巴马腕表批发销售联盟

《 上帝掷骰子吗?——量子物理史话》(五)

岭南天问阁2019-11-02 13:19:46


第五章  曙光  (书摘)

海森堡1901年出生于德国。

1922年,玻尔应邀到哥廷根进行学术访问,引起轰动,被称为哥廷根的“玻尔节”。

玻尔此行最大的收获可能就是遇到了海森堡和泡利,两个天才无限的年轻人。而这两人之后都会远赴哥本哈根,在玻尔的研究室和他一起工作。

玻尔在哥本哈根的研究所当时已具世界性的声名,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。

海森堡于1924年9月抵达哥本哈根。有一种思潮在哥本哈根流行: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本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。最明显的例子就是电子的“轨道”以及它绕着轨道运转的“频率”。

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。事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——矩阵Matrix。

矩阵Matrix实际上是一种二维的表格。

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。

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,从而导致一些更为惊世骇俗的结论。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,现在已经到了物理学该发生改变的时候了。物理学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,一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。

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?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。在经典力学中,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。

回到玻尔模型中来,一个电子的运动方程是怎样的呢?它应该是所谓的“能级”和时间的函数。在一个特定的能级X上,电子以频率vx作周期运动,这使得傅里叶分析有了用武之地,也可以将其展开为无限个频率为nvx的简谐振动的叠加。玻尔的理论正是用这种经典手法来处理的:简单而言,一个能级对应一个特定的频率v。

如果单独的能级X无法观测,只有 “能级差”可以,那么频率必然要表示为两个能级X和Y的函数。我们用傅里叶级数展开的,不再是nvx,而必须写成nvx,y——它竟然有两个坐标,这是一张二维的表格。

海森堡的表格和玻尔的不同,他没有作任何假设和推论,不包含任何不可观察的数据。但作为代价,它采纳了一种二维的庞大结构,每个数据都要用横坐标和纵坐标两个变量来表示。

现在有一个变量p,代表电子的动量,还有一个变量q,代表电子的位置。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?

海森堡说,物理学,必须从唯一可以被实践的数据出发,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,才能告诉我们唯一的真实。

他很快就获得了成功:事实上,只要把矩阵的规则运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出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子条件。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。

海森堡古怪的表格乘法无疑也让波恩困扰,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”!

对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怀疑态度。波恩不得不转向他那熟悉矩阵运算的年轻助教约尔当,两人合作写出了著名的论文《论量子力学》。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为矩阵的形式。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,它们并不遵守传统的乘法交换率,p×q ≠ q×p。 

他们把p×q和q×p之间的差值也算了出来: 

pq– qp = (h/2πi) I

h 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,相当于矩阵运算中的1。波恩和约尔当奠定了一种新的力学——矩阵力学的基础。

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,《论量子力学II》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个自由度,从而彻底建立了新力学的主体。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“三人论文”,注定要在物理史上流芳百世。

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。矩阵这种冷冰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?海森堡却始终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?就是从实验观测量出发,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。

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,但其中有一个非常显著的例外,他就是狄拉克。在量子力学大发展的年代,狄拉克的崛起总算也为老牌的剑桥挽回了一点颜面。

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。他轻易把握住了这种代数的实质。不遵守交换率?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,听说过一种运算,同样不符合乘法交换率,它的名字叫做“泊松括号”。

狄拉克发现,我们不必花九牛二虎之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。这种代数同样不符合乘法交换率,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”)。

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了,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。

到了1925年秋天,自旋假设又在荷兰莱顿大学死灰复燃了。

海森堡和约尔当用矩阵力学处理了自旋,结果大获全胜,很快没有人怀疑自旋的正确性了。


【原书】:


第五章 曙光 


      一

      属于海森堡的篇章要从 1924 年 7 月开始讲起。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中讲学的资格。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)的奖金,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,而这一数字很快就开始激增,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 日抵达哥本哈根,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 方更像是一所语言学校--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,1924,1925 年之交,物理学正处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已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,在每一个稳定的原子 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有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,它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 均情况。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“虚拟的物理学”。

      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时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 理论终于还是中途夭折,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 着物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,这当然是一个坏消息,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。海森堡无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无与伦比,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 更好地衬托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。人们像众星拱月一般围绕在他身边,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,他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,在哥本哈根那“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,有一种思潮在哥本哈根流行开来。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本哈根访问 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虚振子的方法,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,障碍实在太大,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,这是因为他是卓别林的 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。事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,叫人难以把握,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,不相信也罢, 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。      从数学的意义上翻译,Matrix 在中文里译作“矩阵”,它本质上是一种二维的表格。比如像下面这个 2*2 的矩阵,其实就是一种 2*2 的方块表格: 

  ┃1    2┃

  ┃3    4┃ 

      

也可以是长方形的,比如这个 2*3 的矩阵:

           

┃1   2   3┃      

┃4   5   6┃      


      读者可能已经在犯糊涂了,大家都早已习惯了普通的以字母和符号代表的物理公式,这种古怪的表格 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?你怎么把两个表格加起来,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的,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,从而导致一些更为惊世骇俗的结论。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 已经到了物理学该发生改变的时候了。

      我们这就出发开始这趟奇幻之旅。        


二      

      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,一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。    

  我们再来回顾一下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。每个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的能量差。

      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?诚然轨道的图景是人们所熟悉的,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”,并实际测量一个轨道 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, 那么人们怎么得出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。每一条光谱线都有一种 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。小时候的乐趣之一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:不管你从哪个站上车,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,如果一直坐到虹口体育场,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,而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 块钱。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 12=3.5 元作为车费。反过来, 如果我从 D 站上车到 A 站,那么道理是一样的:1 0.5 1=2.5 块钱。

      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让人参考。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来, 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 1,C 站的坐标是 1.5,D 站的坐标是 2.5,而 E 站的坐标是 4.5。这就行了,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”,所有的情况都完全可以包含在下面这 个表格里:   

  

 站点           坐标(车费能级)     

 A                          0      

 B                          1      

 C                         1.5      

 D                          2.5      

 E                          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,这是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。比如我从 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,我所能唯一观察和体会到的,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谓“坐标”,或者“能级”。

      那么,怎样才能仅仅从这些可以观察的事实上去建立我们的车费规则呢?海森堡说,传统的那个一维 表格已经不适用了,我们需要一种新类型的表格,像下面这样的:     


               A           B            C          D          E      

 A             0            1         1.5         2.5        4.5    

 B            1            0          0.5         1.5        3.5    

 C           1.5         0.5        0             1           3     

 D            2.5         1.5        1            0           2   

 E            4.5         3.5        3             2          0  


    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。比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,他就可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,这种区别的意义有那么 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 所以那么简洁,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。这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。 

     在经典力学中,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,它可以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细微沙沙声。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球,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,从基因的角度说也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择,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。这个运动同 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,海森堡准备对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,代表电子的位置。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? 

     这个问题问得好: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 号线在某地的收费情况。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   1    2    

 B   3    1     


 II 号线(矩阵 II):     

        A     B    

  A    1     3    

  B    4     1   


   好,我们再来回顾一下这两张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 块钱看成某种起步费。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 和 II。I×II 等于几?      让我们把习题完整地写出来。现在,boys and girls,这道题目的答案是什么呢?    

      

  ┃1 2┃         ┃1 3┃     

  ┃3 1┃    ×   ┃4 1┃=?      

      

*********      饭后闲话:男孩物理学 

     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只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,躺了好几个礼拜。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的天下。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,乌仑贝克 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。  

    

  三    

      上次我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的比喻,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 的表格。      


    ┃1 2┃            ┃1 3┃          ┃a b┃   

    ┃3 1┃    ×      ┃4 1┃   =   ┃c d┃      


     但是,那答案到底是什么?我们该怎么求出 abcd 这四个未知数?更重要的是,I×II 的意义是什么 呢?

      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 是什么呢?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,期间转乘 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,因为我们的路线可能不止有一种,a 实际代表的是所有收 费情况的“总和”。

      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 号线 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 地再上 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 第二行第 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 号线再下来,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,我们的终答案,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 b。b 代表先乘 I 号线然后转乘 II 号线,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 第一行第一列)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 号线原地上下,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。 

     大家可以先别偷看答案,自己试着求 c 和 d。后应该是这样的:c=3×1+1×4=7,d=3×3+1×1 =10。所以:       

     ┃1 2┃        ┃1 3┃         ┃9   5┃  

     ┃3 1┃  ×    ┃4 1┃   =  ┃7  10┃    


       很抱歉让大家如此痛苦不堪,不过我们的确在学习新的事物。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。圣人说,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 遍。哦,不要昏倒,不要昏倒,其实没有那么乏味,我们可以把乘法的次序倒一倒,现在验算一遍 II×I:        

    ┃1 3┃      ┃1 2┃         ┃a b┃   

    ┃4 1┃  ×  ┃3 1┃   =  ┃c d┃      


     我知道大家都在唉声叹气,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 地上 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页,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,这次可要打起精神了: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 地下车(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 地(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。那么,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。

      我们不妨把结果整个算出来:   

     

   ┃9   5┃      I×II     =  ┃7 10┃            

   ┃10 5┃      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,必须从唯一可以被实践的数据出发,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,才能告诉我们唯一的真实。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,这和先搭乘 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?

      好吧,有人讽刺地说,那么牛顿第二定律究竟是 F=ma,还是 F=am 呢? 

     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。

      他无法做更多的口舌之争了,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,只要把矩阵的规则运用到 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出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子条件。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,无论对于海森堡,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,量子论将以一种 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的 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。  


    *********      饭后闲话:矩阵  

    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,回到哥廷根后,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,正是线性代数里学到的“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,这个字后来变成了另外一个意思,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,大学线性代数课还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当随即 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伟大的相对论提供了 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(除了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。   


     四  


      从赫尔格兰回来后,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,对于我们一直追求的那个体系来说,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》 (Zeitschrift fur Physik),并于 7 月 29 日发表。这无疑标志着新生的量子力学在公众面前的首次亮相。 

     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,而且是正确的。”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”!

      但是对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,不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 换统统改造成为矩阵的形式。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,它们并不遵守传统的乘法交换率,p×q≠q×p。

      波恩和约尔当甚至把 p×q 和 q×p 之间的差值也算了出来,结果是这样的:      pq -qp =(h/2πi) I    

   h 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 运算中的 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而然地跳了出来,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 为一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个自由度,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“三人论文”(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)的信里,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合得非常完美,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。矩阵这种冷冰冰的东西实在 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?海森堡却始终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?就是从实验观测量出发,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家都松了 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,矩阵力学本身的伟大含义是不容疑的。

      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,其中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,狄拉克的崛起总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,当时是一位法语教师,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。但狄拉克的童年显然要悲惨许多,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 这种语言),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,社交活动也几乎没有。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样说的: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。”狄拉克看着他久 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的工程师,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,狄拉克转到剑桥,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。当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,在晚上聚会,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,得知他已经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。  


    *********      饭后闲话:约尔当   

   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 理史上两篇重要的论文《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。

      这里面的原因显然也是多方面的,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,他是一个害羞和内向的人,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,成为一个纳粹的同情者,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。约尔当后来显然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, 约尔当的贡献应当得到更多的承认。 



     五    

        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,而他们的文章尚未发表。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,图书馆刚刚开门,他就冲了进去,果然,那正是他所要的东西:它的名字叫做 “泊松括号”。

      我们还在第一章讨论光和菲涅尔的时候,就谈到过泊松,还有著名的泊松光斑。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 二虎之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。这种代数同样不符合乘法交换率,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的矩阵 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。重要的是,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了,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分子实验数据的吻合,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,他们是大军团联合 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,但每一次他的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新大厦里来定居。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,在原子大厦 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 位数的号码”,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。不相容原理提出后不久,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。他找到海森堡和泡 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实在在的小球,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,再说也违反相对论--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)那里死灰复燃了。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的洛仑兹。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, 做点蠢事也没关系。”    

  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 转变了反对的度。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,比如有一个系数 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。很快海森堡和约尔当 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,他一直对自旋深恶痛绝。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 年统统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 越了玻尔的老系统,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,把长久郁积的坏心情一扫而空,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,我们的快艇便又 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,科学从没有在哪个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,在人类的智慧中刻下深的烙印,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 的时候,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台上。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 了什么看法的变化。      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,在理论物理的黄金年代,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,永远让后人心神向 往。

      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。  




热点文章链接:

【文明与历史】

(1)中国人,你真的不了解杨振宁

(2)卡辛斯基的警告

(3)阿里巴巴到底是哪一派?

(4)长安不见使人愁——帝国的斜阳与转机

(5)2017,瞭望硅石代的夕阳黄昏

(6)爱因斯坦1921年在获得诺贝尔物理奖时的演讲:《我的信仰 》

(7)普林斯顿大学演讲:伟大的人生只与选择有关,与天赋、贫富无关


【望星空】

(1)把宇宙138亿年压缩到1年: 看完怀疑人生

(2)机器人可能抢走你的工作:准备好失业了吗?

(3)苍天有情自何始:地球生命起源之谜(1)

(4)天地玄黄、宇宙洪荒:宇宙大爆炸理论介绍

(5)地球生命起源之谜(2):大分歧,三派逐鹿俱称先

(6)人工智能与量子计算,通向黑暗世界的地狱之门?(上)

(7)施一公:我的认知再度崩塌了,世界可能根本就不存在




关注本公众号请长按下面二维码,弹出菜单中选择“识别图中二维码”



Copyright © 巴马腕表批发销售联盟@2017