光子和单个电子上，也就是说，经典物理中的两条守恒定律，在粒子碰撞中同样适用。
巧了么这不是？
陈慕武让卡皮察和布莱克特拍下的照片，就是为了证实这一点！
……
爱因斯坦当初在提出光量子理论时，为了能证实其正确性，曾经在1909年的萨尔茨堡会议上，提出来了一个不是那么出名的思想实验，“爱因斯坦肥皂泡”：
他首先请大家想象能把阴极射线管的热度调得无限低，以至于每次都是这样只有单独的一粒电子能从作为阴极的灯丝中逸出。
这粒电子会径直地向阳极跑去，击中那里屏幕上的某个点（如图a）。
这只不过是一个平平无奇的粒子运动，没有人会为它大费脑筋，在场的科学家都接受了这个观点。
爱因斯坦又请大家想象把一个光源的能量也调得很低很低，让这个光源也只能在每次发出单一的能量子。
如果光的确是普朗克相信的电磁波，那么从这个点光源所发出的光就应该是一个球面波，如同一个膨胀中的肥皂泡，同时向四面八方均匀地“散开”（如图b）。
然而，当这个球面波在某处被吸收时，这个肥皂泡中所有的全部能量，却又要突然集中在那一个点上，因为它只能作为整个的能量子被吸收（如图c）。
光的能量在传播时像膨胀的肥皂泡一样分散，在被吸收时却又魔术般地集中在一个点，这显然说不通。
在最后爱因斯坦总结，如果光在发射、传播、吸收的整个过程中都是一颗与电子一样的粒子，就合情合理了。
他的这个肥皂泡悖论，并没有引起在场的科学家的注意。
1917年，在用玻尔原子模型推导量子辐射定律时，爱因斯坦发现原子每次只能往一个方向发射一颗光子，是绝不可能产生像肥皂泡那样的球形波的，则原子和电磁场之间，将永远不会达到热平衡。
原子在某一个方向上发射出一个光子，光子沿着直线运动，直到在抵达目的地之后被另外一个原子所吸收。
在这里，光子表现出了像电子一样的粒子性，但是却全无波动的性质，完全违背了一百多年来的所有有关光的干涉和衍射的实验现象。
为了能完美解决这两者之间不可调和的矛盾，爱因斯坦曾假设过，或许还存在着一个符合麦克斯韦方程组的“幽灵场”，让光子同样符合波动的形式。
但是他几年前提出来的肥皂泡悖论，再一次地让他作茧自缚。
点光源的“幽灵场”必然会以球面波的形式向外扩散，而光子却只能在某一处地点现身。
爱因斯坦没办法为这个“幽灵场”赋予严格的数学表述，所以他也没有正式地发表论文，而仅仅是在洛伦兹、索末菲等科学家小圈子里，提出过这个观点而已。
玻尔同样也知道爱因斯坦提出来的这个“幽灵场”，他认为幽灵场的观点和自己在BKS理论中提出来的统计平均，有着相似之处。
所以即使知道爱因斯坦是一个坚定的光量子理论支持者，玻尔还是小心翼翼地把自己的这篇BKS论文的复制件，寄给了已经回到德国的爱因斯坦，想要听听他的看法。
至于论文的原件，当然是被他寄给了英国皇家学会的《自然科学会报》。
……
当玻尔的这篇论文还在轮船上漂泊，沿着海路从哥本哈根奔向伦敦的时候，卡皮察和布莱克特正在焦头烂额地忙着准备期末的各项事情。
麻将牌这种四四方方的小竹子块真是害人不浅，卡皮察下定决心，在春季学期的考试和论文答辩彻底结束之前，他每天最多只打两圈。
而无事一身轻的陈慕武，已经开始享受起了属于他的夏日悠闲时光。
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