第594章 量子力學第三形式！路徑積分！暴力

  第594章 量子力學第三形式！路徑積分！暴力破解！以力證道！全場震撼！

  1924年10月31日。

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  第四屆布魯斯會議第二日。

  今天的流程依然是個人報告。

  上午，盧瑟福、玻爾、玻恩、索末菲等人依次分享自己的研究成果。

  下午，則輪到泡利、康普頓、於隱、狄拉克、費米等年輕一輩。

  有了昨天的開場，今天的會議氣氛更加熱烈。

  眾人從各種不同的角度分享了當前對量子力學的最新研究。

  費米把量子力學引入核物理，企圖解釋β衰變的機制，引起一陣驚呼。

  β衰變一直是核物理中的關鍵問題。

  它不僅與未發現的中子有關，還與布魯斯教授預言的弱力相關。

  該方向一旦突破，絕對是震驚物理學界的驚天大事！

  費米目前的研究還未取得突破，只是提供了一些方向。

  不過對於他這個年齡而言，已經足夠驚艷了。

  李奇維親自讚賞他：

  「費米很不錯。」

  費米激動萬分。

  康普頓機緣巧合之下，發現了「逆吳-康普頓效應」。

  正常的吳-康普頓效應是說，光子與電子發生彈性碰撞後，光子的部分能量轉移到電子，導致光子的能量降低。

  根據E=hv，光子的能量降低，則頻率降低，所以波長變長。

  而逆吳-康普頓效應則是低能光子與高能電子碰撞後，情況反過來，電子把部分能量轉移給光子。

  所以光子的能量增大，波長變短。

  康普頓自信地說道：

  「逆吳-康普頓效應是我在研究宇宙高能射線時偶然發現的。」

  「我認為它與宇宙中高能X射線和γ射線的產生息息相關。」

  「這是量子力學在天文物理中的又一應用。」

  眾人皆是一驚！

  康普頓的這個發現非常重要！

  尤其對於天文學而言，相對於多了一個理論測量手段。

  通過研究天體輻射光譜中的異常頻移，就能知道很多信息。

  康普頓接著說道：

  「此外，電子在轉移能量給光子後，經典理論無法描述其狀態，必須使用費米-狄拉克統計才能解釋電子的能量狀態。」

  「大家請看，這是我研究出的電子狀態函數。」

  這些年輕物理學家們的演講都非常精彩。

  他們可不在乎量子力學是否完備，也不在乎它對世界的解釋是不是違反直覺。

  反正量子力學已經在物理學的各個領域都發揮了重要作用。

  所以，昨天愛因斯坦的質疑，並沒有降低大家研究量子力學的熱情。

  反而因為他的接連失利，讓量子力學更加深入人心。

  這一世的愛因斯坦也因為李奇維的影響，對量子力學逐漸改觀。

  他不再那麼固執地對這個理論產生偏見。

  量子力學和相對論都有各自的獨到之處。

  不過，他昨天晚上想到了一個絕妙的點子，準備最後一問。

  不知不覺，第二日的會議結束。

  主持人洛倫茲解釋道：

  「昨天我和布魯斯教授商議，本次會議的時間會適當延長。」

  「所以，那些還輪到上台演講的人，不要著急，明天上午繼續。」

  「明天下午及後天是自由討論日。」

  「大家針對這幾天的研究成果進行更深入的交流。」

  「或許會誕生一些全新的理論和想法。」

  眾人聞言神色興奮。

  這一次應布魯斯教授之邀請，幾乎三分之二的人都作了報告，可謂精彩紛呈。

  如此多的思想相互碰撞，一定能迸發出不一樣的火花。

  11月1日下午。

  自由討論會開始。

  眾人三三兩兩，隨意地在房間內或是走動，或者坐下，相互交流感興趣的話題。

  房間內時不時響起爽朗的笑聲。

  「量子力學的大廈已經完成！」

  這是很多人的內心的想法。

  隨著李奇維提出互補原理、態迭加原理、波函數坍縮等概念，量子力學的理論基礎已經全部完善。

  忽然有人感嘆道：

  「我怎麼覺得理論物理已經走到頭了。」

  「現代物理學的兩大支柱，相對論和量子力學，都成為成熟的理論了。」

  眾人聞言皆是默默贊同。

  或許從今天往後，再也不會誕生基礎性的理論了。

  物理學家們能做的，無非就是像費米、康普頓那樣，把量子力學應用到未知的實驗現象中，解釋其原理。

  他們無需再額外創造更多的理論。

  「物理學的大廈真的建成了？」

  這時，李奇維和玻爾兩人坐在一起。

  聽到旁邊的議論後，玻爾微微一笑。

  「老師，你認為這個觀點對嗎？」

  李奇維目光深邃，幽幽道：

  「當然不對！」

  「完善的只是量子力學，而不是物理學。」

  「至少我現在就能想出一個方向，令量子力學束手無策。」

  玻爾一驚，忙問道：

  「是什麼？」

  李奇維笑著反問道：

  「玻爾，你認為經典電磁學中，最重要的概念是什麼？」

  玻爾聞言，眉頭微皺。

  他的腦海里一瞬間閃過很多理論：電流、電磁感應、庫侖定律、麥克斯韋方程

  但這些好像和量子力學都沒什麼關係。

  不對！

  玻爾忽然想到了第一屆布魯斯會議上的內容。

  他興奮地說道：

  「老師，是場！」

  李奇維滿意地點點頭，說道：

  「沒錯，就是經典場的概念！」

  「物質、能量，都已經被量子化了。」

  「能不能把場也給量子化呢？」

  「那樣會發生什麼？」

  「我目前的一個研究方向就是關於電磁場的量子化。」

  「暫時還沒有什麼成果，所以這次會議我就沒有提。」

  嘩！

  玻爾聞言內心極度震撼！

  「天啊！」

  「場明明是連續的存在，怎麼可能量子化呢？」

  「這個思想太超前了！」

  這一刻，他覺得自己聽到了什麼了不得的東西。

  老師的靈感簡直無窮無盡！

  玻爾忽然覺得，量子力學可能還遠遠沒有結束。

  真實歷史上，李奇維所說的把場給量子化，就是把連續的場看成無窮維諧振子，通過正則量子化的方法，將場分解成一個個量子。

  場被量子化以後，有一個好處，那就是與量子化的粒子和能量變成同一狀態。

  這樣更方便從理論上闡述它們之間的關係。

  這就是大名鼎鼎的「量子場論」。

  在量子場論的框架下，宇宙中沒有物質沒有能量，只有各種各樣的場。

  場的激發產生物質和能量。

  每一種微觀粒子都有對應的場。

  產生光子的場是電磁場，研究電磁場和光子的相互作用的量子場論名為「量子電動力學（QED）」。

  產生夸克的場是夸克場，研究組成強力粒子的夸克的量子場論名為「量子色動力學（QCD）」。

  而這些理論最終組合在一起，就是後世最前沿最重要的理論：粒子物理標準模型！

  玻爾無論如何也想不到，未來的量子力學會多麼璀璨！

  此刻，李奇維忽然微微一笑，他要給量子力學再添一把火。

  他笑著說道：

  「剛剛不是有人說，理論物理走到頭了嗎？」

  「現在，我要向他們展示一下，什麼叫永無止境！」

  嘩！

  玻爾大驚！

  老師難道又要提出什麼驚世理論了嗎？

  在眾人的震驚下，李奇維站起來，走到前方，說道：

  「適才我和玻爾聊天時，又回想起前天的雙縫干涉實驗。」

  「我想到從另外一個角度重新闡述量子力學。」

  嘩！

  眾人皆是一驚！

  「天啊！」

  「我剛剛才說量子力學已完善，理論物理到頭了。」

  「沒想到轉眼就被布魯斯教授打臉。」

  李奇維繼續說道：

  「在經典力學中，一個粒子的運動可以由牛頓運動定律精準預測。」

  「但在量子力學中，我們只能預測粒子出現在某處的概率。」

  「概率的數值是通過計算薛丁格方程的波函數得到。」

  「那麼，有沒有可能重新尋找一種方法來計算呢？」

  「我從電子的雙縫干涉實驗中找到了靈感。」

  「從整體來看，電子發射出來後，要經過雙縫和顯示屏，最終變成一個確定的狀態。」

  「過程無非幾種，要麼單獨通過左縫，要麼單獨通過右縫，要麼同時通過兩條縫隙。」

  「我們不需要計算，就能定性知道這些路徑。」

  「但如果這時候把雙縫改成三縫，甚至五縫、八縫，並且在前後多加幾個縫隙板。」

  「這時候要如何研究電子的通過路徑呢？」

  「它還會發生干涉嗎？」

  「這種情況，現有的量子理論無能為力。」

  眾人一臉懵逼，不明覺厲。

  這已經不是雙縫實驗，而是N縫實驗了。

  「電子通過這些縫的路徑有很多種。」

  「通過定性完全無法判斷電子究竟走哪一條路徑。」

  「因此，我想到一種解決方案。」

  「我把這些所有可能的路徑全部累加，最終確定電子將要走哪條具體的路徑。」

  「如此一來，我不需要知道電子的波粒二象性具體是什麼。」

  「我只需關注電子的起始點和終止點的狀態即可。」

  「沒有什麼波動，也沒有什麼粒子，電子只是從A到B運動。」

  「假設它有100條不同的路徑，我就把100條路徑以概率比重迭加，通過積分的方式計算最終走哪條路徑。」

  咔咔咔！

  李奇維一邊講，一邊直接在黑板上開始演算。

  各種積分看的人眼花繚亂。

  足足二十分鐘過後。

  他笑著說道：

  「諸位請看，這是我用新的方法，計算出電子通過雙縫的結果。」

  「我從理論上證明了，單個電子必然會產生干涉。」

  「同理，把雙縫換成三縫、八縫，可以得出不同的結果。」

  「我暫時把該理論稱為【路徑積分】。」

  「有了路徑積分，我們完全不用考慮量子本身的情況，直接考慮所有可能性。」

  靜！

  死一般的寂靜！

  所有人都瞪大了雙眼，心中震撼不已！

  「上帝啊！布魯斯教授實在太逆天了！」

  「他到底是怎麼想出來這種理論的？」

  「這簡直就是大力出奇蹟，以力證道啊！」

  矩陣力學中用躍遷來表示電子的狀態改變。

  波動力學中用概率表表示電子的狀態改變。

  這兩大力學都是通過間接的手段，從某個角度描述電子從A到B的變化。

  因為量子力學的特性註定了，微觀粒子的一切都不是不確定的，有無數種可能狀態。

  物理學家不可能把每種狀態都考慮到。

  但是今天，眾人仿佛見到奇蹟了！

  其他人不能，不代表布魯斯教授也不能！

  那個男人就是不走尋常路，竟然直接以暴力計算出電子的所有可能路徑。

  然後把這些路徑全部加在一起，計算出最終路徑。

  路徑積分的想法實在太天馬行空，驚世駭俗了！

  房間內頓時響起陣陣驚呼。

  「這簡直就是量子力學的第三種形式！」

  眾人駭然無比！

  真實歷史上，量子力學的路徑積分形式由大名鼎鼎的費曼在1942年提出。

  它的出現，把量子力學帶入更高的層次。

  所以楊振寧曾說：費曼創造了真正的量子力學。

  路徑積分為經典與量子之間搭建了一座橋樑。

  通過該理論的計算，能直接推導出F=ma。

  宏觀世界裡的確定路徑，其實就是無數微觀量子路徑的迭加。

  而單個電子之所以是不確定的，是因為每條路徑對最終結果的影響是相同的。

  所以，它們都有可能成為最終的路徑。

  此外，基於路徑積分形式，費曼還提出「費曼圖」的概念。

  當然，這一世要變成「布魯斯圖」了。

  它幫助物理學家用更形象的方法，處理量子場論中各種粒子的相互作用。

  路徑積分形式和後來的量子場論密切相關。

  此刻，海森堡和薛丁格二人神色狂熱！

  他們各自的理論都是在布魯斯教授的指導下完成的。

  沒想到對方竟然還能想出量子力學的第三種形式。

  而且這種形式看起來比矩陣力學和波動力學更深刻。

  它不僅是一種物理理論，更是一種數學思想和方法！

  從全新的角度審視量子。

  二人心中頓時佩服的五體投地！

  「布魯斯教授和我們永遠不是一個層次的人！」

  玻爾崇拜地看著老師。

  他的腦海里還回想著剛剛的談話。

  「路徑積分或許還不是量子力學的盡頭。」

  「真是期待老師在場量子化方面的研究，一定會再次轟動物理學界吧。」

  李奇維看著眾人震驚的表情，臉上淡定。

  至此，量子力學大功告成，接下來的就該量子場論橫空出世了！

  （還有更新耶）