属于海森堡的篇章要从1924年7月开始講起那个月份对于海森堡可算是喜讯不断，他的关于反常塞曼效应的论文通过审核从而使他晋升为讲师，获得在德国大学的任意级别Φ讲学的资格而玻尔--他对这位出色的年轻人显然有着明显的好感--也来信告诉他，他已经获得了由洛克菲勒(Rockefeller)财团资助的国际教育基金会(IEB)的獎金为数1000美元
，从而让他有机会远赴哥本哈根与玻尔本人和他的同事们共同工作一年。也是无巧不成书海森堡原来在哥廷根的导师波恩正好要到美国讲学，于是同意海森堡到哥本哈根去只要在明年5月夏季学期开始前回来就可以了。从后来的情况看海森堡对哥本哈根的这次访问无疑对于量子力学的发展有着积极的意义。
玻尔在哥本哈根的研究所当时已经具有了世界性的声名和哥廷根，慕尼黑一起成为了量子力学发展史上的“黄金三角”。世界各地的学者纷纷前来访问学习1924年的秋天有近10位访问学者，其中6位是IEB资助的而这一数芓很快就开始激增，使得这幢三层楼的建筑不久就开始显得拥挤从而不得不展开扩建。海森堡在结束了他的暑假旅行之后于1924年9月17日抵達哥本哈根，他和另一位来自美国的
金(King)博士住在一位刚去世的教授家里并由孀居的夫人照顾他们的饮食起居。对于海森堡来说这地方哽像是一所语言学校--他那糟糕的英语和丹麦语水平都在逗留期间有了突飞猛涨的进步。
言归正传我们在前面讲到，19241925
年之交，物理学正處在一个非常艰难和迷茫的境地中玻尔那精巧的原子结构已经在内部出现了细小的裂纹，而辐射问题的本质究竟是粒子还是波动双方仍然在白热化地交战。康普顿的实验已经使得持疑度的物理学家都不得不承认粒子性是无可否认的，但是这就势必要推翻电磁体系这个巳经扎根于物理学百余年的庞然大物而后者所依赖的地基--麦克斯韦理论看上去又是如此牢不可破，无法动摇
我们也已经提到，在海森堡来到哥本哈根前不久玻尔和他的助手克莱默(Kramers)还有斯雷特 (Slater)发表了一个称作BKS的理论以试图解决波和粒子的两难。在BKS理论看来在每一个稳萣的原子附近，都存在着某些“虚拟的振动”(virtual
oscillator)这些神秘的虚拟振动通过对应原理一一与经典振动相对应，从而使得量子化之后仍然保留囿经典波动理论的全部优点(实际上它是想把粒子在不同的层次上进一步考虑成波)。然而这个看似皆大欢喜的理论实在有着难言的苦衷咜为了调解波动和微粒之间的宿怨，甚至不惜抛弃物理学的基石之一：能量守恒和动量守恒定律认为它们只不过是一种统计下的平均情況。这个代价太大遭到爱因斯坦强烈反对，在他影响下泡利也很快转换度他不止一次写信给海森堡抱怨“虚拟的振动”还有“虚拟的粅理学”。
BKS的一些思想倒也不是毫无意义克莱默利用虚拟振子的思想研究了色散现象，并得出了积极的结果海森堡在哥本哈根学习的時候对这方面产生了兴趣，并与克莱默联名发表了论文在物理期刊上这些思路对于后来量子力学的创立无疑也有着重要的作用。但BKS理论終于还是中途夭折1925年4月的实验否定了守恒只在统计意义上成立的说法，光量子确实是实实在在的东西不是什么虚拟波。BKS的崩溃标志
着粅理学陷入彻底的混乱粒子和波的问题是如此令人迷惑而头痛，以致玻尔都说这实在是一种“折磨” (torture)对于曾经信奉BKS的海森堡来说，这當然是一个坏消息但是就像一盆冷水，也能让他清醒一下认真地考虑未来的出路何在。
哥本哈根的日子是紧张而又有意义的海森堡無疑地感到了一种竞争的气氛，并以他那好胜的性格加倍努力着当然，竞争是一回事哥本哈根的自由精神和学术气氛在全欧洲都几乎無与伦比，而这一切又都和尼尔斯?玻尔这位量子论的“教父”密切相关毫无疑问在哥本哈根的每一个人都是天才，但他们却都更好地衬託出玻尔本人的伟大来这位和蔼的丹麦人对于每个人都报以善意的微笑，并引导人们畅所欲言探讨一切类型的问题。人们像众星拱月┅般围绕在他身边个个都为他的学识和人格所折服，海森堡也不例外而且他更将成为玻尔亲密的学生和朋友之一。玻尔常常邀请海森堡到他家(就在研究所的二楼)
去分享家藏的陈年好酒或者到研究所后面的树林里去散步并讨论学术问题。玻尔是一个极富哲学气质的人怹对于许多物理问题的看法都带有深深的哲学色彩，这令海森堡相当震撼并在很大程度上影响了他本人的思维方式。从某种角度说在謌本哈根那“量子气氛”里的熏陶以及和玻尔的交流，可能会比海森 堡在那段时间里所做的实际研究更有价值
那时候，有一种思潮在哥夲哈根流行开来这个思想当时不知是谁引发的，但历史上大约可以回溯到马赫这种思潮说，物理学的研究对象只应该是能够被观察到被实践到的事物物理学只能够从这些东西出发，而不是建立在观察不到或者纯粹是推论的事物上这个观点对海森堡以及不久后也来哥夲哈根访问的泡利都有很大影响，海森堡开始隐隐感觉到玻尔旧原子模型里的有些东西似乎不太对头，似乎它们不都是直接能够为实验所探测的明显的例子就是电子的“轨道”以及它绕着轨道运转的“频率”。我们马上就要来认真地看一看这个问题
1925年4月27日，海森堡结束哥本哈根的访问回到哥廷根并开始重新着手研究氢原子的谱线问题-从中应该能找出量子体系的基本原理吧？海森堡的打算是仍然采取虛振子的方法虽然BKS倒台了，但这在色散理论中已被证明是有成效的方法海森堡相信，这个思路应该可以解决玻尔体系所解决不了的一些问题譬如谱线的强度。但是当他兴致勃勃地展开计算后他的乐观度很快就无影无踪了：事实上，如果把电子辐射按照虚振子的代数方法展开他所遇到的数学困难几乎是不可克服的，这使得海森堡不得不放弃了原先的计划泡利在同样的问题上也被难住了，障碍实在呔大几乎无法前进，这位脾气急躁的物理学家是如此暴跳如雷几乎准备放弃物理学。“物理学出了大问题”他叫嚷道，“对我来说什么都太
难了我宁愿自己是一个电影喜剧演员，从来也没听说过物理是什么东西！”(插一句泡利说宁愿自己是喜剧演员，这是因为他昰卓别林的 fans 之一)
无奈之下海森堡决定换一种办法，暂时不考虑谱线强度而从电子在原子中的运动出发，先建立起基本的运动模型来倳实证明他这条路走对了，新的量子力学很快就要被建立起来但那却是一种人们闻所未闻，之前连想都不敢想象的形式--Matrix
Matrix 无疑是一个本身便带有几分神秘色彩，像一个Enigma 的词语不论是从它在数学上的意义，还是电影里的意义(甚至包括电影续集)来说它都那样扑朔迷离，叫囚难以把握望而生畏。事实上直到今天还有很多人几乎不敢相信，我们的宇宙就是建立在这些怪物之上不过不情愿也好，不相信也罷 Matrix
已经成为我们生活中不可缺少的概念。理科的大学生逃不了线性代数的课工程师离不开MatLab 软件，漂亮MM也会常常挂念基诺?里维斯没有法子。
形式又能表示什么物理意义呢更让人不能理解的是，这种“表格”难道也能像普通的物理变量一样，能够进行运算吗你怎么紦两个表格加起来，或乘起来呢海森堡准是发疯了。
但是我已经提醒过大家，我们即将进入的是一个不可思议的光怪陆离的量子世界在这个世界里，一切都看起来是那样地古怪不合常理甚至有一些疯狂的意味。我们日常的经验在这里完全失效甚至常常是靠不住的。物理世界沿用了千百年的概念和习惯在量子世界里轰然崩坍曾经被认为是天经地义的事情必须被无情地抛弃，而代之以一些奇形怪状嘚但却更接近真理的原则。是的世界就是这些表格构筑的。它们不但能加能乘而且还有着令人瞠目结舌的运算规则，从而导致一些哽为惊世骇俗的结论而且，这一切都不是臆想是从事实--而且是唯一能被观测和检验到的事实--推论出来的。海森堡说现在已经到了物悝学该发生改变的时候了。
物理学海森堡坚定地想，应当有一个坚固的基础它只能够从一些直接可以被实验观察和检验的东西出发，┅个物理学家应当始终坚持严格的经验主义而不是想象一些图像来作为理论的基础。玻尔理论的毛病就出在这上面。
我们再来回顾一丅玻尔理论说了些什么它说，原子中的电子绕着某些特定的轨道以一定的频率运行并时不时地从一个轨道跃迁到另一个轨道上去。每個电子轨道都代表一个特定的能级因此当这种跃迁发生的时候，电子就按照量子化的方式吸收或者发射能量其大小等于两个轨道之间嘚能量差。
嗯听起来不错，而且这个模型在许多情况下的确管用但是，海森堡开始问自己一个电子的“轨道”，它究竟是什么东西有任何实验能够让我们看到电子的确绕着某个轨道运转吗？有任何实验可以确实地测出一个轨道离开原子核的实际距离吗诚然轨道的圖景是人们所熟悉的，可以类比于行星的运行轨道但是和行星不同，有没有任何法子让人们真正地看到电子的这么一个“轨道”并实際测量一个轨道
所代表的“能量”呢？没有法子电子的轨道，还有它绕着轨道的运转频率都不是能够实际观察到的，那么人们怎么得絀这些概念并在此之上建立起原子模型的呢
我们回想一下前面史话的有关部分，玻尔模型的建立有着氢原子光谱的支持每一条光谱线嘟有一种特定的频率，而由量子公式 E1-E2
=hν，我们知道这是电子在两个能级之间跃迁的结果。但是，海森堡争辩道，你这还是没有解决我的疑问。没有实际的观测可以证明某一个轨道所代表的“能级”是什么每一条光谱线，只代表两个“能级”之间的“能量差”所以，只有“能级差”或者“轨道差”是可以被直接观察到的而“能级”和“轨道”却不是。
为了说明问题我们还是来打个比方。小时候的乐趣之┅是收集各种各样的电车票以扮作售票员那时候上海的车票通常都很便宜，多也就是一毛几分钱但规矩是这样的：不管你从哪个站上車，坐得越远车票就相对越贵比如我从徐家汇上车，那么坐到淮海路可能只要3分钱而到人民广场大概就要5分，到外滩就要7分如果一矗坐到虹口体育场，也许就得花上1毛钱当然，近两年回去公交早就换成了无人售票和统一计费--不管多远都是一个价，车费也早就今非昔比了
让我们假设有一班巴士从A站出发，经过BCD三站到达E这个终点站这个车的收费沿用了我们旧时代的老传统，不是上车一律给2块钱洏是根据起点和终点来单独计费。我们不妨订一个收费标准：A站和B站之间是1块钱B和C靠得比较近，0.5元C和D之间还是1块钱，而D和E离得远2块錢。这样一来车费就容易计算了比如我从B站上车到E站，那么我就应该给0.5
现在玻尔和海森堡分别被叫来写一个关于车费的说明贴在车子里讓人参考玻尔欣然同意了，他说：这个问题很简单车费问题实际上就是两个站之间的距离问题，我们只要把每一个站的位置状况写出來那么乘客们就能够一目了然了。于是他就假设A站的坐标是0，从而推出：B站的坐标是1C站的坐标是1.5，D站的坐标是2.5而E站的坐标是4.5。这僦行了玻尔说，车费就是起点站的坐标减掉终点站的坐标的绝对值我们的“坐标”，实际上可以看成一种“车费能级”所有的情况嘟完全可以包含在下面这个表格里：站点坐标(车费能级)
4.5 这便是一种经典的解法，每一个车站都被假设具有某种绝对的“车费能级”就像原子中电子的每个轨道都被假设具有某种特定的能级一样。所有的车费不管是从哪个站到哪个站，都可以用这个单一的变量来解决这昰一个一维的传统表格，完全可以表达为一个普通的公式这也是所有物理问题的传统解法。
现在海森堡说话了。不对海森堡争辩说，这个思路有一个根本性的错误那就是，作为一个乘客来说他完全无法意识，也根本不可能观察到某个车站的“绝对坐标”是什么仳如我从C站乘车到D站，无论怎么样我也无法观察到“C
站的坐标是1.5”或者“D站的坐标是2.5”这个结论。作为我--乘客来说我所能唯一观察和體会到的，就是“从C站到达D站要花1块钱”这才是确凿，坚实的东西我们的车费规则，只能以这样的事实为基础而不是不可观察的所謂“坐标”，或者“能级”
这里面，竖的是起点站横的是终点站。现在这张表格里的每一个数字都是实实在在可以观测和检验的了仳如第一行第三列的那个1.5，它的横坐标是A表明从A站出发。它的纵坐标是C表明到C站下车。那么只要某个乘客真正从A站坐到了C站，他就鈳以证实这个数字是正确的：这个旅途的确需要1.5 块车费
好吧，某些读者可能已经不耐烦了它们的确是两种不同类型的东西，可是这種区别的意义有那么大吗？毕竟它们表达的，不是同一种收费规则吗但事情要比我们想象的复杂多了，比如玻尔的表格之所以那么简潔其实是有这样一个假设，那就是“从A到B”和“从B到A”所需的钱是一样的。事实也许并非如此从A到B要1块钱，从B回到A却很可能要1.5元這样玻尔的传统方式要大大头痛了，而海森堡的表格却是简洁明了的：只要修改B为横坐标A为纵坐标的那个数字就可以了只不过表格不再按照对角线对称了而已。
更关键的是海森堡争辩说，所有的物理规则也要按照这种表格的方式来改写。我们已经有了经典的动力学方程现在，我们必须全部把它们按照量子的方式改写成某种表格方程许多传统的物理变量，现在都要看成是一些独立的矩阵来处理
在經典力学中，一个周期性的振动可以用数学方法分解成为一系列简谐振动的叠加这个方法叫做傅里叶展开。想象一下我们的耳朵它可鉯灵敏地分辨出各种不同的声音，即使这些声音同时响起混成一片嘈杂也无关紧要，一个发烧友甚至可以分辨出CD音乐中乐手翻动乐谱的細微沙沙声人耳自然是很神奇的，但是从本质上说数学家也可以做到这一切，方法就是通过傅立叶分析把一个混合的音波分解成一系列的简谐波大家可能要感叹，人耳竟然能够在瞬间完成这样复杂的数学分析不过这其实是自然的进化而已。譬如守门员抱住飞来的足浗从数学上说相当于解析了一大堆重力和空气动力学的微分方程并求出了球的轨迹，再比如人本能的趋利避害的反应从基因的角度说吔相当于进行了无数风险概率和未来获利
的计算。但这都只是因为进化的力量使得生物体趋于具有这样的能力而已这能力有利于自然选擇，倒不是什么特殊的数学能力所导致
回到正题，在玻尔和索末菲的旧原子模型里我们已经有了电子运动方程和量子化条件。这个运動同样可以利用傅立叶分析的手法化作一系列简谐运动的叠加。在这个展开式里的每一项都代表了一个特定频率。现在海森堡准备對这个旧方程进行手术，把它彻底地改造成新的矩阵版本但是困难来了，我们现在有一个变量p代表电子的动量，还有一个变量q代表電子的位置。本来在老方程里这两个变量应当乘起来，现在海森堡把p和q都变成了矩阵那么，现在p和q应当如何再乘起来呢
这个问题问嘚好：你如何把两个“表格”乘起来呢？
或者我们不妨先问自己这样一个问题：把两个表格乘起来这代表了什么意义呢？
为了容易理解我们还是回到我们那个巴士车费的比喻。现在假设我们手里有两张海森堡制定的车费表：矩阵I和矩阵II分别代表了巴士I号线和巴士 II 号线茬某地的收费情况。为了简单起见我们假设 每条线都只有两个站，A 和 B这两个表如下：I 号线(矩阵 I)：A B A 12 B31 II 号线(矩阵
好，我们再来回顾一下这两張表到底代表了什么意思根据海森堡的规则，数字的横坐标代表了起点站纵坐标代表了终点站。那么矩阵I第一行第一列的那个1就是说你坐巴士I号线，从A地出发在A地原地下车，车费要1块钱(啊为什么原地不动也要付1块钱呢？这个……一方面是比喻而已再说你可以把1塊钱看成某种起步费。何况在大部分城市的地铁里你进去又马上出来，的确是要在电子卡里扣掉
一点钱的)同样，矩阵 I第一行第二列的那个2是说你坐I号线从A地到B地，需要2块钱但是，如果从 B 地回到 A 地那么就要看横坐标是B而纵坐标是A的那个数字，也就是第二行第一列的那个3矩阵II的情况同样如此。
好现在我们来做个小学生水平的数学练习：乘法运算。只不过这次乘的不是普通的数字而是两张表格：I 囷 II。I×II 等于几
1925年，当海森堡做出他那突破性的贡献的时候他刚刚24岁。尽管在物理上有着极为惊人的天才但海森堡在别的方面无疑还呮是一个稚气未脱的大孩子。他兴致勃勃地跟着青年团去各地旅行在哥本哈根逗留期间，他抽空去巴伐利亚滑雪结果摔伤了膝盖，躺叻好几个礼拜在山谷田野间畅游的时候，他高兴得不能自已甚至说“我连一秒种的物理都不愿想了”。
量子论的发展几乎就是年轻人嘚天下爱因斯坦1905年提出光量子假说的时候，也才26岁玻尔1913年提出他的原子结构的时候，28岁德布罗意 1923年提出相波的时候，31岁而1925年，当量子力学在海森堡的手里得到突破的时候后来在历史上闪闪发光的那些主要人物也几乎都和海森堡一样年轻：
泡利25岁，狄拉克23岁乌仑貝克25岁，古德施密特23岁约尔当23岁。和他们比起来36岁的薛定 谔和43岁的波恩简直算是老爷爷了。量子力学被人们戏称为“男孩物理学”波恩在哥廷根的理论班，也被人叫做“波恩幼儿园”
不过，这只说明量子论的锐气和朝气在那个神话般的年代，象征了科学永远不知畏惧的前进步伐开创出一个前所未有的大时代来。“男孩物理学”这个带有传奇色彩的名词也将在物理史上镌刻出永恒 的光芒。
上次峩们布置了一道练习题现在我们一起来把它的答案求出来。
┏┓┏┓ ┃1 2┃┃1 3┃ ┃3 1┃×┃4 1┃＝ ┗┛┗┛ 如果你还记得我们那个公共巴士嘚比喻，那么乘号左边的矩阵I代表了我们的巴士I号线的收费表 乘号右边的矩阵II代表了II号线的收费表。I是一个2×2 的表格II也是一个 2×2 的表格，我们有理 由相信它们的乘积也应该是类似的形式，也是一个 2×2
海森堡说I×II，表示你先乘搭巴士I号线然后转乘了II号线。答案中的a昰什么呢a处在第一行第一列，它也必定表示从A地出发到A地下车的某种收费情况海森堡说，a其实就是说，你搭乘I号线从A地出发期间轉乘II号线，后又回到A地下车因为是乘法，所以它表示“I号线收费”和“II
号线收费”的乘积但是，情况还不是那么简单因为我们的路線可能不止有一种，a实际代表的是所有收
如果这不好理解那么我们干脆把题目做出来。答案中的a正如我们已经说明了的，表示我搭I号線从A地出发然后转乘II号线，又回到A地下车的收费情况的总和那么，我们如何具体地做到这一点呢有两种方法：第一种，我们可以乘搭I号线从A地到B地然后在B地转乘II号线，再从B
地回到A地此外，还有一种办法就是我们在A地上了I号线，随即在原地下车然后还是在A地再仩II号线，
同样在原地下车这虽然听起来很不明智，但无疑也是一种途径那么，我们答案中的a其实就是这两种方法的收费情况的总和。
现在我们看看具体数字应该是多少：第一种方法我们先乘I号线从A地到B地，车费应该是多少呢我们还记得海森堡的车费规则，那就看矩阵 I 横坐标为A纵坐标为B的那个数字也就是第一行第二列的那个2，2 块钱好，随后我们又从B地转乘II号线回到了A地这里的车费对应于矩阵 II
苐二行第一列的那个4。所以第一种方法的“收费乘积”是2×4＝8但是，我们提到还有另一种可能，就是我们在A地原地不动地上了I号线再丅来又上II号线再下来，这同样符合我们A地出发A地结束的条件这对应于两个矩阵第一行第一列的两个数字的乘积，1×1＝1那么，我们的終答案a，就等于这两种可能的叠加也就是说，a＝2×4＋1×1＝9因为没有第三种可能性了。
同样道理我们来求bb代表先乘I号线然后转乘II号線，从A地出发终抵达B地的收费情况总和这同样有两种办法可以做到：先在A地上I号线随即下车，然后从A地坐II号线去B地收费分别是1块(矩阵I苐一行第一列)和3块(矩阵II第一行第二列)，所以1×3＝3还有一种办法就是先乘I号线
从A地到B地，收费2块(矩阵I第一行第二列)然后在B地转II号线原地仩下，收费1块(矩阵II第二行第二列)所以2×1＝1。所以终答案：b＝1×3＋2×1＝5
┗┛┗┛┗┛ 很抱歉让大家如此痛苦不堪，不过我们的确在学习噺的事物如果你觉得这种乘法十分陌生的话，那 么我们很快就要给你更大的惊奇但首先我们还是要熟悉这种新的运算规则才是。圣人說温故而知新， 我们不必为了自己新学到的东西而沾沾自喜还是巩固巩固我们的基础吧，让我们把上面这道题目验算一
我知道大家都茬唉声叹气不过我还是坚持，复习功课是有益无害的我们来看看a是什么，现在我们是先乘搭II号线然后转I号线了，所以我们可以从A地仩II号线然后下来。再上I号线然后又下来。对应的是1×1另外，我们可以坐II号线去B地在B地转I号线回到A地，所以是3×3＝9所以 a＝1×1＋3×3＝10。
喂打瞌睡的各位，快醒醒我们遇到问题了。在我们的验算里a＝10，不过我还记得刚才我们的答案说
a＝9。各位把笔记本往回翻几頁看看我有没有记错？嗯虽然大家都没有记笔记，但我还是没有记错刚才我们的a＝2×4＋1×1＝9。看来是我算错了我们再算一遍，这佽可要打起精神了：a代表A地上车A地下车所以可能的情况是：我搭II号线在A地上车A地下车(矩阵II第一行第一列)，1块然后转I号线同样在A地上车 A
哋下车(矩阵I第一行第一列)，也是1块1×1＝1。还有一种可能是我搭II号线在A地上车B地下车(矩阵II第一行第二列)，3块然后在B地转I 号线从B地回到A哋(矩阵II第二行第一列)，3 块3×3＝9。所以 a＝1＋9＝10
嗯，奇怪没错啊。那么难道前面算错了我们再算一遍，好像也没错前面 a＝1＋8＝9。那麼那么……谁错了？哈哈海森堡错了，他这次可丢脸了他发明了一种什么样的表格乘法啊，居然导致如此荒唐的结果：I×II≠II×I 我們不妨把结果整个算出来： ┏┓
II×I＝┃7 9┃ ┗┛ 的确，I×II≠II×I这可真让人惋惜，原来我们还以为这种表格式的运算至少有点创意的现在看 来浪费了大家不少时间，只好说声抱歉但是，慢着海森堡还有话要说，先别为我们死去的脑细胞默 哀它们的死也许不是完全没有意义的。
大家冷静点大家冷静点，海森堡摇晃着他那漂亮的头发说我们必须学会面对现实。我们已经说过了物理学，必须从唯一可鉯被实践的数据出发而不是靠想象和常识习惯。我们要学会依赖于数学而不是日常语言，因为只有数学才具有唯一的意义才能告诉峩们唯一的真实。我们必须认识到这一点：数学怎么说我们就得接受什么。如果数学说
I×II≠II×I那么我们就得这么认为，哪怕世人用再嘲讽的口气来讥笑我们我们也不能改变这一立场。何况如果仔细审查这里面的意义，也并没有太大的荒谬：先搭乘I号线再转II号线，這和先搭乘II号线再转I号线，导致的结果可能是不同的有什么问题吗？
海森堡冷冷地说牛顿力学是经典体系，我们讨论的是量子体系永远不要对量子世界的任何奇特性质过分大惊小怪，那会让你发疯的量子的规则，并不一定要受到乘法交换率的束缚
他无法做更多嘚口舌之争了，1925年夏天他被一场热病所感染，不得不离开哥廷根到北海的一个小岛赫尔格兰(Helgoland)去休养。但是他的大脑没有停滞在远离喧嚣的小岛上，海森堡坚定地沿着这条奇特的表格式道路去探索物理学的未来而且，他很快就获得了成功：事实上只要把矩阵的规则運用到
经典的动力学公式里去，把玻尔和索末菲旧的量子条件改造成新的由坚实的矩阵砖块构造起来的方程海森堡可以自然而然地推导絀量子化的原子能级和辐射频率。而且这一切都可以顺理成章从方程本身解出不再需要像玻尔的旧模型那样，强行附加一个不自然的量孓条件海森堡的表格的确管用！数学解释一切，我们的想象是靠不住的
虽然，这种古怪的不遵守交换率的矩阵乘法到底意味着什么無论对于海森堡，还是当时的所有人来说都还仍然是一个谜题，但量子力学的基本形式却已经得到了突破进展从这时候起，量子论将鉯一种气势磅礴的姿向前迈进每一步都那样雄伟壮丽，激起滔天的巨浪和美丽的浪花接下来的3年是梦幻
般的3年，是物理史上难以想象嘚3年理论物理的黄金年代，终于要放射出它耀眼的光辉把整个20世纪都装点得神圣起来。
海森堡后来在写给好友范德沃登的信中回忆道当他在那个石头小岛上的时候，有一晚忽然想到体系的总能量应该是一个常数于是他试着用他那规则来解这个方程以求得振子能量。求解并不容易他做了 一个通宵，但求出来的结果和实验符合得非常好于是他爬上一个山崖去看日出，同时感到自己非常幸运
是的，曙光已经出现太阳正从海平线上冉冉升起，万道霞光染红了海面和空中的云彩在天地间流动着奇幻的辉光。在高高的石崖顶上海森堡面对着壮观的日出景象，他脚下碧海潮生一直延伸到无穷无尽的远方。是的他知道，this is the moment他已经作出生命中重要的突破，而物理学的黎明也终于到来
我们已经看到，海森堡发明了这种奇特的表格I×II≠II×I，连他自己都没把握确定这是个什么怪物当他结束养病，回到謌廷根后就把论文草稿送给老师波恩，让他评论评论波恩看到这种表格运算大吃一惊，原来这不是什么新鲜东西正是线性代数里学箌的“矩阵”！回溯历史，这种工具早在1858年就已经由一位剑桥的数学家 Arthur Cayley
所发明不过当时不叫“矩阵”而叫做“行列式” (determinant，这个字后来变荿了另外一个意思虽然还是和矩阵关系很紧密)。发明矩阵初的目的是简洁地来求解某些微分方程组(事实上直到今天，大学线性代数课還是主要解决这个问题)但海森堡对此
毫不知情，他实际上不知不觉地“重新发明”了矩阵的概念波恩和他那精通矩阵运算的助教约尔當随即在严格的数学基础上发展了海森堡的理论，进一步完善了量子力学我们很快就要谈到。
数学在某种意义上来说总是领先的Cayley 创立矩阵的时候，自然想不到它后来会在量子论的发展中起到关键作用同样，黎曼创立黎曼几何的时候又怎会料到他已经给爱因斯坦和他偉大的相对论提供了好的工具。
乔治?盖莫夫在那本受欢迎的老科普书《从一到无穷大》(One, Two,
Three…Infinity)里说目前数学还有一个大分支没有派上用场(除叻智力体操的用处之外)，那就是数论古老的数论领域里已经有许多难题被解开，比如四色问题费马大定理。也有比如著名的哥德巴赫猜想至今悬而未决。天知道这些理论和思路是不是在将来会给某个物理或者化学理论开道，打造出一片全新的天地来
从赫尔格兰回來后，海森堡找到波恩请求允许他离开哥廷根一阵，去剑桥讲课同时，他也把自己的论文给了波恩过目问他有没有发表的价值。波恩显然被海森堡的想法给迷住了正如他后来回忆的那样：“我对此着了迷……海森堡的思想给我留下了深刻的印象，对于我们一直追求嘚那个体系来说这是一次伟大的突破。”于是当海森堡去到英国讲学的时候波恩就把他的这篇论文寄给了《物理学杂志》
但海森堡古怪的表格乘法无疑也让波恩困扰，他在7月15日写给爱因斯坦的信中说：“海森堡新的工作看起来有点神秘莫测不过无疑是很深刻的，而且昰正确的”但是，有一天波恩突然灵光一闪：他终于想起来这是什么了。海森堡的表格正是他从前所听说过的那个“矩阵”！
但是對于当时的欧洲物理学家来说，矩阵几乎是一个完全陌生的名字甚至连海森堡自己，也不见得对它的性质有着完全的了解波恩决定为海森堡的理论打一个坚实的数学基础，他找到泡利希望与之合作，可是泡利对此持有强烈的疑度他以他标志性的尖刻语气对波恩说：“是的，我就知道你喜欢那种冗长和复杂的形式主义但你那无用的数学只会损害海森堡的物理思想。”波恩在泡利那里碰了一鼻子灰鈈得不转向他那熟悉矩阵运算的年轻助教约尔当(Pascual
Jordan,再过一个礼拜，就是他101年诞辰)两人于是欣然合作，很快写出了著名的论文《论量子力学》(Zur
Quantenmechanik)发表在《物理学杂志》上。在这篇论文中两人用了很大的篇幅来阐明矩阵运算的基本规则，并把经典力学的哈密顿变换统统改造成為矩阵的形式传统的动量p和位置q这两个物理变量，现在成为了两个含有无限数据的庞大表格而且，正如我们已经看到的那样它们并鈈遵守传统的乘法交换率，p×q≠q×p
是我们已经熟悉的普朗克常数，i是虚数的单位代表-1的平方根，而I叫做单位矩阵相当于矩阵运算中嘚1。波恩和约尔当奠定了一种新的力学--矩阵力学的基础在这种新力学体系的魔法下，普朗克常数和量子化从我们的基本力学方程中自然洏然地跳了出来成为自然界的内在禀性。如果认真地对这种力学形式做一下探讨人们会惊奇地发现，牛顿体系里的种种结论比如能量守恒，从新理论中也可以得到这就是说，新力学其实是牛顿理论的一个扩展老的经典力学其实被“包含”在我们的新力学中，成为┅种特殊情况下的表现形式
这种新的力学很快就得到进一步完善。从剑桥返回哥廷根后海森堡本人也加入了这个伟大的开创性工作中。11月26日《论量子力学II》在《物理学杂志》上发表，作者是波恩海森堡和约尔当。这篇论文把原来只讨论一个自由度的体系扩展到任意個自由度从而彻底建立了新力学的主体。现在他们可以自豪地宣称，长期以来人们所苦苦追寻的那个目标终于达到了多年以来如此困扰着物理学家的原子光谱问题，现在终于可以在新力学内部完美地解决《论量子力学
II》这篇文章，被海森堡本人亲切地称呼为“三人論文”(Dreimannerarbeit)的也终于注定要在物理史上流芳百世。
新体系显然在理论上获得了巨大的成功泡利很快就改变了他的度，在写给克罗尼格(Ralph Laer
Kronig)的信裏他说：“海森堡的力学让我有了新的热情和希望。”随后他很快就给出了极其有说服力的证明展示新理论的结果和氢分子的光谱符匼得非常完美，从量子规则中巴尔末公式可以被自然而然地推导出来。非常好笑的是虽然他不久前还对波恩咆哮说“冗长和复杂的形式主义”，但他自己的证明无疑动用了复杂的数学
不过，对于当时其他的物理学家来说海森堡的新体系无疑是一个怪物。矩阵这种冷栤冰的东西实在太不讲情面不给人以任何想象的空间。人们一再追问这里面的物理意义是什么？矩阵究竟是个什么东西海森堡却始終护定他那让人沮丧的立场：所谓“意义”是不存在的，如果有的话那数学就是一切
“意义”所在。物理学是什么就是从实验观测量絀发，并以庞大复杂的数学关系将它们联系起来的一门科学如果说有什么图像能够让人们容易理解和记忆的话，那也是靠不住的但是，不管怎么样毕竟矩阵力学对于大部分人来说都太陌生太遥远了，而隐藏在它背后的深刻含义当时还远远没有被发掘出来。特别是p×q≠q×p，这究竟代表了什么令人头痛不已。
一年后当薛定谔以人们所喜闻乐见的传统方式发布他的波动方程后，几乎全世界的物理学镓都松了一口气：他们终于解脱了不必再费劲地学习海森堡那异常复杂和繁难的矩阵力学。当然人人都必须承认，矩阵力学本身的伟夶含义是不容疑的
但是，如果说在1925年欧洲大部分物理学家都还对海森堡，波恩和约尔当的力学一知半解的话那我们也不得不说，其Φ有一个非常显著的例外他就是保罗?狄拉克。在量子力学大发展的年代哥本哈根，哥廷根以及慕尼黑三地抢尽了风头狄拉克的崛起總算也为老牌的剑桥挽回了一点颜面。
保罗?埃德里安?莫里斯?狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)于1902年8月8日出生于英国布里斯托 尔港他的父亲是瑞士人，当时是一位法語教师狄拉克是家里的第二个孩子。许多大物理学家的童年教育都是多姿多彩的比如玻尔，海森堡还有薛定谔。但狄拉克的童年显嘫要悲惨许多他父亲是一位非
常严肃而刻板的人，给保罗制定了众多的严格规矩比如他规定保罗只能和他讲法语(他认为这样才能学好 這种语言)，于是当保罗无法表达自己的时候只好选择沉默。在小狄拉克的童年里音乐、文学、艺术显然都和他无缘，社交活动也几乎沒有这一切把狄拉克塑造成了一个沉默寡言，喜好孤独淡泊名利，在许多人眼里显得 geeky
的人有一个流传很广的关于狄拉克的笑话是这樣说的：有一次狄拉克在某大学演讲，讲完后一个观众起来说：“狄拉克教授我不明白你那个公式是如何推导出来的。”狄拉克看着他玖久地不说话主持人不得不提醒他，他还没有回答问题
“回答什么问题？”狄拉克奇怪地说“他刚刚说的是一个陈述句，不是一个疑问句”
1921 年，狄拉克从布里斯托尔大学电机工程系毕业恰逢经济大萧条，结果没法找到工作事实上，很难说他是否会成为一个出色嘚工程师狄拉克显然长于理论而拙于实验。不过幸运的是布里斯托尔大学数学系又给了他一个免费进修数学的机会，2年后狄拉克转箌剑桥，开始了人生的新篇章
我们在上面说到，1925年秋天当海森堡在赫尔格兰岛作出了他的突破后，他获得波恩的批准来到剑桥讲学當时海森堡对自己的发现心中还没有底，所以没有在公开场合提到自己这方面的工作不过7月28号，他参加了所谓“卡皮察俱乐部”的一次活动卡皮察(P.L.Kapitsa)是一位年轻的苏联学生，当时在剑桥跟随卢瑟福工作他感到英国的学术活动太刻板，便自己组织了一个俱乐部在晚上聚會，报告和讨论有关物理学的新进展我们在前面讨论卢瑟福的时候提到过卡皮察的名字，他后来也获得了诺贝尔奖
狄拉克也是卡皮察俱乐部的成员之一，他当时不在剑桥所以没有参加这个聚会。不过他的导师福勒 (William Alfred
Fowler)参加了而且大概在和海森堡的课后讨论中，得知他已經发明了一种全新的理论来解释原子光谱问题后来海森堡把他的证明寄给了福勒，而福勒给了狄拉克一个复印本这一开始没有引起狄拉克的重视，不过大概一个礼拜后他重新审视海森堡的论文，这下他把握住了其中的精髓：别的都是细枝末节只有一件事是重要的，那就是我们那奇怪的矩阵乘法规则：p×q≠q×p
恩斯特?帕斯库尔?约尔当(Ernst Pascual Jordan)出生于汉诺威。在我们的史话里已经提到他是物理史上两篇重要的論文《论量子力学》I 和 II 的作者之一，可以说也是量子力学的主要创立者但是，他的名声显然及不上波恩或者海森堡
这里面的原因显然吔是多方面的，1925年约尔当才22岁，无论从资格还是名声来说都远远及不上元老级的波恩和少年成名的海森堡。当时和他一起做出贡献的那些人后来都变得如此著名：波恩，海森堡泡利，他们的光辉耀眼把约尔当完全给盖住了。
从约尔当本人来说他是一个害羞和内姠的人，说话有口吃的毛病总是结结巴巴的，所以他很少授课或发表演讲更严重的是，约尔当在二战期间站到了希特勒的一边成为┅个纳粹的同情者，被指责曾经告密这大大损害了他的声名。
约尔当是一个作出了许多伟大成就的科学家除了创立了基本的矩阵力学形式，为量子论打下基础之外他同样在量子场论，电子自旋量子电动力学中作出了巨大的贡献。他是先证明海森堡和薛定谔体系同等性的人之一他发明了约尔当代数，后来又广泛涉足生物学、心理学和运动学他曾被提名为诺贝尔奖得主，却没有成功约尔当后来显嘫也对自己的成就被低估有些恼火，1964年他声称《论量子力学》一文其实几乎都是他一个人的贡献--波恩那时候病了。这引起了广泛的争议不过许多人显然同意，
p×q≠q×p如果说狄拉克比别人天才在什么地方，那就是他可以一眼就看出这才是海森堡体系的精髓那个时候，波恩和约尔当还在苦苦地钻研讨厌的矩阵为了建立起新的物理大厦而努力地搬运着这种庞大而又沉重的表格式方砖，而他们的文章尚未發表但狄拉克是不想做这种苦力的，他轻易地透过海森堡的表格把握住了这种代数的实质。不遵守交换率这让我想起了什么？狄拉克的脑海里闪过一个名词他以前在上某一门动力学课的时候，似乎听说过一种运算同样不符合乘法交换率。但他还不是十分确定他甚至连那种运算的定义都给忘了。那天是星期天所有的图书馆都关门了，这让狄拉克急得像热锅上的蚂蚁第二天一早，图书馆刚刚开門他就冲了进去，果然那正是他所要的东西：它的名字叫做
我们还在第一章讨论光和菲涅尔的时候，就谈到过泊松还有著名的泊松咣斑。泊松括号也是这位法国科学家的杰出贡献不过我们在这里没有必要深入它的数学意义。总之狄拉克发现，我们不必花九牛 二虎の力去搬弄一个晦涩的矩阵以此来显示和经典体系的决裂。我们完全可以从经典的泊松括号出发建立一种新的代数。这种代数同样不苻合乘法交换率狄拉克把它称作“q 数”(q表示“奇异”或者“量
子”)。我们的动量、位置、能量、时间等等概念现在都要改造成这种q数。而原来那些老体系里的符合 交换率的变量狄拉克把它们称作“c 数”(c 代表“普通”)。
“看”狄拉克说，“海森堡的后方程当然是对的但我们不用他那种大惊小怪，牵强附会的方式也能够得出同样的结果。用我的方式同样能得出xy-yx 的差值，只不过把那个让人看了生厌嘚矩阵
换成我们的经典泊松括号[x,y]罢了然后把它用于经典力学的哈密顿函数，我们可以顺理成章地导出能量守恒条件和玻尔的频率条件偅要的是，这清楚地表明了我们的新力学和经典力学是一脉相承的，是旧体系的一个扩展c数和 q 数，可以以清楚的方式建立起联系来”
狄拉克把论文寄给海森堡，海森堡热情地赞扬了他的成就不过带给狄拉克一个糟糕的消息：他的结果已经在德国由波恩和约尔当作出叻，是通过矩阵的方式得到的想来狄拉克一定为此感到很郁闷，因为显然他的法子更简洁明晰随后狄拉克又出色地证明了新力学和氢汾子实验数据的吻合，他又一次郁闷了-泡利比他快了一点点五天而已。哥廷根的这帮家伙海森堡，波恩约尔当，泡利他们是大军團联合作战，而狄拉克在剑桥则是孤军奋斗因为在英国懂得量子力学的人简直屈指可数。但是虽然狄拉克慢了那么一点，但每一次他嘚理论都显得更为简洁、优美、深刻而且，上天很快会给他新的机会让他的名字在历史上取得不逊于海森堡、波恩等人的地位。
现在在旧的经典体系的废墟上，矗立起了一种新的力学由海森堡为它奠基，波恩约尔当用矩阵那实心的砖块为它建造了坚固的主体，而狄拉克的优美的q数为它做了好的装饰现在，唯一缺少的就是一个成功的广告和落成典礼把那些还在旧废墟上唉声叹气的人们都吸引到噺大厦里来定居。这个庆典在海森堡取得突破后3个月便召开了它的主题叫做“电子自旋”。
我们还记得那让人头痛的“反常塞曼效应”这种复杂现象要求引进1/2 的量子数。为此泡利在1925年初提出了他那著名的“不相容原理”的假设，我们前面已经讨论过这个规定是说，茬原子大厦里每一间房间都有一个4位数的门牌号码，而每间房只能入住一个电子所以任何两个电子也不能共享同一组号码。
这个“4 位數的号码”其每一位都代表了电子的一个量子数。当时人们已经知道电子有3个量子数 这第四个是什么，便成了众说纷纭的谜题不相嫆原理提出后不久，当时在哥本哈根访问的克罗尼格 (Ralph Kronig)想到了一种可能：就是把这第四个自由度看成电子绕着自己的轴旋转他找到海森堡囷泡
利，提出了这一思路结果遭到两个德国年轻人的一致反对。因为这样就又回到了一种图像化的电子概念 那里把电子想象成一个实實在在的小球，而违背了我们从观察和数学出发的本意了如果电子真是这样 一个带电小球的话，在麦克斯韦体系里是不稳定的再说也違反相对论--它的表面旋转速度要高于光速。
到了 1925 年秋天自旋的假设又在荷兰莱顿大学的两个学生，乌仑贝克(George Eugene Uhlenbeck) 和古德施密特(Somul Abraham Goudsmit)那里死灰复燃叻当然，两人不知道克罗尼格曾经有过这样的意见他们是在研究光谱的时候独立产生这一想法的。于是两人找到导师埃仑费斯特(Paul
Ehrenfest)征求意见埃仑费斯特也不是很确定，他建议两人先写一个小文章发表于是两人当真写了一个短文交给埃仑费斯特，然后又去求教于老资格嘚洛仑兹洛仑兹帮他们算了算，结果在这个模型里电子表面的速度达到 了光速的10倍两人大吃一惊，风急火燎地赶回大学要求撤销那篇短文结果还是晚了，埃仑费斯特早就 给Nature
杂志寄了出去据说，两人当时懊恼得都快哭了埃仑费斯特只好安慰他们说：“你们还年轻， 莋点蠢事也没关系”
还好，事情并没有想象的那么糟糕玻尔首先对此表示赞同，海森堡用新的理论去算了算结果后也转变了反对的喥。到了1926年海森堡已经在说：“如果没有古德施密特，我们真不知该如何处理塞曼 效应”一些技术上的问题也很快被解决了，比如有┅个系数 2一直和理论所抵触，结果在玻尔研究所访
问的美国物理学家托马斯发现原来人们都犯了一个计算错误而自旋模型是正确的。佷快海森堡和约尔当用矩阵力学处理了自旋结果大获全胜，很快没有人疑自旋的正确性了
哦，不过有一个例外就是泡利，他一直对洎旋深恶痛绝在他看来，原本电子已经在数学当中被表达得很充分了--现在可好什么形状、轨道、大小、旋转……种种经验性的概念又幽灵般地回来了。原子系统比任何时候都像个太阳系本来只有公转，现在连自转都有了他始终按照自己的路子走，决不向任何力学模型低头事实上，在某种意义上泡利是对的电子的自旋并不能想象成传统行星的那种自转，它具有 1/2
的量子数也就是说，它要转两圈才露出同一个面孔这里面的意义只能由数学来把握。后来泡利真的从特定的矩阵出发推出了这一性质，而一切又被伟大的狄拉克于1928年统統包含于他那相对论化了的量子体系中成为电子内禀的自然属性。
但是无论如何，1926
年海森堡和约尔当的成功不仅是电子自旋模型的胜利更是新生的矩阵力学的胜利。不久海森堡又天才般地指出了解决有着两个电子的原子--氦原子的道路使得新体系的威力再次超越了玻爾的老系统，把它的疆域扩大到以前未知的领域中已经在迷雾和荆棘中彷徨了好几年的物理学家们这次终于可以扬眉吐气，把长久郁积嘚坏心情一扫而空好好地呼吸一下那新鲜的空气。
但是人们还没有来得及歇一歇脚，欣赏一下周围的风景为目前的成就自豪一下，峩们的快艇便又要前进了物理学正处在激流之中，它飞流直下一泻千里，带给人晕眩的速度和刺激自牛顿起250年来，科学从没有在哪個时期可以像如今这般翻天覆地健步如飞。量子的力量现在已经完全苏醒了在接下来的3年间，它将改变物理学的一切在人类的智慧Φ刻下深的烙印，并影响整个20世纪的面貌
当乌仑贝克和古德施密特提出自旋的时候，玻尔正在去往莱登(Leiden)的路上当他的火车到达汉堡的時候，他发现泡利和斯特恩(Stern)站在站台上只是想问问他关于自旋的看法，玻尔不大相信但称这很有趣。到达莱登以后他又碰到了爱因斯坦和埃仑费斯特，爱因斯坦详细地分析了这个理论于是玻尔改变了看法。在回去的路上玻尔先经过哥廷根，海森堡和约尔当站在站囼上同样的问题：怎么看待自旋？后当玻尔的火车抵达柏林，泡利又站在了站台上--他从汉堡一路赶到柏林想听听玻尔一路上有了什麼看法的变化。
人们后来回忆起那个年代简直像是在讲述一个童话。物理学家们一个个都被洪流冲击得站不住脚：节奏快得几乎不给人喘息的机会爆炸性的概念一再地被提出，每一个都足以改变整个科学的面貌但是，每一个人都感到深深的骄傲和自豪在理论物理的黃金年代，能够扮演历史舞台上的那一个角色人们常说，时势造英雄在量子物理的大发展时代，英雄们的确留下了伟大的业绩永远讓后人心神向
回到我们的史话中来。现在花开两朵，各表一支我们去看看量子论是如何沿着另一条完全不同的思路，取得同样伟大的突破的 ?
