探索 | 物理学家的伟大贡献（下）

▏埃尔温·薛定谔
埃尔温·薛定谔，奥地利人，20世纪物理学界的杰出人物，以其开创性的贡献于量子力学而闻名于世。
薛定谔的核心物理学观点一：波粒二象性薛定谔最为人熟知的贡献之一，是他对微观粒子性质的深刻洞察——波粒二象性。这一原理指出，微观粒子（如电子、光子等）既表现出粒子的特性，如具有确定的位置和动量，又展现出波的特性，如具有频率和波长。这一发现彻底颠覆了经典物理学对物质性质的认知。
想象一下，当我们观察一个苹果时，它无疑是一个实实在在的物体，占据着空间中的某个位置。但在微观世界里，粒子却像幽灵一般，既非纯粹的粒子也非纯粹的波，而是一种既非此又非彼的“概率波”。这种概率波在未被观测时，处于一种不确定的状态，只有在被观测的瞬间，才会“坍缩”成具体的粒子或波的形式。这一观点不仅挑战了我们对物质世界的直观理解，也引发了关于现实本质的深刻讨论。
薛定谔的核心物理学观点二：薛定谔方程如果说波粒二象性是薛定谔对量子世界本质的探索，那么薛定谔方程则是他用以描述这一世界的数学工具。1926年，薛定谔提出了这一描述量子系统状态随时间演化的基本方程，为量子力学奠定了坚实的数学基础。
薛定谔方程分为时间依赖和时间独立两种形式。时间依赖的薛定谔方程描述了量子系统的波函数如何随时间变化，而时间独立的薛定谔方程则用于研究系统在稳态下的性质。通过解这个方程，我们可以得到系统的波函数，进而求得物理量的期望值，如能量、动量等。这些期望值随时间的演化揭示了量子系统的动力学行为，为我们理解和预测量子现象提供了重要依据。

薛定谔的核心物理学观点三：量子纠缠除了波粒二象性和薛定谔方程外，薛定谔还提出了另一个令人震惊的概念——量子纠缠。量子纠缠是指当两个或多个粒子发生相互作用后，它们的状态将相互关联，即使它们之间的距离非常遥远。这种关联不受光速限制，仿佛它们之间存在着一种超越时空的神秘联系。
爱因斯坦曾将这一现象称为“幽灵般的作用”，因为它挑战了我们对因果律和局域性的理解。在量子纠缠中，一个粒子的状态变化会瞬间影响到与之纠缠的粒子，无论它们相隔多远。这种现象不仅揭示了量子世界的非局域性，也引发了关于信息传递速度和宇宙本质的深刻思考。
尽管薛定谔是量子力学的奠基人之一，但他本人却对这一理论中的某些观点持保留态度。特别是量子力学的几率解释，让他感到十分困惑。在他看来，一个粒子竟然无法被精确定位和预测，这完全颠覆了经典物理学的确定性原则。
为了表达他对量子力学这种不确定性解释的质疑和不满，薛定谔提出了著名的“薛定谔的猫”思想实验。在这个实验中，一只猫被关在一个装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变是随机的，如果衰变发生，氰化物将被释放并杀死猫；如果未衰变，则猫将存活。由于我们无法确定镭是否衰变，因此在观测之前，猫的状态是既死又活的叠加态。这一思想实验不仅生动展示了量子叠加态的奇妙性质，也引发了关于现实本质的深刻讨论。
薛定谔的物理学观点不仅为量子力学的发展奠定了坚实的基础，也深刻影响了后世对物理世界的认知方式。他的物理学思想也引发了广泛的哲学讨论。他对于量子力学中不确定性解释的质疑和反思，促使后人深入思考现实与观测、因果律与局域性等基本概念。

▏沃纳·海森堡
沃纳·海森堡，德国人，20世纪物理学领域的一位杰出人物，以其在量子力学中提出的不确定性原理而闻名。海森堡在慕尼黑大学学习物理，博士毕业后，他前往哥本哈根研究所跟随玻尔。海森堡的职业生涯见证了他成为量子理论的先锋和领导者，特别是他在1925年发表的量子力学的矩阵表述标志着现代量子力学的诞生。
沃纳·海森堡的核心物理学观点一：不确定性原理海森堡不确定性原理，简单来说，就是无法同时精确测量一个微观粒子的位置和动量。这一原理的提出，不仅是对经典物理学确定性观念的颠覆，更是对微观世界本质的一次深刻揭示。在宏观世界中，我们习惯于认为物体的位置和速度是可以同时精确测量的，但在微观尺度下，这一观念却不再适用。
当我们试图用光子或其他粒子去测量电子的位置时，这些粒子的撞击会改变电子的动量，使得我们无法同时获得精确的位置和动量信息。反之亦然，如果我们关注电子的动量，那么其位置就会变得不确定。海森堡用数学不等式精确地描述了这种不确定性，即位置和动量的不确定性是相互关联的，一方的减小必然导致另一方的增大。
这一原理的提出，不仅解释了粒子为何具有波粒二象性，也阐明了在进行量子测量时不可避免的不确定性。它揭示了微观世界的内在不确定性，是我们理解量子世界的一把钥匙。
沃纳·海森堡的核心物理学观点二：矩阵力学除了不确定性原理，海森堡还创立了矩阵力学，为量子力学的数学表达提供了重要工具。在经典物理学中，我们通常使用微分方程来描述物体的运动状态，但在量子力学中，这种方法不再适用。海森堡发现，微观粒子的状态可以用矩阵来表示，这些矩阵的运算规则与经典物理学的运算法则截然不同。
矩阵力学的建立，使得量子力学的理论更加严谨和精确。它揭示了微观粒子运动状态的复杂性，为我们理解量子现象提供了新的视角。海森堡的矩阵力学与薛定谔的波动力学共同构成了量子力学的两大支柱，为现代物理学的发展奠定了坚实基础。
海森堡的科学成就不仅体现在物理学领域，更深刻地影响了科学哲学的发展。他的不确定性原理不仅是对微观世界的物理描述，也是对科学认知方式的深刻反思。它告诉我们，科学并不是绝对确定的，而是充满了未知和不确定性。这种观念打破了科学传统中的决定论思想，为科学研究提供了新的方法论指导。

▏保罗·狄拉克
保罗·狄拉克，英国人，20世纪最杰出的物理学家之一，以其对量子力学的贡献而著称。狄拉克的学术生涯几乎完全在剑桥大学度过。狄拉克的工作发生在量子理论快速发展的关键时刻，他和其他几位物理学家如海森堡、薛定谔和玻尔等人共同奠定了现代物理学的基础。
保罗·狄拉克的核心物理学观点一：狄拉克方程1928年，年仅26岁的狄拉克在纯数学物理的基础上，提出了著名的狄拉克方程。这一方程的诞生，标志着量子力学与相对论的结合达到了新的高度。狄拉克方程不仅满足了相对论的所有要求，还自动导出了电子的自旋量子数应为1/2，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德g因子为轨道角动量情形时朗德g因子的2倍。这些结论在过去只能通过实验总结得出，而狄拉克方程却以理论的方式自动推导出来，无疑是物理学上的一次重大飞跃。
狄拉克方程最引人注目的特点之一是它预言了电子的负能态。根据这一方程，电子的能量可以取正值也可以取负值，且正负能态的分布关于能量为零的点完全对称。这一预言在当时引起了极大的争议，因为传统的物理学观念无法解释负能量的存在。然而，正是这一看似荒谬的预言，最终导致了正电子的发现，验证了狄拉克方程的正确性。
保罗·狄拉克的核心物理学观点二：正电子与反物质的理论1930年，狄拉克根据泡利不相容原理提出了空穴理论，解释了负能态的存在。他认为，所谓的真空状态并非真正的空无一物，而是所有负能态都被电子占有，形成了负能态的电子海。当海中的电子受激发跃迁到正能态时，便出现了正负电子对的激发态，即正电子。这一理论不仅解释了负能量的存在，还预言了反粒子的存在，为后来的反物质研究奠定了理论基础。
1932年，美国物理学家卡尔·大卫·安德森在研究宇宙射线时，发现了正电子，这一发现完全验证了狄拉克的预言。正电子的发现不仅证明了狄拉克方程的正确性，还揭示了自然界中电荷和物质的对称性，开启了反物质研究的新纪元。

保罗·狄拉克的核心物理学观点三：费米-狄拉克统计与粒子统计规律除了狄拉克方程和正电子的预言外，狄拉克还与恩利克·费米各自独立地提出了费米-狄拉克统计，这一统计规律描述了自旋为半整数的粒子（如电子、质子等）所服从的统计分布。费米-狄拉克统计成为了研究基本粒子物理的基础，对于理解物质的微观结构和性质具有重要意义。
狄拉克的统计理论指出，由于电子是粒子，满足泡利不相容原理，每个量子态最多只能被一个电子占据。这一规律不仅解释了电子在原子中的排布方式，还揭示了粒子在极端条件下的行为特性，如超导、超流等现象。

▏物理学大讨论：物理学美在何处
我们探索了人类历史上最具影响力的十位物理学家的思想精髓，关注了他们对于物理学的独特见解。接下来听听这十位物理学家就“物理学美在何处”的问题是如何回答的。
阿基米德认为，物理学的美在于其能够以简洁的原理解释自然界的复杂现象，如同杠杆原理的精妙之处在于能够阐释天平的平衡之谜。
伽利略·伽利雷则强调了物理学对自然现象精确描述的重要性，通过观察和实验揭示了宇宙秩序的奥秘，就如同星辰的运动遵循着可预测的轨迹。
艾萨克·牛顿的观点则更加深入，他认为物理学的美体现在万有引力定律这样的简洁公式中，这一公式不仅统一了天体物理与地面物理，更展现了宇宙的和谐之美。
麦克斯韦则将电磁理论视为物理学的瑰宝，他欣赏电磁理论如何将光、电、磁三者紧密结合，揭示了自然界深层次的联系。
马克斯·普朗克则看到了量子假说背后的美，这一理论揭示了物质和能量的离散性，为人们打开了通往微观世界的大门。
爱因斯坦则从相对论的角度阐述了物理学的美，他认为相对论改变了我们对时间和空间的基本理解，揭示了宇宙结构的奥秘。
尼尔斯·玻尔的视角独特，他欣赏量子模型如何展示了原子的内在结构，以及互补原理如何帮助我们理解微观世界的对立统一。
埃尔温·薛定谔则关注薛定谔方程如何描述微观粒子的波动性，展示了概率波的概念和粒子的非确定性。
沃纳·海森堡强调了不确定性原理的重要性，他认为这一原理揭示了观测对被观测系统的根本性影响，展示了知识的极限。
保罗·狄拉克从相对论性量子力学和反物质预言的角度出发，认为这些理论指引我们认识物质世界的深层对称性和统一性。
这十位物理学家的思想，为我们展现了物理学的无尽魅力与深邃之美。让我们窥见了自然界的奥秘与和谐，更为物理学的未来发展指明了方向。
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作者 | 几维鸟毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。

初审 | 陈嘉琦复审 | 魏星华
终审 | 周阳