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主题:【原创】《量子》----第九章·姗姗来迟的桃色事件(1) -- 奔波儿

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家园 【原创】《量子》----第九章·珊珊来迟的桃色事件(6)

2月20日,当薛定谔的第一篇论文付梓之时,他在文中首次使用了一个新名词----“Wellenmechanik”,即“Wave Mechanics(波函数运动方程)”来描述自己的新理论。海森堡的矩阵力学是由高度抽象的公式组成的,至多是暗示出一幅图像,简单的有些寒碜,而与此形成鲜明对比,薛定谔则为诸位物理学家提供了替代工具,他的理论运用了十九世纪以来物理学界较为熟悉而笃信的理论。薛定谔将神秘的矩阵置之一旁,运用了微分方程,该理论是数学物理诸领域的一个关键性工具。海森堡的矩阵力学只是解释了量子跃迁和间断,但对原子内部到底是如何运作的却只字未提。而薛定谔则告诉物理学家没必要去“泯灭自己的直觉,而纠结于诸如跃迁概率、能级等抽象概念”。故此,物理学家们张开双臂,以极大的热情迎向波函数运动理论。

薛定谔在收到论文的复本后,将其寄给了同行们,他急切想了解他们的看法。普朗克在其4月2日的回信中说自己“就像一位一直以来急于知道谜底的孩子一样”阅读了他的论文。两周后,他又收到了爱因斯坦的来信,在信中,爱因斯坦赞道“你的成就堪称天才之作”。“哪怕半个世界都在反对我,但只要有了你和普朗克的支持,我无所畏惧”,他在回信中写道。爱因斯坦认为薛定谔已经取得了决定性的成果,对此他确信无疑,“就像我确信海森堡---玻恩方法误入歧途一样”。

其他人则用了更多的时间才了解到薛定谔这一次“珊珊来迟的桃色事件”的重要意义。索末菲起初认为波函数运动理论“完全是疯狂的”,之后才改变了自己的观点并宣称:“尽管矩阵力学所包含的真理是不容置疑的,但它的理论实在是太过复杂和抽象。薛定谔现在成为了我们大家的救星。”对于其他人而言,波函数运动理论所用的都是他们一向熟知的方法,因而他们更乐于学习并开始使用这一理论,而不用再受海森堡及其哥廷根同仁所推崇的抽象而奇特的理论的折腾。“薛定谔方程就像是一位大救星,”年轻的自旋博士乔治·乌伦贝克写道,“现在,我们再不需要去掌握那个稀奇古怪的矩阵数学了。”埃伦费斯特、乌伦贝克和莱顿大学的其他人连着好几周“站在黑板前,每次长达数小时”,为的是深入理解波函数方程的每一处精彩的细节。

泡利与哥廷根的众人一向以来保持着良好的关系,但他认为薛定谔的工作具有特别的意义,并深入了解了这一理论。尽管泡利将矩阵力学的理论已经成功地运用到氢原子上,但他却对外三缄其口,以至于后来大家都对他所发表论文的效率和质量惊叹不已。1月7日,即薛定谔寄出他的第一篇论文的前十天,泡利将自己的论文也寄送到可《物理学学报》。当泡利发现利用薛定谔的波函数运动理论能更容易地破解氢原子的奥秘之时,他有些吃惊。“我认为这篇文章是最近所发表的诸多论文中最为杰出的一篇,”,他对帕斯库尔·乔丹说“你应该认真地、热忱地读一读这篇文章。”没过多久,六月间,玻恩将波函数运动理论描绘为“最基本的量子定律”。

当海森堡得知玻恩转而投向波函数运动理论的阵营之后,他对乔丹说自己“心里非常不快”。尽管海森堡承认薛定谔的论文由于使用了大家喜闻乐见的数学理论因此“异常引人注目”,但是他坚持认为在物理领域,当在原子尺度上对各种现象做出解释方面,自己的矩阵力学要更胜一筹。“我认为你的波函数运动理论更具有显著的物理意义的观点,但海森堡从一开始就并不认同我的观点”,玻恩在1927年的5月向薛定谔说。当时,这已经不是什么秘密了。海森堡也不想掩饰自己的观点。擂台上的两方都输不起。

春天已逝,1925年的夏日姗姗而来,但与原子物理相对应的量子力学依旧没有出台,它们之间的关系就像当初牛顿力学和经典力学的关系一样。一年之后,这两种截然不同的理论,即粒子理论和波理论,依旧并驾齐驱。当面对相同的问题时,二者都能给出完美的答案。但是,矩阵力学和波函数运动理论之间到底存在什么样的联系呢?在薛定谔完成他那篇堪称石破天惊之作的论文之后,这个问题就一直萦绕在他的脑海里。在经过为期两周的苦苦思索之后,他没有找到任何线索。“显而易见,”他在写给威廉海姆·维恩的信中坦承,“我自己已经放弃任何更进一步的努力,”他其实也没什么值得丧气的,因为他承认“早在我开始思考自己的理论之前,我对矩阵运算就一直退避三舍”。但他还是不愿罢手,一直到他在3月初的时候发现了这二者之间的联系。

这两套理论在形式和内容上泾渭分明,一个是使用波函数运动理论,而另一个则是用矩阵代数,前者描述的是波,而后者则关注的是粒子,但它们在数学上却是完全一致的。而且它们所给出的答案都是正确的,这一点无容置疑。如果量子力学拥有两套形式各异但却保持一致性的理论,好处是明显的。对于物理学家所遇到的大部分问题,薛定谔的波函数运动理论都能给出一条通向谜底的捷径。但对于其它一些问题,诸如自旋现象,海森堡的矩阵力学则是首选。

在这两套理论中,到底谁才是正确的呢?对阵双方恍如针尖对麦芒,争论日渐激烈,而人们的注意力也逐渐从其数学形式转移到其物理解释上去。这两套理论在技术上而言,半斤八两,但它们各自所包含的物理意义却各不相同:薛定谔的理论所用的是波,并具有连续性;而海森堡则用的是粒子,是非连续的。这俩人都坚信自己的理论才真正抓住了物理的本质。但是,他俩都错了。


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