當(dāng)物理天才們也有了朋友圈…… | 量子百年2：如何科學(xué)地合作

1925年的6月，海森堡來到黑爾戈蘭島度假。在一個(gè)電閃雷鳴的夜晚，他將譜線頻率和強(qiáng)度排列成數(shù)組，發(fā)現(xiàn)了其中隱含的數(shù)學(xué)規(guī)律，并用這些規(guī)律來處理非諧振子問題。帶著這份海島靈感，海森堡滿意地離開了。

后人談起這段經(jīng)歷，往往把它稱作一次“改變物理學(xué)的度假”——他當(dāng)時(shí)所做的，就像輕輕推動(dòng)了一塊看似穩(wěn)固的巖石，誰也沒想到，接下來引發(fā)的是一場徹底改變理論圖景的“山崩”。在隨后短短一年里，三篇重磅論文相繼問世，正式宣告了量子力學(xué)矩陣形式的誕生！

在黑爾戈蘭島享受了幾天“科學(xué)的休假”之后，海森堡趁熱打鐵，迅速寫好了論文，他甚至等不及跟領(lǐng)導(dǎo)玻恩討論，就投了出去。身為玻爾的迷弟，他再次奔赴哥本哈根，臨走前將手稿交給玻恩審閱。

玻恩的數(shù)理功底非常扎實(shí)，一眼就認(rèn)出海森堡論文中搗鼓的那些晦澀難懂的數(shù)組正是“矩陣”。當(dāng)時(shí)矩陣運(yùn)算的代數(shù)規(guī)則已然成熟，這無疑為物理學(xué)家備好了現(xiàn)成的工具。海森堡的工作很有開創(chuàng)性，但還有很多需要完善的地方。

于是玻恩拉上學(xué)生約當(dāng)，一起搭建矩陣力學(xué)的初步框架，尤其指出矩陣代數(shù)對(duì)描寫原子能級(jí)躍遷的重要性。他們二人的工作也被整理成一篇論文，投了出去。不久，在哥本哈根“追星”的海森堡也得知玻恩和約當(dāng)?shù)淖钚逻M(jìn)展，雖然他此前對(duì)矩陣一無所知，但他很快就明白了是怎么回事。

精力充沛的24歲的海森堡抽空訪問英國劍橋，并報(bào)告了他新近的工作，聽眾中有一位23歲的青年才俊——狄拉克，他對(duì)海森堡的研究表現(xiàn)了濃厚的興趣并迅速抓住了要點(diǎn)，隨后撰寫長文系統(tǒng)地闡述其代數(shù)體系，并將其推廣為更一般的量子力學(xué)形式。

海森堡回到哥本哈根后，通過書信與哥廷根的玻恩、約當(dāng)繼續(xù)合作。11月，三人合著完成那篇著名的論文《關(guān)于量子力學(xué)》，將其投到《物理期刊》，建立起系統(tǒng)的矩陣力學(xué)框架，與狄拉克的研究不謀而合。

到這里，在眾人的合作下，矩陣力學(xué)基本成型，成為量子力學(xué)的第一種表述形式。

新理論能不能計(jì)算氫原子譜線呢？先前玻爾和索末菲用半經(jīng)典半量子的模型做過計(jì)算，矩陣力學(xué)能否得出相同的結(jié)果？急性子泡利接過了這個(gè)任務(wù)，他很快掌握了矩陣力學(xué)，解出了氫原子譜線，與玻爾的計(jì)算結(jié)果一致，有力地證明了矩陣力學(xué)的正確性與潛力。

回顧矩陣力學(xué)的創(chuàng)立過程，堪稱量子理論發(fā)展史中一段激動(dòng)人心的科學(xué)佳話。它起源于1925年海森堡在海島上的靈光乍現(xiàn)，由多位天才共同推動(dòng)、彼此啟發(fā)，書寫了科學(xué)合作的一段傳奇。

1925年由此成為量子理論發(fā)展的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折，舊量子論時(shí)代緩緩落幕，一個(gè)以矩陣力學(xué)為起點(diǎn)、更為深刻和自洽的量子力學(xué)新世紀(jì)，正式拉開序幕。