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玻尔理论(玻尔理论对氢原子光谱的解释)

玻尔理论(玻尔理论对氢原子光谱的解释)爱因斯坦和玻尔谁才是20世纪最伟大的物理学家呢?不知道这是否算是一个问题。我们中国人最热衷于排名,既然要排名自然是仁者见仁智者见智,但如果在全球范围内对科学家的历史地位进行排序,那么20世纪的物理学家中唯一没有悬念的就是第一名,即爱因斯坦(类似地,20世纪之前的物理学家中唯一没有悬念的也是第一名,即牛顿),这也是包括大部分

爱因斯坦和玻尔谁才是20世纪最伟大的物理学家呢?不知道这是否算是一个问题。

我们中国人最热衷于排名,既然要排名自然是仁者见仁智者见智,但如果在全球范围内对科学家的历史地位进行排序,那么20世纪的物理学家中唯一没有悬念的就是第一名,即爱因斯坦(类似地,20世纪之前的物理学家中唯一没有悬念的也是第一名,即牛顿),这也是包括大部分科学家在内的共同看法。

但是,在下这个结论之前总有一个绕不过去的人,那就是尼尔斯·玻尔,他与他领导的哥本哈根学派不但是丹麦这个欧洲弹丸之地的永远的骄傲,也是20世纪闪耀整个科学界最耀眼和璀璨的星辰。

玻尔理论(玻尔理论对氢原子光谱的解释)

玻尔理论(玻尔理论对氢原子光谱的解释)

二十世纪兴起的最伟大的物理学理论无疑是相对论(狭义相对论与广义相对论)和量子论,爱因斯坦和玻尔分别是两者的重要代表。之所以会有爱因斯坦与玻尔谁是第一这样的争论,主要是基于以下两条:一是量子理论比相对论更重要;二是量子理论对观念的突破比相对论更深刻。

量子理论比相对论更重要,这需要从两方面去分析:如果从当前的影响力来讲,相对论显然是强于量子论的,无论是狭义还是广义相对论都对于人类产生了重大的影响,可以用“上天灭地”来形容,上天指的是人类对于宇宙有了新的认识,大大拓展了宇宙观、天文学以及航天事业的发展;灭地是指的它让人类妥妥地进入了原子能时代,战争时期可以当武器,和平时期以及未来宇航时候可以当能源,其重要性如何评价都不为过。

但是如果从深度和广度来看,量子理论可以说是一种相当超前的基础理论,甚至不应该在这个时代出现。虽然直到2021年,量子论基本上还是处于缓慢发展,不温不火的状态,量子通信、量子计算等应用都还远远没有实现突破,但是,这个理论相当于再次重塑了人类的宇宙观甚至有可能颠覆既有全部的物理学常识,将我们带入了微粒时代,也许,等到量子论真正揭开面纱的时候,那才是物理学的终极。

特别是量子理论的两个基本应用,量子通信和量子计算从理论上说将带来魔幻式的颠覆。比如量子通信,很多人都以为既然是“通信”无非就是像手机通话、短信、微信这样传递信息而已,但我要告诉你,这个“通信”的可能性会远远超出你的想象。量子通信是基于量子态叠加和量子纠缠的新技术,两个建立了纠缠的粒子分别在宇宙反方向的尽头,依然可以保持一致,发生关联,又称为超距作用。量子通信最极端的应用是超距传输,比如我在地球,想给远在火星殖民地的情人发一个价值5.5元的爱的包裹,用探测器或者航天器去送有点太费钱,那么我可以通过量子通信将这个包裹传输过去,无非就是粒子群的重塑;而如果包裹可以这样传输,那么人是否可以呢?理论上,人也可以进行这样的超距传输,那会发生什么?我想你会惊呼的。

相对于量子通信这样的“魔法”,量子计算也许更实际一些,目前谷歌、IBM都称自己实现了“量子霸权”,这么霸气侧漏的名字其实也实际效果也确实很惊人,比如谷歌研发的53量子位的量子计算机在3分20秒时间内,完成传统计算机需1万年时间处理的问题。理论上,50个量子位的量子计算机就比全球所有超级计算机加起来的算力还要强,你想想,假如量子计算机可以商用量产并且浓缩成笔记本大小,这个世界会变成什么样子?但是量子计算最重要的作用将是加速人工智能的发展,当前人工智能是靠算法、算力、大数据三条腿走路,其中算力是算法和大数据的地基,一旦算力获得指数级突破,那么人工智能有望突破奇点,甚至成为一种新的生命形态。

这样看来,量子论对于人类来说代表着更加辉煌(或者黑暗)的未来。不过,用这一条分析玻尔与爱因斯坦的地位时,最大的困难在于:相对论的创立基本上是爱因斯坦的“独角戏”,也就是说,爱大神单枪匹马的就创立了狭义和广义两大相对论理论(这里需要注意,广义并非是狭义的升级版,只是领域和方向的不同);而量子理论的创立却是一大批物理学家共同努力的结果,其中就包括爱因斯坦,他甚至起到了除了普朗克之外特别关键的基础性作用,在第二个物理学大奇迹年(1905年)中,爱因斯坦一口气发表了五篇论文,其中那篇关于光量子假说的论文阐述了光电效应,深刻地揭示了麦克斯韦场的连续性与粒子分立性之间的矛盾,成为量子论发展进程中的重要里程碑,而玻尔主要是起到了凝聚人心,领导量子理论小分队不断探索发展的作用。因此从量子理论与相对论的对比到玻尔与爱因斯坦的对比,其间存在巨大的鸿沟。

量子理论对观念的突破比相对论更深刻,这是几乎所有物理学家的共识。用这一条分析玻尔与爱因斯坦的相对地位时,除面临与前一条同样的问题外,其实还有一个非常容易被忽视的地方。那就是在量子理论的发展中,观念的突破往往滞后于理论框架及实验结果的出现。比如普朗克(MaxPlanck)是首先通过含义不清的数学内插手段得到与实验相符的黑体辐射公式,然后才提出量子假说;比如玻尔在构筑原子模型时,关注的是直接来自观测的原子光谱问题而非诸如“当电子从一个定态过渡到另一个定态时,它怎么决定将以什么频率来振动”之类的观念性问题;比如导致巨大观念性困难的波粒二象性,主要是由实验确立的……换言之,量子理论的发展往往是被逼上梁山,不得不做出解释的情况下才确立完善下来的,非常被动。

相反,在相对论的发展中,观念的突破却先行或同步于理论框架,甚至独立于实验结果。说得再玄乎一点,无论是狭义还是广义,都是爱因斯坦仅仅依靠他天才的头脑通过数学和计算,纸和笔写出来的,很多理论在当时甚至直到现在都还难以验证的(不是不想是条件不够)。比如爱因斯坦在1916年基于广义相对论预言了引力波的存在,但是直到100年后的2016年才被LIGO发现并证实,其科研团队因此还获得了诺贝尔奖。

可以看出,不用说玻尔个人,即便算上海森堡、薛定谔、泡利、狄拉克等群星璀璨哥本哈根学派,其在量子论上被动式突破也远远比不上爱因斯坦创立相对论时在难度、创造性、贡献度方面的主动式突破。

最后结论,爱因斯坦完胜,无愧是二十世纪的物理学第一人!

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