8.量子躍遷

對量子物理學持續存在的困境，有決定意義的解決方案在1925年6月初現曙光。23歲的維爾納·海森伯在格丁根患了嚴重的花粉熱，只好到寸草不生的北海島嶼黑爾戈蘭島上休養。用他的話說，他正在尋找一種新方法來解決包括原子結構在內的諸多問題，這時“在黑爾戈蘭島，有那么一刻，靈感突然閃現……已經是深夜了。我費力演算，他們做了驗算。后來我走出去，躺在一塊巖石上，面朝大海。看到太陽升起，我好開心”。海森伯利用了斯堪的納維亞夏天的極晝，一直工作到新的一天來臨。

海森伯已經將電子軌道的概念拋諸腦后，取而代之的是基于電子運動中可觀測物理量的一組抽象規則。在格丁根的高級理論家馬克斯·玻恩和他的學生帕斯夸爾·約爾丹（Pascual Jordan）的幫助下，這些想法很快擴展成了完全成熟的理論，這就是矩陣力學。

矩陣力學的影響并沒有馬上顯露出來，因為這個理論要用一種新穎的數學形式來表述，而幾乎所有的物理學家都還難以理解。9月23日，在寫給恩里科·佩爾西科的信中，費米說：“盡管海森伯在光譜學術語的大觀園里修成了正果，但在我的印象中，過去幾個月里并沒有什么新的進展。”佛朗哥·拉塞蒂還記得費米曾跟他說：“我在試著弄明白海森伯到底想說什么，但到現在我也還沒搞明白。”雖然他對格丁根大學取得的成就心懷敬意，這似乎還是驗證了他早年的想法，就是格丁根的物理學家過于依賴抽象數學方法了。費米需要清晰的物理圖景來展現他們在說什么。

剛開始，年輕的保羅·狄拉克也沒弄懂海森伯的理論，但他很快就看到了這個理論的精髓。1925年11月初，他提交了一篇題為“量子力學基本方程”的論文供發表。格丁根三杰甚至不知道有狄拉克這么個人，讀到他的文章讓他們大吃一驚：他得出了跟他們相同的結論。玻恩在回憶錄中寫道：“這是我科學生涯中最大的驚喜之一，我記得很清楚。狄拉克這個名字我完全沒聽說過，作者好像是個年輕人，但是一切都很完美，令人敬佩。”

確實是年輕人在引領物理學大步前進。到1926年2月底，已經有4篇重量級論文在過去12個月里發表，作者相對而言都是無名小卒。泡利、費米、海森伯、狄拉克，他們四個讓量子物理的世界地動山搖。25歲的泡利是其中年紀最大的。這也就難怪德國人開始管理論物理學叫“男孩子的物理學”了。

當然，物理學革命也并不完全是年輕人的事。1926年1月初，38歲的埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）正在瑞士阿羅薩度假村滑雪度假。但除了在山坡上飛流直下，或是迷住相伴左右的神秘情婦，他還有別的事情好忙活。

在他從阿羅薩度假回來后馬上寫就的一篇論文中，薛定諤重新引入了海森伯已經束之高閣的電子軌道，但他用的是一種使之形象化的新方法。在薛定諤版本的量子力學中，電子在原子中的運動由所謂波函數來引導。這為他解開了原子的秘密。

兩個月后，薛定諤成功證明，他的理論與矩陣力學在數學上是等價的，并稱之為波動力學。也就是說，其中一個理論的每一步，都可以在另一個理論中找到數學對應。這意味著只有一個基本理論，盡管這個理論顯然可以用兩種完全不同的形式來表述。至于這兩種表述中哪種更為可取，薛定諤對此固執己見。

在《海森伯-玻恩-約爾當量子力學與我的量子力學的關系》一文中，薛定諤通過腳注提出了上述觀點。他在腳注中寫道：“我完全不知道我的理論跟海森伯的有什么傳承關系。當然我聽說過他的理論，但他的算術表達方式超出一般常識，（對我來說）顯得太難了，而且不夠清晰。因此我感到被拒之門外，只能敬而遠之。”“敬而遠之”這個詞，就是固執己見的意思。

普朗克、愛因斯坦以及大多數理論物理學界的泰斗，都認同薛定諤對這兩種理論的評價，費米也是如此。拉塞蒂記得他這位朋友讀到薛定諤的文章時的反應，這與費米在接受海森伯的矩陣力學時他看到的冥思苦想形成鮮明對比。費米“對此了然于胸，并向身邊的幾個人大肆灌輸這一理論”。

讀過薛定諤的論文中所介紹的理論和技術，大批物理學家很快開始尋找其應用方法，結果捷報頻傳，讓人大喜過望，就像魔法師在使用魔法一樣。甚至那些已經解決了的問題，其答案也能通過薛定諤的波函數來重新描述和闡釋。狄拉克這位青年大師的另一篇論文中，對統計力學的處理就是一個例子。用薛定諤的方法，狄拉克很快得到并擴展了費米在6個月前得出過的結論。

狄拉克對費米早先的工作毫不知情，他在英國的《皇家學會報告》上就此問題發表了一篇文章。由于他的貢獻也非同小可，他們的工作成果“費米-狄拉克統計”便同時有兩個人的名字。然而，盡管他們的理論描述的是同樣的粒子，這種粒子卻只被叫作“費米子”。大量聚集起來的費米子叫作“費米海”，費米海的邊緣叫作“費米面”。這是費米的名字第一次在科學詞匯表中現身。

狄拉克發現格丁根三杰已經獨立得出過他關于量子力學的主要結果，而費米在得出“費米氣體”要符合的統計力學規律上也已經捷足先登，這肯定曾讓他感到灰心。但狄拉克的獨創性毋庸置疑。

海森伯看到波動力學比自己的矩陣力學更受歡迎，也有點沮喪。不過他感到，有什么關鍵因素缺失了。玻爾對量子理論領域的問題可能比其他任何人懂得都要多，他覺得海森伯是對的。更多震撼即將來臨。

為了破譯出仍可能缺失的到底是哪塊內容，海森伯于1926年秋天搬到了哥本哈根，跟玻爾一起工作。他們著手研究，量子力學真正的意義到底是什么。經過奮戰，他們在1927年形成了兩個新的概念：玻爾的互補原理強調了物質既是粒子又是波的自然屬性，而海森伯的不確定性原理對于同時測定互補變量建立了限制。這兩個原理成為一種詮釋類型的基礎，叫作“量子力學的哥本哈根詮釋”。這一詮釋的形成，意味著物理學改天換地的第二階段畫上了句號。

玻爾和海森伯提出的概念，在10月份于布魯塞爾舉行的久負盛名的物理學會議期間，提交給了物理學界。索爾維會議從1911年以來大致每三年舉辦一次，會議目的是讓幾十位世界頂級的物理學家歡聚一堂，討論當前最主要的科學議題，為期一周。1927年選定的主題是“電子和光子”，但與會人員都知道，真正的議題將是量子力學，其概念正在使物理學基礎發生革命性的劇變。

耐人尋味的是，1927年索爾維會議上的精英中，沒有意大利人的身影。他們認為沒有哪個意大利人值得被邀請參加這個高端盛會。到1930年舉辦下一屆盛會時，才有一個意大利人恩里科·費米躋身其間，他的出席標志著意大利終于邁入了國際物理學界。

1927年還有一個國際物理學會議，比索爾維會議還早一個月。跟索爾維會議不同，伏特會議是一次性的。這次會議名義上是為紀念亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta），即電池的發明人逝世一百周年。心照不宣的原因則是，意大利政府（特別是墨索里尼）想向世界證明，意大利也是科學精英社會的一分子。

會議在伏特的出生地科莫舉辦。位于科莫湖畔的這座小鎮風光宜人，受邀參會的人都被安排了舒適的住處以及難忘的乘船觀光。不知疲倦的費米甚至設法在秀麗的田園風光之外來了幾次遠足，登頂環繞湖泊的陡峭山坡，那里的小屋可以觀賞壯麗風景：北有白雪皚皚的阿爾卑斯山，南有一馬平川的意大利平原。

為確保組織安排上沒有任何不足或困難，墨索里尼要求有賴政府支持的意大利電力公司為會議各方面提供大量資金。科爾比諾私下對此做出了謹慎而誠實的評價，指出“意大利應該更多展現物理學而少一點熱情好客，也不應該自欺欺人地認為，贊助一場會議就可以代替科學上的成就了”。

邀請名單上的陣容十分強大。在受邀參會的61人中，有十好幾個已經獲得過諾貝爾獎，另外還有幾個會在未來捧得同樣的桂冠。很多人在接受邀請之前都猶豫不決，慕尼黑大學備受尊敬的資深教授阿諾爾德·索末菲寫信給兩位名聲顯赫的同事，這兩人跟他一樣秉持自由主義觀點。他在信中說：“我對是否參會有嚴肅認真的保留意見。因為我相信，意大利人不會放過把政治牽扯進來的良機，也肯定會搬出墨索里尼。”在舉棋不定之后，他們三人還是都去了科莫。但愛因斯坦拒絕與會，他不希望自己有任何機會被用于給墨索里尼的形象增光。

伏特會議備受矚目還有另一方面的原因。盡管第一次世界大戰已經過去將近十年，很多地方的氛圍還是挺緊張。從大戰以來還沒有一個大型國際物理學會議集結了來自所有參戰國家的代表，伏特會議是第一次。來自德國、法國、意大利、英國、奧地利、荷蘭、比利時、丹麥以及美國的頂尖物理學家出席了會議，從這個意義來講這次會議取得了極大成功。對意大利來說這也是宣傳機器的勝利。物理是另一回事。

跟索爾維會議不同，伏特會議的議題很寬泛，只是跟電和磁的現象松散關聯，這使得會議報告也范圍很廣。而伏特會議欠缺熱議焦點，也成了隨后舉辦的索爾維會議如此有名的原因之一。除了玻爾面對國際聽眾所做的關于哥本哈根詮釋的第一個報告，其他五十多份報告都乏善可陳。

但事后證明，索末菲的報告對意大利物理學有重大影響，因為其主旨是強調費米最近在統計力學方面的重要工作，這是理解金屬中導電現象的關鍵。意大利物理學家的成就要通過外國人的首肯才能得到承認，拉塞蒂沒有放過借此諷刺一把的機會：“人人都開始意識到費米做了什么了不起的事情，費米這才在意大利真正大出風頭。他在意大利的名聲是從德國傳回來的。”

為期一周的會議結束時，與會者來到羅馬。1927年9月19日，在卡比托利歐山由米開朗琪羅設計的臺階頂部，國家研究委員會現任主席馬爾科尼在墨索里尼面前正式歡迎他們的到來。場面堪稱不羞不臊，恬不知恥。墨索里尼和馬爾科尼像是從高處君臨天下一樣。隨后，“領袖”陪同大家前往他的住處托洛尼亞別墅參加聚會。他很高興能有機會在赫赫有名的聽眾面前趾高氣揚，大肆宣揚他領導下的國家在過去、現在和未來怎樣輝煌。對裝腔作勢、夸大其詞嗤之以鼻的費米，必然會感到厭惡。

盡管費米不可能對會議的政治意味感到愉快，他還是很高興看到會議對他禮遇有加。在科莫期間的紀念品之一是一張他和海森伯、泡利微笑著坐在一起的照片，身后就是科莫湖。一個意大利人，一個德國人，一個奧地利人：他們三人手中握著的，就是物理學的未來。

他們知道自己已經在物理學界發起了一場革命。他們不知道，如果無法理解泡利不相容原理、量子力學和費米-狄拉克統計，這個世界就不會有半導體、晶體管、計算機、核磁共振成像、激光，以及其他諸多發明，這些發明一起塑造了我們今天的生活。因此，實實在在地說，我們生活在他們創造的世界里。