量子力学人间史话15.pdf

第一章早期的英雄时代 （1） 太阳永远照射大地，1799 年的天空碧蓝，法国的拿破仑正在准备一场匡日持久的战争，其目的是称霸欧洲。 德国的一个 12 岁的少年刚刚失去双亲，他的苦难人生已经开始。这个少年名叫弗朗禾费。如果没有意外，他将继 承父亲的职业，成为一个磨镜片的工匠。同在这个时代的还有一位德国的著名数学家，他 叫高斯。不过这个时候的高斯还很年轻，他比弗朗禾费大10 岁，现在已经是22 岁的青年 了。这一年，高斯完成了博士论文，证明了一个代数学里最常见的n 次方程的基本定理。 这个定理说， “形如a n n-1 x +a x ……+a =0 的n 次方程，总有n 个根”。换句话说，一个 n n-1 0 n×n 的矩阵，它的特征多项式是一个n 次方程，这个方程有n 个根。这个定理在量子力学 的矩阵表达里是有用的。 弗朗禾费在渐渐成长，他很努力。“上天给了我多少时间？”弗朗禾费心想，“牛顿用 棱镜做成了分光计，看到了七色阳光。那我应该怎么做才能站在牛顿这个巨人的肩膀之 上？也许，我可以用光栅来做一个分光计？—— 因为光栅比棱镜具有更细致的色散能力。” 1814 年，26 岁的弗朗禾费已经发现了太阳的一个秘密——太阳光被光栅色散以后，会留下几条很黑的暗线，他试 图解释这些暗线的来历和产生这些暗线的原因，但是一筹莫展。 在他30 岁时，成为一家光学仪器公司的经理。 用同时代法国的傅里叶的话来讲，弗朗禾费实际上是发现了连续频谱之中缺失的几根小线条 （这些离散的线条可以 看成是离散谱线）。可惜他们两个人命运各自流转，天各一方，始终没有 相互交流的机会。 太阳光里离散暗线的来源似乎是一个不小的难题，并且难住了很多人， 这是新时代巨人扣开房门之前的沉闷脚步声。上天并没有给弗朗禾费更多 的时间，作为光学家的弗朗禾费在有生之年还匆匆地干了不少事情，除了制造光栅，测量光的波长，他记录下了平行光 线通过一个狭缝后的衍射花纹－弗朗禾费衍射花纹。早在中国的春秋战国时代， 《墨子》上已经记录，当光线通过狭缝 的时候，有的时候会出现小孔成像。但这事情仅被做了一半，到了后来，弗朗禾费他们就注意到，如果这个狭缝开得很 小很小，那么就可以看到衍射花纹，就如同太阳光照到肥皂泡之上的那种五颜六色的花纹。 这自然是说明了光具有波 动性，其实也算是用物理仪器在光学中实现了傅里叶变换。 39 岁那年，终生未婚的弗朗禾费离开了这个色彩斑斓的世界。 他再也看不到这个世界的阳光。 日本作家村上春树曾经这样哀惋地写道：“死作为生的一部分永存”。对于后来者 来说，弗朗禾费是矗立在道路旁的神道碑。这条道路没有尽头，弗朗禾费也不是唯一的 神道碑，但如果没有他这条道路会暗无天日。他留给人们的光栅，也留给人们进入微观 世界的希望。他留给人们暗线，也留给人们迷惘。 暗线问题启发了另外一个德国人，那时已经是 1860 年。基尔霍夫把食盐放在火上灼烧，然后让连续光源去照射火 焰。他发现透过火焰之后的光线在光谱之中也出现了暗线， 而从这个暗线的位置来看，正是钠元素在被灼烧之后才在光谱中缺失的。于是基尔霍夫可以非常肯定，太阳光经过 光栅之后产生的暗线，一定也是由某种元素的吸收引起的。 关于元素吸收的篇章仅仅是故事的开端，因为基尔霍夫还明白了另外一件事情，任何物体对