玻恩誕生於是有了量子力學

2024-02-26

 

 

馬克斯·伯恩(Max Born, 1882-1970)出生於德國佈雷斯勞, 今波蘭城市弗羅茨瓦夫的一個德國猶太人家庭。父親是佈雷斯勞大學的解剖學和胚胎學教授。

 

1901年, 玻恩中學畢業後，相繼在佈雷斯勞大學、海德堡大學 和蘇黎世大學和哥廷根大學學習，先是法律和倫理學，隨後是數學、 物理和天文學。

 

他在哥廷根大學結識了一大批傑出的科學家和數學 家，曾跟隨克萊因、希爾伯特、閔可夫斯基等學習數學，也曾跟隨史 瓦西學習天文學。

 

1907 年他在哥廷根大學獲得博士學位，導師是希 爾伯特。 此後玻恩前往劍橋大學跟隨拉默爾和湯姆生學習了一段時間。

 

1908 年至 1909 年回到佈雷斯勞學習相對論。閔可夫斯基曾邀請他去 哥廷根與他共事，但是此後不久的 1909 年冬天閔可夫斯基便去世 了，玻恩受命繼續閔可夫斯基在物理領域的研究工作。

 

玻恩在 1909 年獲得大學任教資格，先是在哥廷根大學講師，1912 年接受麥可遜的邀請前往芝加哥教授相對論，並與麥可遜合作完成了一些光柵光譜實驗。 1915 年玻恩去柏林大學任理論物理學教授，並在那裡與普朗克、 愛因斯坦和能斯特並肩工作。玻恩與愛因斯坦結下了深厚的友誼，即使是在愛因斯坦對玻恩的量子理論持懷疑態度的時候，他們之間的書信見證了量子力學開創的歷史，後來被整理成書出版。

 

玻恩在柏林大學期間，曾加入德國陸軍，負責研究聲波理論和原子晶格理論，並於 1915 年發表了他的第一本書《晶格動力學》，該書總結了他在哥廷根開始的一系列研究成果。

 

1919 年第一次世界大戰結束後，玻恩轉去法蘭克福大學任教並 領導一個實驗室，他的助手奧托·施特恩後來也獲得了諾貝爾物理學獎。1921 年至 1933 年玻恩與好友夫蘭克一同回到哥廷根大學任教授，主要的工作先是晶格研究，然後是量子力學理論。

 

他在哥廷根費米、狄拉克、奧本海默和瑪麗亞·格佩特-梅耶等一大批物理學家合作。1925 年至 1926 年與泡利、海森堡和帕斯庫爾·約爾丹（Pascual Jordan）一起發展了現代量子力學（矩陣力學）的大部分理論。1926 年又發表了他自己的研究成果玻恩機率詮釋（波函數的機率詮釋），

 

後來成為著名的「哥本哈根解釋」，他也因此獲得 1954 年的諾貝爾物理學獎。此前他還在 1948 年獲得了馬克斯·普朗克獎章，1950 年獲 Hughes 獎章。以他名字命名的玻恩-奧本海默近似方法在 1928 年 發展成為原子軌道模型，玻恩近似在分佈理論中起到了先驅作用。玻恩同時也研究理論光學。

 

1933 年納粹上臺後，玻恩由於是猶太人血統而被停職，並與當時許多德國科學家一樣被迫移居國外，1936 年甚至被剝奪了德國國籍。玻恩在移居英國後，1934 年起受邀在劍橋大學任教授，這段時間的主要研究集中在非線性光學，並與利奧波德·因費爾德（Leopold Infeld）一起提出了玻恩-因費爾德理論。

 

1935 年冬天，玻恩在印度班加羅爾的印度科學研究所呆了 6 個月，與 C·V·喇曼共事。1936 年前往愛丁堡大學任教直到 1953 年退休。1939 年玻恩加入英國國籍，退休後返回德國哥廷根附近的小鎮居住，於 1953 年 6 月 28 日成為哥廷根的榮譽市民。

 

1954 年由於在量子力學和波函數的統計解釋及研究方面的貢獻，與瓦爾特·博特共同獲得諾貝爾物理學獎。 除了在物理領域的傑出研究外，玻恩還是「哥廷根十八人」之一，《哥廷根宣言》的簽署人，旨在反對德國聯邦國防軍使用原子武器裝備。 1970 年,玻恩在哥廷根逝世，並被葬於哥廷根。

 

主要貢獻： 提出次原子粒子行為之統計式 提出新量子理論，並用數學式表之 應用 Born 近似法，來解決次原子之散射 創立一種計算分子的電子組態簡化法(Born-Oppenheimer Approximation) 對熱力學第一定率，做出最令人滿意的數學敘述 得獎貢獻： 量子力學的研究

 

量子力學最初只是起源於把光視為不連續的粒子，有著共同的基本單位能量，但是仍遵守古典的力學原理。即使薛丁格提出波動方程式，以更簡潔優雅地方式描述波耳的氫原子模型，在薛丁格本人與認同量子力學的物理學家眼中，電子在方程式中的波函數就代表實實在在的波，就像光子也是一種波。然而，有個問題困擾著大家：波函數竟然是複數，怎麼去理解虛數的物理意義？

 

就在大家還在議論紛紛之際，德國物理學家玻恩一人跨出決定性的一大步。正是他的詮釋讓量子力學擺脫古典力學，開創了令人目眩神迷的全新境地。在這裡，決定性的客觀存在只是假象，我們所能依賴的只有機率。

 

是的，機率。他在1926年先後發表兩篇論文，指出薛丁格的波函數並非描述電子如何波動，而是代表發現電子的機率（正確地說，波函數本身是一種機率振幅，它的絕對值的平方才是測量到電子的機率）。向來有明確因果關係的物理竟然跑出來不確定的機率，大部分科學家都對此無法接受，其中也包括薛丁格本人與愛因斯坦。所以薛丁格才提出貓的思想實驗來反諷，而愛因斯坦也在十二月寫給玻恩的信中寫下著名的「上帝並不是在玩骰子（He is not playing at dice）」。

 

不過愛因斯坦仍然於1928年提名玻恩與玻恩的門生海森堡及約爾丹（Pascual Jordan）三人為諾貝爾物理獎候選人，但後來卻只有海森堡獨自在1932年獲獎。海森堡於次年特地捎信給玻恩告解，表達對於自己一人獨獲諾貝爾物理獎深感不安，因為他獲獎的矩陣力學是在玻恩與約爾丹的協助下才能完成，他相信他們兩人對量子力學的貢獻不會因為「一個外部的錯誤決定」而被抹煞。

 

或許是玻恩超越窠臼的理論太過前衛，提出物質波的德布羅意早在1929年就得到諾貝爾物理獎，薛丁格與狄拉克也緊隨海森堡之後在第二年獲獎，唯獨同為量子力學開創者之一的玻恩卻遲遲未受青睞。

 

與愛因斯坦終生摯友

直到1954年，玻恩對於波函數的統計詮釋終於獲得肯定，而獲頒諾貝爾物理獎；當年提名他的愛因斯坦則在半年後與世長辭。

 

愛因斯坦與玻恩雖然立場相左，但與他卻是終生摯友，兩人的友誼持續長達四十年，歷經兩次世界大戰。這期間他們一直保持書信往返，信中除了爭論物理，也談家庭瑣事、音樂欣賞, 他們兩人碰面時還會一起演奏鋼琴與小提琴的二重奏，以及科學家在動盪世局中的社會責任。羅素在他們四十年的書信出版時所寫的序中如此描述：「……他們兩人都才華洋溢卻又虛懷若谷，而且毫無畏懼地仗義執言。在一個平庸且道德萎靡的時代，他們的生命閃耀出一種強烈的美。……」