
1925年的6月,海森堡來到黑爾戈蘭島度假。在一個電閃雷鳴的夜晚,他將譜線頻率和強度排列成數組,發現了其中隱含的數學規律,并用這些規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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后人談起這段經歷,往往把它稱作一次“改變物理學的度假”——他當時所做的,就像輕輕推動了一塊看似穩固的巖石,誰也沒想到,接下來引發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矩陣形式的誕生!
在黑爾戈蘭島享受了幾天“科學的休假”之后,海森堡趁熱打鐵,迅速寫好了論文,他甚至等不及跟領導玻恩討論,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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玻恩的數理功底非常扎實,一眼就認出海森堡論文中搗鼓的那些晦澀難懂的數組正是“矩陣”。當時矩陣運算的代數規則已然成熟,這無疑為物理學家備好了現成的工具。海森堡的工作很有開創性,但還有很多需要完善的地方。
于是玻恩拉上學生約當,一起搭建矩陣力學的初步框架,尤其指出矩陣代數對描寫原子能級躍遷的重要性。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的最新進展,雖然他此前對矩陣一無所知,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劍橋,并報告了他新近的工作,聽眾中有一位23歲的青年才俊——狄拉克,他對海森堡的研究表現了濃厚的興趣并迅速抓住了要點,隨后撰寫長文系統地闡述其代數體系,并將其推廣為更一般的量子力學形式。
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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、約當繼續合作。11月,三人合著完成那篇著名的論文《關于量子力學》,將其投到《物理期刊》,建立起系統的矩陣力學框架,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,矩陣力學基本成型,成為量子力學的第一種表述形式。
新理論能不能計算氫原子譜線呢?先前玻爾和索末菲用半經典半量子的模型做過計算,矩陣力學能否得出相同的結果?急性子泡利接過了這個任務,他很快掌握了矩陣力學,解出了氫原子譜線,與玻爾的計算結果一致,有力地證明了矩陣力學的正確性與潛力。
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回顧矩陣力學的創立過程,堪稱量子理論發展史中一段激動人心的科學佳話。它起源于1925年海森堡在海島上的靈光乍現,由多位天才共同推動、彼此啟發,書寫了科學合作的一段傳奇。
1925年由此成為量子理論發展的關鍵轉折,舊量子論時代緩緩落幕,一個以矩陣力學為起點、更為深刻和自洽的量子力學新世紀,正式拉開序幕。
本文轉載自《墨子沙龍》微信公眾號

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