1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

1、1933 1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——原子理論的新形式 原子理論的新形式1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國柏林大學(xué)的奧地利物理學(xué)家薛定諤(Erwin Schr 8 dinger， 1887---------------1961)和英國劍橋大學(xué)的狄拉克(PaulAdrien Maurice Dirac，1902——1984)，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了原子理論的新形式。20世紀(jì)20年代是物理學(xué)發(fā)展中又一個(gè)不平凡的十年。這時(shí)，愛因斯

2、坦的光 量子假說，得到了密立根光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的全面驗(yàn)征，已經(jīng)為人們普遍承認(rèn)。X射 線的本性，由于德國物理學(xué)家勞厄(M.Laue)在1912年發(fā)現(xiàn)了它的衍射現(xiàn)象和 英國物理學(xué)家布拉格父子(W.H.Bragg，W.L.Bragg)成功地用之于晶體分析，肯 定了它的波動(dòng)性；而美國物理學(xué)家康普頓(A.H.Compton)進(jìn)一步從X射線與電 子的相互作用，確證了它的粒子性。到1923年，電磁輻射的波粒二象性已經(jīng)得 到了全面認(rèn)識(shí)。這時(shí)法國物理學(xué)家路

3、易斯?德布羅意(Louis deBroglie)大膽設(shè)想， 既然光和X射線等電磁波有粒子性，為什么粒子不可以有波動(dòng)性？ 1923年，他 根據(jù)波的粒子性，發(fā)展了布里淵(M.Brillouin)用電子駐波環(huán)來解釋定態(tài)的思想， 采用對比的方法，提出了物質(zhì)波假說，即：與運(yùn)動(dòng)粒子相聯(lián)系的物質(zhì)波波長為： X=h/p= h/mv，式中的h為普朗克常數(shù)， p=mv是粒子的動(dòng)量。德布羅意還預(yù)言， 運(yùn)動(dòng)的電子有可能顯示粒子的波動(dòng)性，提出了物質(zhì)波假說。正

4、是在這個(gè)基礎(chǔ)上， 1926年，薛定諤提出了薛定諤方程，將德布羅意的物質(zhì)波假說發(fā)展成波動(dòng)力學(xué)， 與海森伯、玻恩和約丹從不同途徑創(chuàng)立的矩陣力學(xué)，共同形成微觀體系的基本理 論——量子力學(xué)。薛定諤是奧地利人，1887年8月12日出生于維也納。父母都是名門出身。 薛定諤在中學(xué)時(shí)代就有廣泛興趣，不僅對自然科學(xué)，而且也很喜歡古代語言的嚴(yán) 密邏輯和德國詩歌的優(yōu)美諧和，他最討厭的是死背數(shù)字和書本。1906年——1910 年在維也納大學(xué)物理系學(xué)習(xí)，玻爾茲曼

5、的繼承人哈森諾爾(Hasen & hrl)對他 頗有影響。就在這些年代里他掌握了連續(xù)介質(zhì)物理學(xué)中的本征值問題，為他以后 的工作奠定了基礎(chǔ)。1910年獲得博士學(xué)位后留在維也納大學(xué)從事實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的 教學(xué)和研究工作。第一次世界大戰(zhàn)期間，他作為一名炮兵軍官服役于一偏僻的炮 兵要塞，卻利用閑暇研究理論物理。1920年，薛定諤成為著名物理學(xué)家維恩的 助教。1921年受聘任瑞士蘇黎世大學(xué)數(shù)學(xué)物理教授，主要研究熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力 學(xué)，1925

6、年夏秋之際，從事量子氣體理論研究。這時(shí)正值愛因斯坦和玻色關(guān)于 量子統(tǒng)計(jì)理論的著作發(fā)表不久，愛因斯坦在論文中提到了德布羅意的物質(zhì)波假 說。在他的啟示下，薛定諤萌發(fā)了用新觀點(diǎn)研究原子結(jié)構(gòu)的想法。可以說，愛因 斯坦是薛定諤的直接引路人，正是由于愛因斯坦那篇關(guān)于單原子理想氣體量子理 論的論文，引導(dǎo)了薛定諤的研究方向。1925年10月，薛定諤得到了一份德布羅 意的博士論文，使他有可能深入地研究德布羅意的位相波思想。薛定諤在他的第一篇論文中，提到了

7、德布羅意的博士論文對他的啟示。他寫 道：“我要特別感謝路易斯?德布羅意先生的精湛論文，是它激起了我的這些思考 和對，相波，在空間中的分布加以思索。”著名化學(xué)物理學(xué)家德拜對他也有積極影 響。據(jù)說，在蘇黎世定期召開的討論會(huì)上，薛定諤被德拜指定作有關(guān)德布羅意工 作的報(bào)告。在報(bào)告之后，主持人德拜表示不滿，向他指出，研究波動(dòng)就應(yīng)該先建 立波動(dòng)方程。薛定諤在他的啟示下，下功夫研究這個(gè)問題，幾星期后，薛定諤再 次報(bào)告，宣布找到了這個(gè)方程?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)

8、變換從一種理論轉(zhuǎn)換到另一種理論，它們都是以 微觀粒子的波粒二象性為基礎(chǔ)。與此同時(shí)，泡利也作了同樣的證明。狄拉克1902年8月8日生于英國的布里斯托爾(Bristol)，他的父親是瑞士 人，母親是英國人。小時(shí)在商人開辦的一所中學(xué)上學(xué)，1918年入布里斯托爾大 學(xué)學(xué)電機(jī)工程，后來又在布里斯托爾大學(xué)學(xué)了兩年數(shù)學(xué)，然后在劍橋大學(xué)圣約翰 學(xué)院當(dāng)數(shù)學(xué)研究生，1926年獲博士學(xué)位。次年他成為圣約翰學(xué)院的研究員，1932 年擔(dān)任劍橋大學(xué)盧卡斯講座數(shù)學(xué)

9、教授。狄拉克的工作涉及到量子力學(xué)的數(shù)學(xué)方面和理論方面。當(dāng)1925年海森伯提 出新的量子力學(xué)時(shí)，狄拉克就開始了這方面的研究，并且獨(dú)立地提出了一種數(shù)學(xué) 上的對應(yīng)，主要是計(jì)算原子特性的非對易代數(shù)。為此他寫了一系列論文，從而逐 步形成了他的相對論性電子理論和空穴理論。1926年，他發(fā)現(xiàn)用反對稱波函數(shù)可以表示全同粒子系統(tǒng)的量子統(tǒng)計(jì)法則， 這個(gè)法則同時(shí)也獨(dú)立地由費(fèi)米提出，所以被稱為費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。1927年，狄 拉克在討論輻射的量子理論時(shí)引入電磁

10、場的量子化，從而第一次提出了二次量子 化理論；這一理論為建立量子場論奠定了基礎(chǔ)。1928年狄拉克又提出電子的相 對論性運(yùn)動(dòng)方程，即所謂狄拉克方程，后來發(fā)展成為相對論性量子力學(xué)的基礎(chǔ)。 量子論與相對論經(jīng)過狄拉克的這一結(jié)合，自然地推出了電子的自旋，得到其值為 h/2，并且論證了電子磁矩的存在。狄拉克還賦予真空以新的物理意義并預(yù)示了 正電子的存在，這是狄拉克理論最有意義和影響深遠(yuǎn)的一些結(jié)果。狄拉克方程不 但有正能解，還可以有負(fù)能解，而負(fù)能解

11、意味著正能電子向負(fù)能態(tài)躍遷，這顯然 是不合理的。正是為了克服這一困難，狄拉克提出了“空穴假說七 他認(rèn)為真空實(shí) 際上是所有負(fù)能態(tài)都被填滿的最低能態(tài)，負(fù)能態(tài)如果有一個(gè)沒有被填滿，就是由 于缺少一個(gè)負(fù)能電子而出現(xiàn)了一個(gè)“空穴”，“空穴”相當(dāng)于正能粒子。于是狄拉克 的理論就預(yù)言了正負(fù)電子對的湮沒和產(chǎn)生。1932年， C.D.安德森在不知道狄拉 克的理論預(yù)言的情況下用云室觀測宇宙射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了正電子，恰和狄拉克的預(yù)言 相符。后來，布拉開特和奧恰利

12、尼(GP.S.Occhialini)于1933年又在用云室觀測 宇宙射線時(shí)證實(shí)了電子對的產(chǎn)生和湮沒。這樣一來，狄拉克的相對論性電子理論 不僅導(dǎo)致了認(rèn)識(shí)反物質(zhì)的存在，而且對于物理真空也有了新的概念，從而大大加 深了人們對物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。狄拉克的工作的重要性就在于，他天才地把狹義相對論引進(jìn)薛定諤方程，巧 妙地把兩大理論體系——量子論和相對論成功地統(tǒng)一了起來，這兩方面從數(shù)學(xué)上 看不僅彼此是不同的，而且是彼此對立的，卻在他的方程中融合到了一起，

13、并且 由此得到了許多意想不到的結(jié)果。這不能不說是數(shù)學(xué)和物理高度結(jié)合的杰作。狄拉克還對量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)作了系統(tǒng)的總結(jié)，提出了一整套數(shù)學(xué)表示方 法，他利用左矢、右矢、矩陣以及5函數(shù)等概念簡潔地表述了量子力學(xué)中諸量之 間的關(guān)系，提出了量子力學(xué)的變換理論。狄拉克在理論物理中還有許多創(chuàng)見。例如，1933年，他提出“磁單極”的假 說，這個(gè)假說至今還未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1937年他又提出“大數(shù)假說”。他還對重 正化和路線積分等概念的提出作出了自己的貢獻(xiàn)