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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。
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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(shuí)也沒想到,接下來引發(fā)的是一場(chǎng)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。
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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。
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精力充沛的24歲的海森堡抽空訪問英國(guó)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(zhǎng)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。
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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。
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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。
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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。
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