建矩阵力学奠基新量子论 不确定原理颠覆经典概

“大师之师”索末菲是旧量子论的最后守卫者，他在慕尼黑大学的“理论物理摇篮”，却摇出了海森堡这位新量子论的开拓人，这就是科学的承前启后，继往开来！从此以后，新量子论，也就是我们现在称为“量子力学”的理论，迅猛发展起来。

1900年，量子鼻祖普朗克在柏林科学院第一次报告他解决了黑体辐射问题，释放出h这个量子妖精，从此开启了量子的大门。就在第二年，距离柏林500公里左右的另一个德国城市维尔茨堡，希腊语言学家奥古斯都·海森堡，迎来了他的第二个儿子，取名维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg，1901年－1976年）。这位语言学教授怎么也没想到，这个出生时看起来极普通的男孩，20多年后闯荡量子江湖，成就了一番大事业，还荣获了1932年的诺贝尔物理奖！

受学于三位量子巨匠

维尔纳·海森堡9岁时，全家人搬到了慕尼黑居住。又过了9年，海森堡进入慕尼黑大学攻读物理，拜于上一节中介绍的“大师之师”门下。后来，海森堡前往哥廷根大学，在玻恩和希尔伯特的指导下学习物理。1923年，海森堡完成博士论文《关于流体流动的稳定和湍流》，获得博士学位后，便被玻恩私人出资聘请为哥廷根大学的助教。

虽然海森堡跟着索末菲做的博士论文是关于湍流的，但他在当时碰到了一些困难，再加上不喜欢也不擅长做物理实验，因此，海森堡在博士答辩时，还被大牌教授威廉·维恩非难而得了一个很低的分数。此是后话，在此不表。

海森堡真正感兴趣的是当时物理界的热门课题：玻尔的原子模型。海森堡自己也曾经表示过，他真正的科学生涯，是从与玻尔的一次散步开始的……

那是1922年初夏，玻尔应邀到德国哥廷根大学讲学，滞留10天，报告七次，内容为玻尔原子理论和对元素周期表的诠释。尽管玻尔平时说话的声音低沉，有时还给人以不善言辞的负面印象，但这几次演讲异常地成功，盛况空前，座无虚席。特别是众多年轻的学子们，激情满怀，反应强烈，一个个竖起耳朵张着嘴，聚精会神地听，生怕遗漏了大师的某句话、某个词。有人称这几次讲座是“玻尔的节日演出”，还有人形容当时的盛况“犹如举办了一次哥廷根狂欢节！”

索末菲教授带着他的两个得意门生：亲如兄弟的海森堡和泡利，从慕尼黑赶到哥廷根来听玻尔演讲。海森堡在这里第一次遇到了玻尔。一次，他在玻尔结束演讲后提了一个颇为尖锐的问题，引起了玻尔对这个年轻人的注意，当天便邀他一块儿去郊外散步。

海森堡受宠若惊，在3小时的散步过程中，与玻尔的交谈使他受益匪浅，对他后来的研究方向产生了重大而持续的影响。

1924年至1927年间，海森堡得到洛克菲勒基金会的赞助，来到哥本哈根的理论物理研究所与玻尔一起工作。从此，海森堡置身于玻尔研究所那种激烈的学术争鸣氛围中，开始了卓有成效的学术研究工作。

总的来说，海森堡大学后的物理生涯十分幸运，短短几年中，他游走于三位量子巨匠之间：向索末菲学到了物理概念，向玻恩学到了数学技巧，而他自己最感兴趣也最看重的哲学思想，则来自于玻尔！

矩阵力学的诞生

科学研究总是需要有张有弛，有时候压力下出成果，有时候松弛状态下灵感如泉涌。这些并无定论，也许可以用“冰冻三尺，非一日之寒”来描述，时机成熟了便自然会“瓜熟蒂落”而已。

海森堡正在折腾玻尔和索末菲的原子模型时，花粉过敏症却来折腾他，使他的脸肿得像烤出来的大圆面包，以至于偶然撞见他的房东吓了一大跳，还以为是他和人打架而致。因此，海森堡不得不去到北海的赫尔格兰岛，休养一段时间。那个远离喧哗的小地方，倒是激发了海森堡非凡的科学灵感，他构想出了他对量子力学的最大突破——后来被称作“矩阵力学”的理论。

海森堡当时正在研究氢的光谱线实验结果与原子模型的关系。实验得到的是宏观物理世界中的可观测量，量子化之后的原子模型却是科学家脑袋中构想出来的东西。“可观测”还是“不可观测”，这在经典物理中可以说是个伪命题。人们对经典理论的认知是：物理量不都是可观测的吗？但在量子论适用的微观世界，这个问题从来就亦步亦趋地伴随着物理理论前行。微观现象难以直接观测，那么，如何来判断理论正确与否呢？

这实际上是玻尔的“对应原理”企图解决的问题。“对应原理”由玻尔正式提出，并在哲学的意义上推广到其它领域。但事实上，从普朗克开始，量子物理学家们就一直在潜意识中使用对应原理。对应原理的实质就是：在一定的极限条件下，量子物理应该趋近于经典物理。微观的不可观测量，与宏观的可观测量之间，应该有一个互相对应的关系。

上一篇：“物理、力学和天文中的手征性专题”出版
下一篇：没有了