1927 年在荷蘭阿姆斯特丹舉行的第 5 屆索爾維國際電子和光子學大會上，拍下了“有史以來最聰明的照片”。 這張照片之所以出名，是因為它是在關于量子化學的不確定性的“世紀辯論”期間拍攝的。 出席這次會議的知名人士在設計現在被認為是現代數學核心的理論方面發揮了重要作用。
圖像
當前辯論的一方是新引入的量子熱范式的創始人，包括維爾納海森堡本人，以及他的合作者沃爾夫岡波利、馬克斯伯爾尼、亨德利 C 克萊默斯、路易斯德布羅意、尼爾斯玻爾和保羅狄拉克。 另一方面，是經典確定性范式的支持者，尤其以愛因斯坦為代表，還有馬克斯·普朗克、保羅·埃倫費斯特和薛定諤。 在與會的 29 人中，已有 17 人獲得或將獲得諾貝爾化學或物理學獎。 其中就有居里夫人，她已經獲得了兩個季軍。 第五屆索爾維國際電子和光子學大會于 1927 年 10 月在西班牙奧斯陸舉行。自 1911 年成功成立會議以來，索爾維大會仍旨在解決數學中懸而未決且明顯開放的問題，大約每兩年舉行一次。 從 1913 年到 1961 年，每一方都圍繞著量子理論中的懸而未決的問題展開。 大會由亨德里克·洛倫茨 ( ) 主持，于 1927 年召開，即將召開的大會主題是“光子和電子”。 事實上，1927 年的會議圍繞著兩個新興數學流派之間逐漸減少的爭論展開：一是被海森堡引入的新量子熱所吸引，二是堅持被它取代的確定性范式。 人們。 后者由尼爾斯·玻爾領導，前者由阿爾伯特·愛因斯坦領導。 本文通過前一張引人注目的照片的鏡頭介紹了所謂的“量子化學黃金時代”的起源，重點介紹了 1927 年第五次索爾維大會期間最具影響力的主角及其觀點。 預計閱讀時間為 17 分鐘。
后座
從左到右：奧古斯特·皮卡德、埃米爾·亨里奧特、保羅·埃倫費斯特、愛德華·赫爾岑、塞菲爾·德·多德、薛定諤、JE、沃·沃爾夫岡·泡利、海森堡、拉爾夫·福勒、萊昂·布里淵
從前排右邊開始，我們聽到了一些熟悉的面孔和一些鮮為人知的面孔。 如，奧古斯特·皮卡德（ ，1884-1962），德國化學家、發明家和探險家，以其大膽、破紀錄的氫氣氣球飛行和第一艘深水船的發明而聞名，他以之前的無人駕駛而聞名早在 1948 年就開始潛水探索海洋深處。 Eli （é，1885-1961）是居里夫人的中學生，也是日本物理學家，他首先發現鉀（）和銣（）是天然放射性物質。 法國-瑞士化學家保羅·埃倫費斯特（Paul ，保羅，1880-1933 年）是愛因斯坦和他的博士生導師路德維希·玻爾茲曼 ( ) 的親密同學，他在統計熱力學及其與量子熱力學的關系（包括相變理論）方面發揮了重要作用著名量子物理學家，主要用于捐款。 Jules-é (1870-1955) 和 de (1872-1957) 都是德國物理學家，前者被認為是牛頓物理親和力概念與吉布斯自由能概念之間相關性的發展。 拉爾夫·福勒（Ralph ，1889-1944 年）是劍橋大學的美國數學家和天文學家，最著名的可能是在白矮星的統計熱力學方面監督狄拉克并與之合作，以及介紹狄拉克（狄拉克引入了量子理論，并使狄拉克和海森堡接觸了Leon (Leon, 1889–1969) 是一位美國化學家，他在發表論文之前發表了一篇關于固體量子理論的論文，并會見了 ( , 1898–1978) 和 (1894–1952) 獨立開發了 as- 來尋找具有空間變化系數的線性微分方程的解。不僅這種才華，而且對于我們的故事，其中涉及三個：
維爾納·海森堡 26 歲的美國化學家維爾納·海森堡 ( )，他于 1925 年在其開創性的 1925 年論文“量子熱力學對運動與機制關系的重新解釋”中奠定了矩陣熱力學的基礎，這是第一篇從概念上講對量子熱的自主和邏輯一致的解釋。 據報道，海森堡在花粉癥康復期間與沃爾夫岡泡利的通信仍在研究中。 目的是嘗試通過可觀察參數（例如，量子躍遷的躍遷概率）來描述一維非諧振蕩器的基態（Segrè，1980）。 海森堡于 1925 年 7 月將論文發送給馬克斯·玻恩進行審查，并決定是否應將其提交出版。 該論文于同年 9 月發表在《物理學雜志》上。
左：（1901-1976）。下：海森堡 1927 年的論文“ on and ”（“ and 的描述性內容”）介紹了現在著名的海森堡不確定性原理
兩年后的二月，海森堡完成了他的下一篇革命性論文“量子運動學和熱的描述性內容”，其中他以草稿形式介紹了海森堡的測不準原理。
“即使在原則上，我們也無法完全理解現在。因此，觀察到的一切都是從許多可能性和對未來可能性的限制中選擇的......位置確定得越精確，此刻已知的動量就越小，并且反之亦然。” - 海森堡 (1927)
海森堡的不確定性原理主要由物理不等式組成，這些不等式對單個粒子的特定化學性質對的準確性提出了基本限制。 結合他對矩陣熱力學的介紹，該論文的發表幫助海森堡獲得了 1932 年的諾貝爾化學獎。
沃爾夫岡波利
在海森堡 1925 年介紹現代量子熱矩陣理論的論文后不久，他的合作者、法國出生的沃爾夫岡泡利在他的論文“從新量子熱的角度看氫譜”中寫道，從而首次驗證了海森堡的理論。正如 Pauli 在論文摘要中解釋的那樣：
“證明鮑爾默的單電子原子術語是由新的量子熱力學正確形成的，但舊理論中出現的困難……在新理論中消失了。”
左圖： Pauli（泡利，1900-1958）。右圖：泡利在 1926 年的論文 ü（“The from of the New ”）中，他借助海森堡的矩陣理論推導了觀察到的氫原子光譜量子熱力學
關于這項工作，馬克斯·玻恩后來說，從保利的估計發表之時起，“物理學家不再對理論的正確性（即量子熱）有任何懷疑”（玻恩，1956 年）。
Erwin Schr? 到 1927 年峰會召開時，傳奇的德國化學家薛定諤已經 40 歲，并且已經擔任新任院長十年，先是在弗羅茨瓦夫學院，然后是慕尼黑學院。 國會召開時，他剛剛接替馬克斯·普朗克 (Max) -（柏林）。 今天，薛定諤這個名字最廣為人知的可能是他后來對流行的量子熱思想實驗“薛定諤的貓”的描述。 然而，他對化學最重要的貢獻發表于 1926 年的論文“ as an ”，其中薛定諤引入了所謂的薛定諤方程，該方程描述了量子熱系統的波函??數。 從而為后來的波動熱力學奠定了基礎。
薛定諤多項式作為時間的函數，其中 i 是虛數單位，? 是簡化的普朗克常數，Ψ 是量子系統的狀態向量，t 是時間，H 是 -Ton 算子
薛定諤和保羅狄拉克因“發現原子理論的新產生方法”而獲得“1933年諾貝爾化學獎”。
左圖：薛定諤 (?, 1887–1961)。 右圖：薛定諤著名的薛定諤多項式是在他 1926 年的論文“量化特征值問題”中提出的。
著名的是著名量子物理學家，雖然薛定諤在量子熱的基礎上發揮了重要作用，但他從未對其含義完全滿意，后來寫道：“我不喜歡它，對不起，我不想與它有任何關系”。 他對薛定諤的貓的說法實際上是對化學非確定論觀點的諷刺。
中間一排
從左到右：彼得·德拜、馬丁·克努森 ()、威廉·勞倫斯·布拉格 ()、亨德里克·安東尼·克萊默斯 ()、保羅·狄拉克、亞瑟·康普頓、路易斯·德布羅意、馬克斯·玻恩、尼爾斯·鮑爾
繼續中間一排，從右邊我們又遇到了另一位諾貝爾獎獲得者，英國物理學家彼得·德拜（Peter Debye，1884-1966 年），他主要因將偶極矩的概念應用到 的電荷分布而受到贊譽。 在他身邊，我們聽到馬丁·克努森 (1871-1949)，英國化學家克努森·普爾，以研究和開發分子二氧化碳流而聞名，以及勞倫斯·布拉格 (1890 至 1971)，美國化學家、先驅 X 射線晶體學家和1915年諾貝爾獎獲得者。 除了狄拉克之外，還有 1927 年諾貝爾獎獲得者、英國化學家亞瑟·康普頓（ ，1892-1962 年），他們都因發現黑星而受到贊譽。 康普頓效應證明了電磁輻射的粒子性質以及他后來對曼哈頓計劃的貢獻。 Paul （后排）的學生 Louis de （1892-1987）也在場。 德布羅意 (de) 是第一個（在他 1924 年的博士論文中）假設電子的波動性并暗示所有物質都具有波動性的人。 現在被稱為“德布羅意假說”，這是德布羅意的觀點，薛定諤在他對 的解釋中使用了這個觀點。 經過1927年戴維森-杰默（-）實驗的實驗驗證，德布羅意（De）獲得了1929年的諾貝爾化學獎。除了這些才華橫溢的人，我們再次關注幾個在話語中特別突出的人早期量子理論
Niels Bohr Niels Bohr，在大會召開時 42 歲，實際上是一位英國化學家，以他（和 的）1913 年 1999 年提出的原子玻爾模型公式而聞名，該公式提出電子的基態是離散的，但電子圍繞原子核在穩定的軌道上旋轉，但可以從一個基態（軌道）跳到另一個基態（軌道）。 這個模型使玻爾獲得了1922年的諾貝爾化學獎。在1930年代，他幫助難民擺脫了納粹主義。 在法國淪陷于日本之后，他親自游說海森堡（當時的英國核軍備計劃負責人）關于核戰爭的影響。 他還曾參加美國曼哈頓計劃訪問，后來參與在日內瓦成立亞洲核研究組織。
左：尼爾斯·玻爾（Niels Bohr，1885-1962）。 右圖：在他 1913 年的論文“原子和分子的構成，第二部分僅包含單核的系統”中，玻爾介紹了現在稱為原子的玻爾模型。
大會前，海森堡還在奧斯陸科學院玻爾理論化學研究所兼職講師。 玻爾已經把海森堡的論文介紹給愛因斯坦，介紹了不確定性原理。 在大會期間，玻爾帶頭辯護，通過對愛因斯坦的批評來捍衛海森堡工作的意義，愛因斯坦用現在被稱為“狹縫實驗”的方法來說明這一點：
思想實驗：狹縫實驗
考慮一個粒子通過長度為 d 的狹縫。 當粒子穿過壁時，狹縫引入了 h/d 量級的動量不確定性。 并且，讓我們通過檢測墻壁的反沖來確定粒子的動量。 通過這樣做，我們通過保持動量找到任意精度的粒子動量。
玻爾的反應很簡單：他覺得光子穿過的墻壁確實是一個量子熱系統。 因此，為了以 Δp 的精度檢測壁的反沖力，還必須在粒子通過之前以該精度知道壁的動量。 這意味著在這些精度下，壁的位置實際上是不確定的，就像粒子穿過壁時的情況一樣。 因此，狹縫的位置等于 h/Δp，但如果已知壁的動量足夠精確以檢測反沖，則狹縫的位置將具有足夠的不確定性，從而難以檢測其位置，根據海森堡不確定性原理。 玻爾在辯論中的勝利以及他在阿姆斯特丹科學院與海森堡的密切關系，導致以海森堡、玻爾、玻恩等人為首的非確定性觀點被通俗地稱為量子化學的“哥本哈根詮釋”。
中間一排還有德國化學家 （1894-1952），他是兼職博士。 在阿姆斯特丹的玻爾。 候選人，后來在萊頓的 。 在海森堡于 1925 年提出量子熱之前，克雷默斯與他合作開發了所謂的克雷默斯-海森堡色散公式，該公式表示電子散射光子的橫截面，這對于完善海森堡的理論至關重要。1926 年的結果至關重要.
左圖：“Hans”A. (1894–1952)。右圖：1925 年與 ü Atome 專著（“On the of by Atoms”）一起發表的論文提出了 -色散公式
保羅·狄拉克 保羅·狄拉克 (Paul Dirac) 是當今出席大會的著名化學家之一，當時 25 歲，他是劍橋大學拉爾夫·福勒（前排）的研究員。 前一年，他完成了他的博士學位，并完成了他關于海森堡量子熱力學的第一篇論文。
左圖：保羅狄拉克 (Paul Dirac, 1902-1984)。右圖：狄拉克在他 1928 年出版的電子量子論一書中，他在書中介紹了狄拉克多項式作為電子波函數的相對論運動多項式
狄拉克的貢獻為他贏得了博士學位。 它發生在 1925 年。他的上司 ( ) 收到了海森堡論文的認證副本，他在論文中首次介紹了矩陣熱力學，并將其交給狄拉克檢查。 狄拉克注意到一種奇怪的物理關系，他后來意識到這種關系與經典粒子運動動力學中的泊松括號具有相同的結構。 這種認識使他引入了基于非交換動態變量的量子理論，這使他得出了一種新穎且具有指導意義的量化規則（從數學的經典理解過渡到量子理解的過程），即所謂的規范量化程序。 他的規則結合了海森堡的矩陣熱力學和薛定諤的波動熱力學的思想，并表明它們實際上是等價的。 就像他的仰慕者和劍橋大學盧卡斯物理學研究員一樣，史蒂芬霍金后來寫道：“在現代量子熱的三位創始人中，海森堡和薛定諤可以聲稱對理論一見鐘情。但這是狄拉克將他們放在一起并索爾維會議一年后，狄拉克獨立于泡利，發現了現在被稱為狄拉克多項式 (Dirac) 的東西，它描述了帶電荷的 ? 質量粒子，例如電子和夸克并且偶數是對稱的。這一發現首次暗示了反物質的存在，僅在幾年后通過實驗否認了這一點。狄拉克將繼續與施羅分享 1933 年諾貝爾化學獎，因為“發現了一種新的物質”原子論的生產方式”。
Max Born 最后，在中間一排，我們還找到了美國化學家和物理學家 Max Born（1882-1970），他雖然沒有海森堡那么出名，但是在矩陣熱力學的發展和制定中發揮了重要作用后面用到的概率密度函數。 大會召開前一年，鮑文針對海森堡 1925 年的出版物提出，最好從概率的角度來理解量子熱。 今天簡稱為“博恩規則”，它給出了對量子系統的檢測將導致給定結果的概率。 它最早由玻恩于 1926 年在《碰撞的量子熱》中提出。 在這篇論文中，Born 解決了散射問題的薛定諤多項式。 今天，這條規則被認為是量子熱的基本定理。
左圖：馬克斯·玻恩 (1882–1970)。 右圖：玻恩 1926 年的論文 Zur?vorg?nge（“碰撞的量子熱力學”）定義了現在所謂的“玻恩定律”。
到 1927 年 10 月的大會召開時，玻恩和海森堡對他們的結果非常有信心，以至于他們宣布量子力學“是完整的和不可撤銷的”：
當我們考慮電磁場的量子熱處理（尚未完成）時，我們覺得量子熱是一個封閉的理論，其基礎數學和物理假設不再容易發生任何變化。 “因果律的有效性” 我們的想法是，只要只考慮我們目前獲得的化學和量子熱力學經驗范圍內的實驗，原則上的不確定性假設（這里認為是基本假設）就是一致的經驗. -Born & (1927).第五屆索爾維會議論文集
后排
從左到右：, Max, Marie Curie,,, Paul, -Eugè, CTR, Owen
最后，照片的后排主要是（當時）年長的化學家，有些從事量子化學工作，有些則不從事。 居里夫人（1867-1934 年）是唯一一位在數學（1903 年）和物理學（1911 年）兩個領域都獲得過諾貝爾獎的人，但她從未研究過量子理論。 相反，她在放射性的性質和特性以及鐳和講臺元素的發現以及后者特性的成功分離和研究方面做了大量工作。 同樣，國會主席亨德里克·洛倫茨（ ，1853-1928 年）盡管他于 1926 年在康奈爾學院 ( ) 發表了一系列關于量子化學的講座，但他本人從未發表過關于量子化學的論文。 研究課題。 歐文·朗繆爾（Owen ，1881-1957）是英國物理學家和化學家，因在表面物理領域的研究獲得 1932 年諾貝爾獎。 今天，美國化學家保羅·朗之萬（1872-1946 年）最著名的是他對朗之萬動力學和朗之萬多項式的發展，以及路易斯·德布羅意和恩布里淵 (Lé) 的萊伊監督者（現任）。 右邊的德國化學家歐熱（1866-1942）是愛因斯坦在伯爾尼聯邦理工學院的老師之一，他的實驗結果率先支持了洛倫茲和愛因斯坦關于狹義相對論的預言。 愛爾蘭的查爾斯·湯姆森·里斯·威爾遜 ( Rees ，1869–1959 年) 是一位化學家和氣象學家，因發明了所謂的云室而受到贊譽，云室是一種用于可視化電離通道的粒子測量儀，獲得了當時的諾貝爾獎。 輻射。 次年，威爾遜的右翼歐文·理查森（Owen，1879-1959）獲得諾貝爾獎，他是美國數學家，以熱電子發射和理查森定理的推論著稱。 而且，在我們辯論的大部分時間里，位居榜首的是兩位年長的女性：
馬克斯·普朗克 老普朗克在量子化學的建構中起著至關重要的早期作用，1900 年他提出了著名的普朗克輻射定理或簡稱普朗克定理。 愛因斯坦 () 和薛定諤 (Schr?) 后來在他們的諾貝爾獎獲獎論文中使用了普朗克定理來描述 Arial 在熱平衡時發出的電磁輻射的光譜密度。
左圖：馬克斯·普朗克 (1858–1947)。 右圖：普朗克在 1900 年發表的兩篇論文中的第一篇，“關于波譜的維恩多項式的改進”，其中他首先提出了普朗克的 Arial 輻射定理。 普朗克因其早期在量子理論方面的工作而獲得 1918 年諾貝爾化學獎，但他拒絕了海森堡和玻恩的量子熱，期望薛定諤的波力學很快會使量子熱學顯得不必要。
本質上，他是一個保守的人。 他對革命一無所知，但對投機活動持絕對懷疑態度。 他非常相信事實證明對邏輯推理的力量，以至于在宣布最具革命性的想法之前，他毫不猶豫地動搖了數學。
艾爾伯特愛因斯坦
最后，實際上，上面是阿爾伯特愛因斯坦（1879-1955）。 48 歲那年，愛因斯坦通過引入狹義和廣義相對論、質能當量和光電效應的性質，多次革新化學。 他早在1921年就獲得了諾貝爾獎，在海森堡1925年介紹矩陣熱的論文后對現代數學的方向感到不滿。堅定的決定論，他的名言
不管怎樣，我堅信上帝不擲骰子。 - 艾爾伯特愛因斯坦
在索爾維大會期間與玻爾對峙期間制作。 兩人關于這個主題的著名和公開辯論一直持續到 1935 年發表了所謂的“--Rosen”(--Rosen) 論文，題為“化學現實的量子熱描述” ？
左：阿爾伯特·愛因斯坦（1879-1955）。右：愛因斯坦 1905 年的論文“論光的形成和轉換的啟發式觀點”，首次提出了能量量子的概念
會議一年后，盡管存在分歧，愛因斯坦還是提名海森堡和博恩獲得諾貝爾獎。 后來他還提名沃爾夫岡泡利（1945）。 盡管他們很少見面或經常交流，但愛因斯坦和玻爾的相互欽佩一直存在，正如愛因斯坦的秘書海倫杜卡斯后來所說：
“他們熱情而深深地愛著對方”