如何科學(xué)地休假？這位量子物理學(xué)家選擇逃往海邊小島 | 量子百年1

1925年的夏天，年輕的海森堡處于一種“內(nèi)憂外患”的境地。

一年前，他在索末菲指導(dǎo)下完成了博士論文，然后前往哥本哈根。和玻爾工作一年后，海森堡又回到哥廷根大學(xué)物理研究所擔(dān)任玻恩（小編備注：玻恩不是玻爾）的助手。

▲1924-1925，海森堡很忙

自1900年普朗克提出“能量子”假說(shuō)后，“量子”在物理學(xué)界大有星火燎原的勢(shì)頭。1905年愛(ài)因斯坦借助量子概念解釋了光電效應(yīng)，1913年玻爾在盧瑟福行星軌道原子模型的基礎(chǔ)上引入量子化條件，提出了一個(gè)半經(jīng)典半量子的量子化軌道原子模型。在這個(gè)模型中，電子仍然圍繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)，但增加了一條關(guān)鍵規(guī)定，電子只能在某些固定的軌道上運(yùn)動(dòng)（即電子軌道是量子化的）。當(dāng)電子從內(nèi)圈軌道跳躍到外圈軌道時(shí)，需要吸收光子，反之放出光子。至于為什么這么規(guī)定，玻爾并未給出更深層的解釋——在他看來(lái)，這個(gè)模型能有效解釋氫原子的可見(jiàn)光光譜，就可以了。

▲玻爾模型示意圖

但是，玻爾的原子模型還有個(gè)繞不開(kāi)的困難——如何解釋斯塔克效應(yīng)。

斯塔克效應(yīng)由德國(guó)物理學(xué)家約翰尼斯·斯塔克（Johannes Stark）于1913年發(fā)現(xiàn)，指的是氫原子光譜線在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生分裂的現(xiàn)象，也叫做氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。如果解釋不了精細(xì)結(jié)構(gòu)，玻爾模型恐怕也將步盧瑟福行星模型的后塵，面臨被拋棄的命運(yùn)。好在索末菲及時(shí)為玻爾模型打上補(bǔ)丁，進(jìn)行了必要的修正，將電子的圓形軌道改為橢圓軌道，并考慮高速運(yùn)動(dòng)電子的相對(duì)論效應(yīng)等。這樣就可以解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)了。

不論是玻爾的原子模型，還是索末菲修正過(guò)的相對(duì)論性原子模型，都保留了“電子軌道”這一經(jīng)典物理圖像——電子圍繞中心的原子核運(yùn)動(dòng)，就像行星繞著恒星運(yùn)動(dòng)一樣。然而實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)據(jù)中并未真正捕捉到電子沿軌道運(yùn)動(dòng)的證據(jù)。玻爾模型更像是一個(gè)脫胎于經(jīng)典物理圖像、打上了幾塊量子補(bǔ)丁的理論，湊合能用，離完美還差得遠(yuǎn)。

物理學(xué)家們面臨一個(gè)選擇，要不要繼續(xù)將就下去。

泡利不想將就，同年5月，他在給朋友的信中抱怨道，“目前，物理學(xué)再次處于極度混亂之中。”這話有點(diǎn)夸張了，不過(guò)十分符合泡利毒舌的人設(shè)。

海森堡也不想將就，他決心為解決原子譜線之謎奮戰(zhàn)。同時(shí)，他還在飽受花粉過(guò)敏之苦，臉腫得厲害。在內(nèi)憂外患的夾擊下，海森堡決定出逃。1925年6月的一天，他從哥廷根出發(fā)，搭乘夜間列車，登上渡輪，前往“黑爾戈蘭島”——休假去了。

▲海森堡的朋友圈（小編杜撰版）

黑爾戈蘭島是北海中的一個(gè)小島，離德國(guó)北方工業(yè)城市漢堡不遠(yuǎn)，島上仍保留著近乎原始的自然狀態(tài)。高聳的紅巖峭壁，新鮮的海風(fēng)，讓海森堡的身心徹底放松。他沿著紅色峭壁邊的小路散步，他扎進(jìn)海水中暢游，吃得香、睡得好，讀著歌德的田園詩(shī)，望著窗外的美景出神……在這樣全然放空的狀態(tài)下，他開(kāi)始嘗試用自己的方式傾聽(tīng)原子的聲音，窺探量子的奧秘。

既然電子軌道無(wú)法觀測(cè)，不如不用，應(yīng)該使用可觀測(cè)的物理量（比如原子輻射的頻率、強(qiáng)度）來(lái)建立一種不依賴軌道運(yùn)動(dòng)的新力學(xué)。

在一個(gè)電閃雷鳴的夜晚，海森堡伏案疾書(shū)。他把輻射頻率和輻射強(qiáng)度排成陣列，采用了一套全新的數(shù)學(xué)方案，矩陣力學(xué)由此萌芽。海森堡興奮不已，很快返回哥廷根。途經(jīng)漢堡時(shí)，他迫不及待地將新成果拿給泡利看，以刻薄著稱的泡利師兄竟然對(duì)他說(shuō)了些鼓勵(lì)的話。泡利后來(lái)在給朋友的信中寫(xiě)到：“海森堡的力學(xué)讓我恢復(fù)了對(duì)生活的興趣。”

隨后在泡利、玻恩和約爾當(dāng)?shù)热说耐献飨拢仃嚵W(xué)逐漸完善，量子力學(xué)迎來(lái)了第一個(gè)數(shù)學(xué)形式體系，這標(biāo)志著舊量子論成為過(guò)去時(shí)，新量子理論開(kāi)始了。

算起來(lái)，海森堡在黑爾戈蘭島只度過(guò)了兩周不到的時(shí)間。這次休假成為量子力學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折，是一次“非常科學(xué)的休假”。

魯迅曾經(jīng)說(shuō)，寫(xiě)不出的時(shí)候不要硬寫(xiě)。海森堡的經(jīng)歷告訴我們，想不通的時(shí)候，也不必硬想，不妨去休息吧。即便休息后未能幸運(yùn)地找到靈感，至少我們也為接下來(lái)的工作做好了身心的準(zhǔn)備。