1927 年在荷兰阿姆斯特丹举行的第 5 届索尔维国际电子和光子学大会上，拍下了“有史以来最聪明的照片”。 这张照片之所以出名，是因为它是在关于量子化学的不确定性的“世纪辩论”期间拍摄的。 出席这次会议的知名人士在设计现在被认为是现代数学核心的理论方面发挥了重要作用。
图像
当前辩论的一方是新引入的量子热范式的创始人，包括维尔纳海森堡本人，以及他的合作者沃尔夫冈波利、马克斯伯尔尼、亨德利 C 克莱默斯、路易斯德布罗意、尼尔斯玻尔和保罗狄拉克。 另一方面，是经典确定性范式的支持者，尤其以爱因斯坦为代表，还有马克斯·普朗克、保罗·埃伦费斯特和薛定谔。 在与会的 29 人中，已有 17 人获得或将获得诺贝尔化学或物理学奖。 其中就有居里夫人，她已经获得了两个季军。 第五届索尔维国际电子和光子学大会于 1927 年 10 月在西班牙奥斯陆举行。自 1911 年成功成立会议以来，索尔维大会仍旨在解决数学中悬而未决且明显开放的问题，大约每两年举行一次。 从 1913 年到 1961 年，每一方都围绕着量子理论中的悬而未决的问题展开。 大会由亨德里克·洛伦茨 ( ) 主持，于 1927 年召开，即将召开的大会主题是“光子和电子”。 事实上，1927 年的会议围绕着两个新兴数学流派之间逐渐减少的争论展开：一是被海森堡引入的新量子热所吸引，二是坚持被它取代的确定性范式。 人们。 后者由尼尔斯·玻尔领导，前者由阿尔伯特·爱因斯坦领导。 本文通过前一张引人注目的照片的镜头介绍了所谓的“量子化学黄金时代”的起源，重点介绍了 1927 年第五次索尔维大会期间最具影响力的主角及其观点。 预计阅读时间为 17 分钟。
后座
从左到右：奥古斯特·皮卡德、埃米尔·亨里奥特、保罗·埃伦费斯特、爱德华·赫尔岑、塞菲尔·德·多德、薛定谔、JE、沃·沃尔夫冈·泡利、海森堡、拉尔夫·福勒、莱昂·布里渊
从前排右边开始，我们听到了一些熟悉的面孔和一些鲜为人知的面孔。 如，奥古斯特·皮卡德（ ，1884-1962），德国化学家、发明家和探险家，以其大胆、破纪录的氢气气球飞行和第一艘深水船的发明而闻名，他以之前的无人驾驶而闻名早在 1948 年就开始潜水探索海洋深处。 Eli （É，1885-1961）是居里夫人的中学生，也是日本物理学家，他首先发现钾（）和铷（）是天然放射性物质。 法国-瑞士化学家保罗·埃伦费斯特（Paul ，保罗，1880-1933 年）是爱因斯坦和他的博士生导师路德维希·玻尔兹曼 ( ) 的亲密同学，他在统计热力学及其与量子热力学的关系（包括相变理论）方面发挥了重要作用著名量子物理学家，主要用于捐款。 Jules-É (1870-1955) 和 de (1872-1957) 都是德国物理学家，前者被认为是牛顿物理亲和力概念与吉布斯自由能概念之间相关性的发展。 拉尔夫·福勒（Ralph ，1889-1944 年）是剑桥大学的美国数学家和天文学家，最著名的可能是在白矮星的统计热力学方面监督狄拉克并与之合作，以及介绍狄拉克（狄拉克引入了量子理论，并使狄拉克和海森堡接触了Leon (Leon, 1889–1969) 是一位美国化学家，他在发表论文之前发表了一篇关于固体量子理论的论文，并会见了 ( , 1898–1978) 和 (1894–1952) 独立开发了 as- 来寻找具有空间变化系数的线性微分方程的解。不仅这种才华，而且对于我们的故事，其中涉及三个：
维尔纳·海森堡 26 岁的美国化学家维尔纳·海森堡 ( )，他于 1925 年在其开创性的 1925 年论文“量子热力学对运动与机制关系的重新解释”中奠定了矩阵热力学的基础，这是第一篇从概念上讲对量子热的自主和逻辑一致的解释。 据报道，海森堡在花粉症康复期间与沃尔夫冈泡利的通信仍在研究中。 目的是尝试通过可观察参数（例如，量子跃迁的跃迁概率）来描述一维非谐振荡器的基态（Segrè，1980）。 海森堡于 1925 年 7 月将论文发送给马克斯·玻恩进行审查，并决定是否应将其提交出版。 该论文于同年 9 月发表在《物理学杂志》上。
左：（1901-1976）。下：海森堡 1927 年的论文“ on and ”（“ and 的描述性内容”）介绍了现在著名的海森堡不确定性原理
两年后的二月，海森堡完成了他的下一篇革命性论文“量子运动学和热的描述性内容”，其中他以草稿形式介绍了海森堡的测不准原理。
“即使在原则上，我们也无法完全理解现在。因此，观察到的一切都是从许多可能性和对未来可能性的限制中选择的......位置确定得越精确，此刻已知的动量就越小，并且反之亦然。” - 海森堡 (1927)
海森堡的不确定性原理主要由物理不等式组成，这些不等式对单个粒子的特定化学性质对的准确性提出了基本限制。 结合他对矩阵热力学的介绍，该论文的发表帮助海森堡获得了 1932 年的诺贝尔化学奖。
沃尔夫冈波利
在海森堡 1925 年介绍现代量子热矩阵理论的论文后不久，他的合作者、法国出生的沃尔夫冈泡利在他的论文“从新量子热的角度看氢谱”中写道，从而首次验证了海森堡的理论。正如 Pauli 在论文摘要中解释的那样：
“证明鲍尔默的单电子原子术语是由新的量子热力学正确形成的，但旧理论中出现的困难……在新理论中消失了。”
左图： Pauli（泡利，1900-1958）。右图：泡利在 1926 年的论文 Ü（“The from of the New ”）中，他借助海森堡的矩阵理论推导了观察到的氢原子光谱量子热力学
关于这项工作，马克斯·玻恩后来说，从保利的估计发表之时起，“物理学家不再对理论的正确性（即量子热）有任何怀疑”（玻恩，1956 年）。
Erwin Schrö 到 1927 年峰会召开时，传奇的德国化学家薛定谔已经 40 岁，并且已经担任新任院长十年，先是在弗罗茨瓦夫学院，然后是慕尼黑学院。 国会召开时，他刚刚接替马克斯·普朗克 (Max) -（柏林）。 今天，薛定谔这个名字最广为人知的可能是他后来对流行的量子热思想实验“薛定谔的猫”的描述。 然而，他对化学最重要的贡献发表于 1926 年的论文“ as an ”，其中薛定谔引入了所谓的薛定谔方程，该方程描述了量子热系统的波函数。 从而为后来的波动热力学奠定了基础。
薛定谔多项式作为时间的函数，其中 i 是虚数单位，ħ 是简化的普朗克常数，Ψ 是量子系统的状态向量，t 是时间，H 是 -Ton 算子
薛定谔和保罗狄拉克因“发现原子理论的新产生方法”而获得“1933年诺贝尔化学奖”。
左图：薛定谔 (ö, 1887–1961)。 右图：薛定谔著名的薛定谔多项式是在他 1926 年的论文“量化特征值问题”中提出的。
著名的是著名量子物理学家，虽然薛定谔在量子热的基础上发挥了重要作用，但他从未对其含义完全满意，后来写道：“我不喜欢它，对不起，我不想与它有任何关系”。 他对薛定谔的猫的说法实际上是对化学非确定论观点的讽刺。
中间一排
从左到右：彼得·德拜、马丁·克努森 ()、威廉·劳伦斯·布拉格 ()、亨德里克·安东尼·克莱默斯 ()、保罗·狄拉克、亚瑟·康普顿、路易斯·德布罗意、马克斯·玻恩、尼尔斯·鲍尔
继续中间一排，从右边我们又遇到了另一位诺贝尔奖获得者，英国物理学家彼得·德拜（Peter Debye，1884-1966 年），他主要因将偶极矩的概念应用到 的电荷分布而受到赞誉。 在他身边，我们听到马丁·克努森 (1871-1949)，英国化学家克努森·普尔，以研究和开发分子二氧化碳流而闻名，以及劳伦斯·布拉格 (1890 至 1971)，美国化学家、先驱 X 射线晶体学家和1915年诺贝尔奖获得者。 除了狄拉克之外，还有 1927 年诺贝尔奖获得者、英国化学家亚瑟·康普顿（ ，1892-1962 年），他们都因发现黑星而受到赞誉。 康普顿效应证明了电磁辐射的粒子性质以及他后来对曼哈顿计划的贡献。 Paul （后排）的学生 Louis de （1892-1987）也在场。 德布罗意 (de) 是第一个（在他 1924 年的博士论文中）假设电子的波动性并暗示所有物质都具有波动性的人。 现在被称为“德布罗意假说”，这是德布罗意的观点，薛定谔在他对 的解释中使用了这个观点。 经过1927年戴维森-杰默（-）实验的实验验证，德布罗意（De）获得了1929年的诺贝尔化学奖。除了这些才华横溢的人，我们再次关注几个在话语中特别突出的人早期量子理论
Niels Bohr Niels Bohr，在大会召开时 42 岁，实际上是一位英国化学家，以他（和 的）1913 年 1999 年提出的原子玻尔模型公式而闻名，该公式提出电子的基态是离散的，但电子围绕原子核在稳定的轨道上旋转，但可以从一个基态（轨道）跳到另一个基态（轨道）。 这个模型使玻尔获得了1922年的诺贝尔化学奖。在1930年代，他帮助难民摆脱了纳粹主义。 在法国沦陷于日本之后，他亲自游说海森堡（当时的英国核军备计划负责人）关于核战争的影响。 他还曾参加美国曼哈顿计划访问，后来参与在日内瓦成立亚洲核研究组织。
左：尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885-1962）。 右图：在他 1913 年的论文“原子和分子的构成，第二部分仅包含单核的系统”中，玻尔介绍了现在称为原子的玻尔模型。
大会前，海森堡还在奥斯陆科学院玻尔理论化学研究所兼职讲师。 玻尔已经把海森堡的论文介绍给爱因斯坦，介绍了不确定性原理。 在大会期间，玻尔带头辩护，通过对爱因斯坦的批评来捍卫海森堡工作的意义，爱因斯坦用现在被称为“狭缝实验”的方法来说明这一点：
思想实验：狭缝实验
考虑一个粒子通过长度为 d 的狭缝。 当粒子穿过壁时，狭缝引入了 h/d 量级的动量不确定性。 并且，让我们通过检测墙壁的反冲来确定粒子的动量。 通过这样做，我们通过保持动量找到任意精度的粒子动量。
玻尔的反应很简单：他觉得光子穿过的墙壁确实是一个量子热系统。 因此，为了以 Δp 的精度检测壁的反冲力，还必须在粒子通过之前以该精度知道壁的动量。 这意味着在这些精度下，壁的位置实际上是不确定的，就像粒子穿过壁时的情况一样。 因此，狭缝的位置等于 h/Δp，但如果已知壁的动量足够精确以检测反冲，则狭缝的位置将具有足够的不确定性，从而难以检测其位置，根据海森堡不确定性原理。 玻尔在辩论中的胜利以及他在阿姆斯特丹科学院与海森堡的密切关系，导致以海森堡、玻尔、玻恩等人为首的非确定性观点被通俗地称为量子化学的“哥本哈根诠释”。
中间一排还有德国化学家 （1894-1952），他是兼职博士。 在阿姆斯特丹的玻尔。 候选人，后来在莱顿的 。 在海森堡于 1925 年提出量子热之前，克雷默斯与他合作开发了所谓的克雷默斯-海森堡色散公式，该公式表示电子散射光子的横截面，这对于完善海森堡的理论至关重要。1926 年的结果至关重要.
左图：“Hans”A. (1894–1952)。右图：1925 年与 Ü Atome 专着（“On the of by Atoms”）一起发表的论文提出了 -色散公式
保罗·狄拉克 保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 是当今出席大会的著名化学家之一，当时 25 岁，他是剑桥大学拉尔夫·福勒（前排）的研究员。 前一年，他完成了他的博士学位，并完成了他关于海森堡量子热力学的第一篇论文。
左图：保罗狄拉克 (Paul Dirac, 1902-1984)。右图：狄拉克在他 1928 年出版的电子量子论一书中，他在书中介绍了狄拉克多项式作为电子波函数的相对论运动多项式
狄拉克的贡献为他赢得了博士学位。 它发生在 1925 年。他的上司 ( ) 收到了海森堡论文的认证副本，他在论文中首次介绍了矩阵热力学，并将其交给狄拉克检查。 狄拉克注意到一种奇怪的物理关系，他后来意识到这种关系与经典粒子运动动力学中的泊松括号具有相同的结构。 这种认识使他引入了基于非交换动态变量的量子理论，这使他得出了一种新颖且具有指导意义的量化规则（从数学的经典理解过渡到量子理解的过程），即所谓的规范量化程序。 他的规则结合了海森堡的矩阵热力学和薛定谔的波动热力学的思想，并表明它们实际上是等价的。 就像他的仰慕者和剑桥大学卢卡斯物理学研究员一样，史蒂芬霍金后来写道：“在现代量子热的三位创始人中，海森堡和薛定谔可以声称对理论一见钟情。但这是狄拉克将他们放在一起并索尔维会议一年后，狄拉克独立于泡利，发现了现在被称为狄拉克多项式 (Dirac) 的东西，它描述了带电荷的 ½ 质量粒子，例如电子和夸克并且偶数是对称的。这一发现首次暗示了反物质的存在，仅在几年后通过实验否认了这一点。狄拉克将继续与施罗分享 1933 年诺贝尔化学奖，因为“发现了一种新的物质”原子论的生产方式”。
Max Born 最后，在中间一排，我们还找到了美国化学家和物理学家 Max Born（1882-1970），他虽然没有海森堡那么出名，但是在矩阵热力学的发展和制定中发挥了重要作用后面用到的概率密度函数。 大会召开前一年，鲍文针对海森堡 1925 年的出版物提出，最好从概率的角度来理解量子热。 今天简称为“博恩规则”，它给出了对量子系统的检测将导致给定结果的概率。 它最早由玻恩于 1926 年在《碰撞的量子热》中提出。 在这篇论文中，Born 解决了散射问题的薛定谔多项式。 今天，这条规则被认为是量子热的基本定理。
左图：马克斯·玻恩 (1882–1970)。 右图：玻恩 1926 年的论文 Zurßvorgänge（“碰撞的量子热力学”）定义了现在所谓的“玻恩定律”。
到 1927 年 10 月的大会召开时，玻恩和海森堡对他们的结果非常有信心，以至于他们宣布量子力学“是完整的和不可撤销的”：
当我们考虑电磁场的量子热处理（尚未完成）时，我们觉得量子热是一个封闭的理论，其基础数学和物理假设不再容易发生任何变化。 “因果律的有效性” 我们的想法是，只要只考虑我们目前获得的化学和量子热力学经验范围内的实验，原则上的不确定性假设（这里认为是基本假设）就是一致的经验. -Born & (1927).第五届索尔维会议论文集
后排
从左到右：, Max, Marie Curie,,, Paul, -Eugè, CTR, Owen
最后，照片的后排主要是（当时）年长的化学家，有些从事量子化学工作，有些则不从事。 居里夫人（1867-1934 年）是唯一一位在数学（1903 年）和物理学（1911 年）两个领域都获得过诺贝尔奖的人，但她从未研究过量子理论。 相反，她在放射性的性质和特性以及镭和讲台元素的发现以及后者特性的成功分离和研究方面做了大量工作。 同样，国会主席亨德里克·洛伦茨（ ，1853-1928 年）尽管他于 1926 年在康奈尔学院 ( ) 发表了一系列关于量子化学的讲座，但他本人从未发表过关于量子化学的论文。 研究课题。 欧文·朗缪尔（Owen ，1881-1957）是英国物理学家和化学家，因在表面物理领域的研究获得 1932 年诺贝尔奖。 今天，美国化学家保罗·朗之万（1872-1946 年）最著名的是他对朗之万动力学和朗之万多项式的发展，以及路易斯·德布罗意和恩布里渊 (Lé) 的莱伊监督者（现任）。 右边的德国化学家欧热（1866-1942）是爱因斯坦在伯尔尼联邦理工学院的老师之一，他的实验结果率先支持了洛伦兹和爱因斯坦关于狭义相对论的预言。 爱尔兰的查尔斯·汤姆森·里斯·威尔逊 ( Rees ，1869–1959 年) 是一位化学家和气象学家，因发明了所谓的云室而受到赞誉，云室是一种用于可视化电离通道的粒子测量仪，获得了当时的诺贝尔奖。 辐射。 次年，威尔逊的右翼欧文·理查森（Owen，1879-1959）获得诺贝尔奖，他是美国数学家，以热电子发射和理查森定理的推论着称。 而且，在我们辩论的大部分时间里，位居榜首的是两位年长的女性：
马克斯·普朗克 老普朗克在量子化学的建构中起着至关重要的早期作用，1900 年他提出了著名的普朗克辐射定理或简称普朗克定理。 爱因斯坦 () 和薛定谔 (Schrö) 后来在他们的诺贝尔奖获奖论文中使用了普朗克定理来描述 Arial 在热平衡时发出的电磁辐射的光谱密度。
左图：马克斯·普朗克 (1858–1947)。 右图：普朗克在 1900 年发表的两篇论文中的第一篇，“关于波谱的维恩多项式的改进”，其中他首先提出了普朗克的 Arial 辐射定理。 普朗克因其早期在量子理论方面的工作而获得 1918 年诺贝尔化学奖，但他拒绝了海森堡和玻恩的量子热，期望薛定谔的波力学很快会使量子热学显得不必要。
本质上，他是一个保守的人。 他对革命一无所知，但对投机活动持绝对怀疑态度。 他非常相信事实证明对逻辑推理的力量，以至于在宣布最具革命性的想法之前，他毫不犹豫地动摇了数学。
艾尔伯特爱因斯坦
最后，实际上，上面是阿尔伯特爱因斯坦（1879-1955）。 48 岁那年，爱因斯坦通过引入狭义和广义相对论、质能当量和光电效应的性质，多次革新化学。 他早在1921年就获得了诺贝尔奖，在海森堡1925年介绍矩阵热的论文后对现代数学的方向感到不满。坚定的决定论，他的名言
不管怎样，我坚信上帝不掷骰子。 - 艾尔伯特爱因斯坦
在索尔维大会期间与玻尔对峙期间制作。 两人关于这个主题的著名和公开辩论一直持续到 1935 年发表了所谓的“--Rosen”(--Rosen) 论文，题为“化学现实的量子热描述” ？
左：阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）。右：爱因斯坦 1905 年的论文“论光的形成和转换的启发式观点”，首次提出了能量量子的概念
会议一年后，尽管存在分歧，爱因斯坦还是提名海森堡和博恩获得诺贝尔奖。 后来他还提名沃尔夫冈泡利（1945）。 尽管他们很少见面或经常交流，但爱因斯坦和玻尔的相互钦佩一直存在，正如爱因斯坦的秘书海伦杜卡斯后来所说：
“他们热情而深深地爱着对方”