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14看书 > 历史 > 1900:游走在欧洲的物理学霸 > 第549章 费米-狄拉克统计!物质第六态!学界再震!这是最好的时代!
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德国,哥廷根大学。搜索本文首发: 奖励一把 jiangliyiba.com

洪特发现最近费米很不对劲。

整天眉头微皱,好像在思考什么问题。

最近物理系新来了一个年轻漂亮的女生,众人就跟饿狼见到绵羊一般。

但费米岿然不动,毫无兴趣。

这一天,洪特吃饭时,笑着问道:

“费米,难道你不喜欢梅耶?”

梅耶就是最近新加入玻恩研究团队的女生。

她目前还不是博士,而是以本科生的身份参与研究。

真实历史上,梅耶提出了一种数学模型,可以解释“为何特定数量的核子可以使得原子核稳定”这个问题。

因此,她获得了1963年的物理诺奖。

可以说,梅耶是妥妥的女学霸。

在当前这个时代,这样的女人简直是稀世珍宝。

那些单身已久的汉子们早都垂涎三尺了。

费米喝了一口汤,然后驴头不对马嘴地说道:

“洪哥,我问你一个问题。”

“既然自旋为整数的光子,它的统计规律不符合麦克斯韦-玻尔兹曼统计。”

“那自旋为半整数的电子呢,它是什么情况?”

洪特听后一愣。

得!

什么梅耶菊耶的,费米这家伙是一句也没听进去。

对方的脑子里只有物理,没有女人。

洪特见状,也就不再嬉笑。

通过费米提的问题,他明白原来对方最近在研究最新的玻色-布鲁斯统计。

量子统计可谓是最近很火的理论物理课题。

它打破了经典统计力学的框架和结论,是量子力学独有的统计规律。

洪特仔细思考了一会,说道:

“光子因为不符合泡利不相容原理,所以它的统计规律和传统的麦克斯韦-玻尔兹曼统计有显著不同。”

“但电子是实实在在的粒子,尽管它也有波动性,但从粒子角度看,当成小球也没什么问题。”

“目前麦克斯韦-玻尔兹曼统计应用的很好,没有什么大问题。”

“或许,自旋为半整数的粒子,并没有自己特殊的统计规律?”

洪特觉得自己的逻辑没有问题。

虽然麦克斯韦和玻尔兹曼统计的应用范围是原子和分子。

但是电子和原子、分子没有什么本质的不同,都是微观粒子,只不过大小不一样而已。

而电子和光子是有本质不同的。

电子符合泡利不相容,它不能像光子那样,在同一个位置,无限叠加。

因此,洪特觉得,电子的统计规律和原子分子应该是一样的,都符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布。

这也是玻色的理论出来后,很少有人研究半整数自旋粒子的原因。

大家默认这种粒子,和原子分子的表现不会有什么大的差别。

研究意义不大。

但是费米却不这么认为。

“根据不确定性原理,电子的位置和动量是在随时变化之中。”

“它不能被简化成热学里的那种小球模型。”

“因此,统计大量电子的行为时,应该考虑其不确定性。”

哗!

洪特闻言一惊!

他忽然觉得费米说的很有道理。

麦克斯韦-玻尔兹曼统计描述的粒子体系是以原子为模板。

对于原子而言,它的不确定性效应极弱极弱。

所以,麦-玻统计可以近似地描述。

原子没有自旋的概念,但是电子、质子却有自旋。

这就是它们之间显著的差别。

费米显然是想进行更精确地统计,而且是扩展到整个自旋为半整数的微观粒子。

洪特兴奋地说道:

“费米,我觉得你的想法很好。”

“或许你也能像玻色那样,再提出一种新的统计规律!”

“可惜我是搞实验的,对于这种纯理论的课题就不擅长了。”

“这里面用到的数学知识,想想就觉得可怕。”

费米听后,微微一笑。

“放心吧,洪哥。”

“我一个人可以搞定。”

“况且还有玻恩教授在呢。”

接下来十多天,费米灵感大爆发,沉浸在研究之中。

“当从宏观观察,体系能量一定的时候,从微观观察,体系可能有很多种不同的分布状态。”

“比如A区域有3个电子,B区域有10个电子,和A区域有5个电子,B区域有8个电子,它们形成的体系宏观状态可能是一样的。”

“但是各体系的微观分布不一样。”

“那么,体系的总状态数,根据电子的不确定性原理和统计原理,结合电子的电荷、质量等参数。”

“计算可得为......”

“在这些不同的微观分布状态中,总有一些状态的出现几率特别大。”

“其中,出现状态几率最大的分布为......”

嘶!

费米被这其中的数学震惊到了。

实在太复杂了!

“这真的会对吗?”

理论推导完成后,费米迫不及待地找到玻恩,寻求意见。

“教授,请您评价下我的这篇论文。”

玻恩看见费米,心中微动。

对方是他非常看好的年轻人。

是哥廷根大学物理系,目前为数不多的,主攻理论物理的天才。

玻恩对费米寄予厚望。

于是,他接过论文,仔细地看了起来。

越看,表情越凝重。

半个小时过后,玻恩震撼不已。

他甚至比之前看到量子遂穿效应还要兴奋。

因为费米的成果是纯理论的突破!

逼格天然高一等!

玻恩的研究虽然偏向实验,但是他的内心一直向布鲁斯教授看齐。

因为只有理论物理学才能指引物理的方向!

从来只听过理论领先实验几十上百年,没听过实验领先理论太多年的。

他激动地站了起来,说道:

“费米,你的这篇论文绝对是重磅成果。”

“你把不确定性原理融入到了量子统计之中。”

“这是玻色-布鲁斯统计所欠缺的地方。”

“而且,我刚刚通过计算发现,如果引入一些近似条件,你的统计就会退化成麦-玻统计!”

哗!

费米听后,惊呆了!

原来大名鼎鼎的麦-玻统计,只是自己发现的统计方式的近似?

这太惊人了!

这时,费米忽然想到:

“那对于自旋为半整数的粒子而言,在近似情况下,是不是也可以用麦-玻统计去分析。”

玻恩说道:

“很有可能!”

“我们一起来算算看。”

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与此同时,量子研究所内。

狄拉克在看完玻色的论文后,忽有所感。

他的博士研究课题,就是利用统计力学研究白矮星。

白矮星可以简单地看成电子系统。

在那时,他已经注意到了,传统的麦-玻统计,不能很好地解释白矮星内部电子的统计情况。

为此,他尝试把量子力学的理论引入其中。

但由于当时概率波和不确定性原理还没有出现。

所以,狄拉克的理论并不完整。

他没有建立一个全新的,适合电子而非原子的统计规律。

而现在,玻色的论文让他有了灵感。

“既然光子有自己的统计规律,那么按理来说,电子也应该具有。”

“而且这个规律要适用所有自旋为半整数的粒子。”

狄拉克来了兴趣,他决定尝试解决这个问题。

仅仅三天之后,他就推导出一个全新的统计规律。

“原来如此。”

“这里面需要用到不确定性原理。”

狄拉克总算明白,自己的博士论文遗留的问题是什么了。

写好之后,他就带着论文去找布鲁斯教授。

来到办公室后,狄拉克没有废话,直接就说道:

“布鲁斯教授,请您看看我的这篇论文。”

“它是关于半整数自旋粒子的统计规律。”

李奇维接过论文,看了五分钟,然后微微一笑,说道:

“很不错的成果!”

“狄拉克,你可以去发表了。”

李奇维的脸上毫无波澜,一点也没有兴奋。

对于狄拉克而言,这种成果属于普普通通,不值一提。

狄拉克本人也没啥表情。

他只觉得自己做了一件平平无奇的事情。

而且,他对布鲁斯教授如此平淡的反应,没有任何疑惑。

“这点东西,有啥值得大惊小怪的。”

他简单地说了一句“好的”,接着就走出了办公室。

很快,实验室其他人就知道了这篇论文。

众人无不震惊。

“哇!”

“狄拉克博士,你太强了!”

“你也发现了一种全新的统计规律!”

狄拉克很淡定。

“没什么,就是一点微小的工作,不值一提。”

众人一边羡慕一边敬佩。

经过一段时间的相处,大家已经熟悉这位绝世天才的性格。

对方说没什么,那就真的代表没什么,而不是假意谦虚或者故作高深。

对于别人而言,发现这个统计规律,足以一步登天,迈入物理学家之境。

但是对于狄拉克而言,他的目标从来不是天。

而是比天更高的布鲁斯教授!

有实验室老人感慨。

想当初泡利和海森堡那两货在的时候,发现一个重磅成果,恨不得吼的整个伦敦的人都能听到。

看看人家狄拉克博士,云淡风轻。

然而很快,戏剧的一幕出现了。

狄拉克提交完论文没多久。

1924年6月2日。

费米的论文发表。

他甚至在论文中,直接仿照玻色-布鲁斯凝聚,提出了一种新的凝聚态,即全部由半整数自旋粒子组成的物质形态。

这也是物质的第六态!

同时,费米还证明了,对于这两种自旋情况不同的粒子,麦-玻统计是各自统计的近似情况。

论文一出,物理学界轰动!

“天啊!”

“没想到电子竟然也有特殊的统计规律。”

“而且,这又是一篇在不确定性原理的基础上诞生的论文。”

然而,仅仅过了三天。

狄拉克的论文也随后发表。

论文一出,众人又震惊了!

“啊?”

“这不是戴维森和小汤姆逊的翻版吗?”

“二人分别独立地发现同一个成果。”

“只不过一个是实验成果,一个是理论成果。”

一时间,物理学界传为佳话。

真实历史上,费米和狄拉克独立地发表了这一统计规律的论文。

但是狄拉克直接说这项工作是费米完成的,他自己称为“费米统计”。

这就是低调的狄拉克,他不愿与任何人争论。

然而,后世的人还是考虑到他的贡献,改为“费米-狄拉克统计”。

至此,量子力学中两大统计规律正式面世。

它们是量子力学的重要组成部分。

为了方便,物理学家将自旋为整数的粒子称为“玻色子”,将自旋为半整数的粒子称为“费米子”。

如此一来,形形色色的粒子,通过自旋的不同,在本质上有了划分。

这也为以后粒子物理学的诞生打下了坚实的基础。

很快,在两大统计规律的基础上,又催生出很多新的结果。

福勒根据费米-狄拉克统计的原理,解释了长久以来困扰物理学界的问题:场致电子发射。

紧接着,索末菲把费米-狄拉克统计原理,应用到金属电子的研究之中。

......

忽然,众人发现一个有意思的现象。

第二届物理奥赛中,那些上了排行榜的天才们,如今很多人已经在物理学界崭露头角,甚至引领风骚。

狄拉克、泡利、海森堡、费米、乌伦贝克、古德斯米特......

这些二十多岁的年轻人,换在任何一个领域,都还只是学徒的年龄。

然而在物理学这个最智慧的领域,他们却创造了量子力学的巨大辉煌。

他们的思想没有受到经典物理学的束缚,在现代物理学中天马行空,如鱼得水。

一个个匪夷所思的理论或者概念,对于普通学者,尤其是那些老一辈的物理学家来说,难以接受。

然而,对于这些新生代的天才们而言,量子力学的神奇让他们极为痴迷。

对于有志于物理学的年轻人而言,现在无疑是最好的时代。

甚至于往后的物理奥赛,恐怕再也不可能出现这样天才扎堆的情况了。

人类智慧的所有精华,都仿佛集中在了一起,喷薄而出。

量子力学越来越完善。

虽然目前它还有几个关键的问题没有解决。

但是量子力学已经深入到物理学的方方面面。

在现代物理学中,它的适用领域和范围,远远超过了相对论。

在这么多天才的努力下,所有人都相信,量子力学的未来是注定光明的。

有大佬忽然心血来潮,内心悸动。

“今年,或许是物理学史上最非同凡响的一年。”

量子狂潮,风起云涌!

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