1933年諾貝爾物理學獎

1、1933 1933年諾貝爾物理學獎 年諾貝爾物理學獎——原子理論的新形式 原子理論的新形式1933年諾貝爾物理學獎授予德國柏林大學的奧地利物理學家薛定諤(Erwin Schr 8 dinger， 1887---------------1961)和英國劍橋大學的狄拉克(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20年代是物理學發(fā)展中又一個不平凡的十年。這時，愛因斯

2、坦的光 量子假說，得到了密立根光電效應實驗的全面驗征，已經(jīng)為人們普遍承認。X射 線的本性，由于德國物理學家勞厄(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 定了它的波動性；而美國物理學家康普頓(A.H.Compton)進一步從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 到了全面認識。這時法國物理學家路

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：與運動粒子相聯(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是粒子的動量。德布羅意還預言， 運動的電子有可能顯示粒子的波動性，提出了物質(zhì)波假說。正

4、是在這個基礎(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)展成波動力學， 與海森伯、玻恩和約丹從不同途徑創(chuàng)立的矩陣力學，共同形成微觀體系的基本理 論——量子力學。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。 薛定諤在中學時代就有廣泛興趣，不僅對自然科學，而且也很喜歡古代語言的嚴 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 年在維也納大學物理系學習，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年獲得博士學位后留在維也納大學從事實驗物理學的 教學和研究工作。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家維恩的 助教。1921年受聘任瑞士蘇黎世大學數(shù)學物理教授，主要研究熱力學和統(tǒng)計力 學，1925

6、年夏秋之際，從事量子氣體理論研究。這時正值愛因斯坦和玻色關(guān)于 量子統(tǒng)計理論的著作發(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)了用新觀點研究原子結(jié)構(gòu)的想法?？梢哉f，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?！敝瘜W物理學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上，薛定諤被德拜指定作有關(guān)德布羅意工 作的報告。在報告之后，主持人德拜表示不滿，向他指出，研究波動就應該先建 立波動方程。薛定諤在他的啟示下，下功夫研究這個問題，幾星期后，薛定諤再 次報告，宣布找到了這個方程?？梢酝ㄟ^數(shù)學

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，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。小時在商人開辦的一所中學上學，1918年入布里斯托爾大 學學電機工程，后來又在布里斯托爾大學學了兩年數(shù)學，然后在劍橋大學圣約翰 學院當數(shù)學研究生，1926年獲博士學位。次年他成為圣約翰學院的研究員，1932 年擔任劍橋大學盧卡斯講座數(shù)學

9、教授。狄拉克的工作涉及到量子力學的數(shù)學方面和理論方面。當1925年海森伯提 出新的量子力學時，狄拉克就開始了這方面的研究，并且獨立地提出了一種數(shù)學 上的對應，主要是計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)計法則， 這個法則同時也獨立地由費米提出，所以被稱為費米-狄拉克統(tǒng)計。1927年，狄 拉克在討論輻射的量子理論時引入電磁

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 對論性運動方程，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示了 正電子的存在，這是狄拉克理論最有意義和影響深遠的一些結(jié)果。狄拉克方程不 但有正能解，還可以有負能解，而負能解

11、意味著正能電子向負能態(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 他認為真空實 際上是所有負能態(tài)都被填滿的最低能態(tài)，負能態(tài)如果有一個沒有被填滿，就是由 于缺少一個負能電子而出現(xiàn)了一個“空穴”，“空穴”相當于正能粒子。于是狄拉克 的理論就預言了正負電子對的湮沒和產(chǎn)生。1932年， C.D.安德森在不知道狄拉 克的理論預言的情況下用云室觀測宇宙射線時發(fā)現(xiàn)了正電子，恰和狄拉克的預言 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 宇宙射線時證實了電子對的產(chǎn)生和湮沒。這樣一來，狄拉克的相對論性電子理論 不僅導致了認識反物質(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)世界的認識。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)學和物理高度結(jié)合的杰作。狄拉克還對量子力學的理論基礎(chǔ)作了系統(tǒng)的總結(jié)，提出了一整套數(shù)學表示方 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中諸量之 間的關(guān)系，提出了量子力學的變換理論。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，這個假說至今還未得到實驗證實。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