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”假說后，“量子”在物理學(xué)界大有星火燎原的勢頭。1905年愛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，提出了一個半經(jīng)典半量子的量子化軌道原子模型。在這個模型中，電子仍然圍繞原子核做圓周運動，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動（即電子軌道是量子化的）。當電子從內(nèi)圈軌道跳躍到外圈軌道時，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，這個模型能有效解釋氫原子的可見光光譜，就可以了。

▲玻爾模型示意圖

但是，玻爾的原子模型還有個繞不開的困難——如何解釋斯塔克效應(yīng)。

斯塔克效應(yīng)由德國物理學(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作用下會發(fā)生分裂的現(xiàn)象，也叫做氫原子光譜的精細結(jié)構(gòu)。如果解釋不了精細結(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。好在索末菲及時為玻爾模型打上補丁，進行了必要的修正，將電子的圓形軌道改為橢圓軌道，并考慮高速運動電子的相對論效應(yīng)等。這樣就可以解釋氫原子光譜的精細結(jié)構(gòu)了。

不論是玻爾的原子模型，還是索末菲修正過的相對論性原子模型，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動，就像行星繞著恒星運動一樣。然而實驗觀測和數(shù)據(jù)中并未真正捕捉到電子沿軌道運動的證據(jù)。玻爾模型更像是一個脫胎于經(jīng)典物理圖像、打上了幾塊量子補丁的理論，湊合能用，離完美還差得遠。

物理學(xué)家們面臨一個選擇，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。”這話有點夸張了，不過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，他還在飽受花粉過敏之苦，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小島，離德國北方工業(yè)城市漢堡不遠，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，他扎進海水中暢游，吃得香、睡得好，讀著歌德的田園詩，望著窗外的美景出神……在這樣全然放空的狀態(tài)下，他開始嘗試用自己的方式傾聽原子的聲音，窺探量子的奧秘。

既然電子軌道無法觀測，不如不用，應(yīng)該使用可觀測的物理量（比如原子輻射的頻率、強度）來建立一種不依賴軌道運動的新力學(xué)。

在一個電閃雷鳴的夜晚，海森堡伏案疾書。他把輻射頻率和輻射強度排成陣列，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，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他說了些鼓勵的話。泡利后來在給朋友的信中寫到：“海森堡的力學(xué)讓我恢復(fù)了對生活的興趣。”

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

算起來，海森堡在黑爾戈蘭島只度過了兩周不到的時間。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，寫不出的時候不要硬寫。海森堡的經(jīng)歷告訴我們，想不通的時候，也不必硬想，不妨去休息吧。即便休息后未能幸運地找到靈感，至少我們也為接下來的工作做好了身心的準備。