當物理天才們也有了朋友圈…… | 量子百年2：如何科學地合作

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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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