神童對(duì)寶駒，粒子對(duì)波形

毫無(wú)疑問(wèn)，海森堡的光輝發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著物理學(xué)中最偉大的突破時(shí)刻之一。但它也樹(shù)立起了這樣一個(gè)觀點(diǎn)：靠直覺(jué)來(lái)理解原子內(nèi)部在發(fā)生什么是行不通的。當(dāng)埃爾溫·薛定諤于1925年12月發(fā)現(xiàn)了一個(gè)把電子描述為波的方程時(shí)，這一點(diǎn)就變得顯而易見(jiàn)。

順便提一下當(dāng)時(shí)的情況是，薛定諤的婚姻再一次出現(xiàn)了麻煩。他的妻子安妮與他最要好的朋友，數(shù)學(xué)家赫爾曼·外爾（Hermann Weyl）有了戀情，而外爾的妻子則愛(ài)上了物理學(xué)家保羅·謝爾（Paul Scherrer）。哪怕對(duì)于“賽場(chǎng)寶駒”薛定諤，這也是太過(guò)分了，他決定帶上一位舊情人，離開(kāi)蘇黎世，去阿羅薩過(guò)圣誕節(jié)。離他開(kāi)始行程還只剩一兩個(gè)星期的時(shí)候，薛定諤注意到了德布羅意的假說(shuō)，電子可以被理解為波。那么這幅畫(huà)面所缺的就是用方程來(lái)描述這樣一種波的能量和時(shí)間演進(jìn)了。外爾以為，薛定諤在阿羅薩的兩個(gè)星期中肯定經(jīng)歷了“一場(chǎng)遲來(lái)的艷情大爆發(fā)”[19]。事實(shí)上，當(dāng)薛定諤1926年1月初返回蘇黎世的時(shí)候，他隨身帶著的是用于求解量子波的方程的第一稿。他深信，“只要我能……解開(kāi)它，它一定會(huì)非常美麗”[20]。在外爾的幫助下，到了1月底的時(shí)候薛定諤不僅解開(kāi)了他的方程，還確定了氫原子光譜，并把他的研究結(jié)果付諸出版。

這下市場(chǎng)上就有了兩個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)的理論。一個(gè)對(duì)大自然的描述是，粒子以量子躍遷的方式從一個(gè)地方移動(dòng)至另一個(gè)地方，受到概率法則的約束；而另一個(gè)對(duì)它的描述則是通過(guò)“具有確定性”的連續(xù)波形。一旦在時(shí)間中的某個(gè)瞬間知道了薛定諤波形的狀態(tài)，就可以輕而易舉地確定它未來(lái)的演進(jìn)。與海森堡的矩陣力學(xué)不同的是，薛定諤的波形力學(xué)既優(yōu)雅又富有直覺(jué)，要掌握它也不需要使用物理學(xué)家們不熟悉的數(shù)學(xué)工具。薛定諤總結(jié)道，粒子，很快就會(huì)顯出來(lái)它什么也不是，只不過(guò)是一束互相重疊的波產(chǎn)生了一堆能量，與大海中偶爾出現(xiàn)的畸形波相似。

海森堡不這么認(rèn)為。“我越對(duì)薛定諤理論的物理學(xué)部分進(jìn)行思考，我越覺(jué)得它令人反胃，”他這樣寫信給泡利，“薛定諤所寫的那些關(guān)于他的理論可以被視覺(jué)化的內(nèi)容，可能不大正確，換句話說(shuō)它就是排泄物而已。”[21]甚至在薛定諤已經(jīng)證明了他的方法再現(xiàn)出了與海森堡同樣的結(jié)果時(shí)，這場(chǎng)爭(zhēng)論仍怒不可遏地繼續(xù)著。事實(shí)上，后來(lái)證明薛定諤的波理論確有問(wèn)題。如果把它們解釋為正常空間中的一些振蕩場(chǎng)，則它們消散的速度太快了，沒(méi)辦法用來(lái)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中觀察到的像粒子一樣的表現(xiàn)。馬克斯·玻恩證明，波的振幅可以被解釋，這樣就可以為在相應(yīng)位置找到一個(gè)粒子提供一個(gè)概率[22]；后來(lái)又把薛定諤的量子波考慮為并非一個(gè)真實(shí)的物體，而只不過(guò)是一個(gè)工具，玻恩形容為“是純粹數(shù)學(xué)上的東西”[23]。通過(guò)規(guī)定量子物理學(xué)的法則只產(chǎn)生概率，而非具體的因果關(guān)系，玻恩犧牲掉了“因果”和“確定性”這兩個(gè)原則，這是從伊薩克·牛頓以來(lái)舊的、“經(jīng)典”物理學(xué)核心里面的東西：在物理學(xué)世界里沒(méi)有任何事物會(huì)無(wú)緣無(wú)故發(fā)生；以及知道了一個(gè)物理系統(tǒng)在某一時(shí)刻的確切狀態(tài)之后，就有可能確定它以后的行為表現(xiàn)。玻爾和海森堡同意玻恩的看法。他們認(rèn)可薛定諤的形式理論使許多計(jì)算得以簡(jiǎn)化，但都同樣否定了薛定諤的波理論與原子內(nèi)部的真實(shí)情況能有任何關(guān)聯(lián)。海森堡后來(lái)這樣回憶道，“雖然玻爾正常情況下在與人打交道的時(shí)候最為周到且友善，但他現(xiàn)在令我吃驚，差不多就像個(gè)決絕的狂熱分子，一個(gè)不打算做出最微小讓步或行一點(diǎn)點(diǎn)方便的人”[24]。

在這個(gè)時(shí)候，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦越來(lái)越坐不住了。在接下來(lái)的1926年春天，海森堡出差到柏林舉辦講座。在他作完報(bào)告之后，愛(ài)因斯坦邀請(qǐng)這個(gè)年輕人去他的公寓。他們剛一到那里，愛(ài)因斯坦就開(kāi)始向海森堡的思路發(fā)起挑戰(zhàn)。海森堡的想法是把世界分成兩個(gè)單獨(dú)的領(lǐng)域：我們?nèi)粘Ｉ畹慕?jīng)典世界（在這里所有東西都有確定的位置和特性，物理法則的因果關(guān)系決定著它們的未來(lái)走向），以及一個(gè)量子領(lǐng)域，它是不能用日常語(yǔ)言描述的。更糟的是，愛(ài)因斯坦批評(píng)道，由于海森堡的形式體系完全放棄了原子內(nèi)部的電子軌道這個(gè)概念，它就解釋不了量子領(lǐng)域的真正性質(zhì)，它只是把觀察者由測(cè)量結(jié)果得到的認(rèn)知總結(jié)了一下。“你是在非常薄的冰面上移動(dòng)呢”[25]，他警告海森堡。愛(ài)因斯坦有這種感覺(jué)，量子力學(xué)一定還不完整，表象下面應(yīng)該有個(gè)隱態(tài)的內(nèi)在真相。海森堡失落地離開(kāi)了那次會(huì)面，因?yàn)闆](méi)能說(shuō)服他如此敬仰的這位人物。不管怎樣，愛(ài)因斯坦的一些論點(diǎn)還是擊中了要害。

與愛(ài)因斯坦會(huì)晤之后，海森堡緊接著就面臨一個(gè)艱難的選擇。在盤算好去哥本哈根接受尼爾斯·玻爾門下的另一個(gè)博士后職位之后，又有人向這位才華橫溢的年輕人開(kāi)出去萊比錫的價(jià)碼，是個(gè)教授職位。不到三年之前，海森堡差點(diǎn)就沒(méi)通過(guò)他的博士學(xué)位考試，因?yàn)樗麑?duì)顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡的分辨率或電池的功能這類簡(jiǎn)單問(wèn)題都沒(méi)能回答上來(lái)。威廉·維恩（Wilheim Wien），1911年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的領(lǐng)頭人，甚至以前就對(duì)這位年輕理論家的實(shí)驗(yàn)室實(shí)操課成績(jī)之差萬(wàn)般無(wú)奈，現(xiàn)在在海森堡的導(dǎo)師阿諾德·索末菲（Arnold Sommerfeld）的勸說(shuō)下，只能勉強(qiáng)同意讓他通過(guò)，給他判了中等偏下的成績(jī)。海森堡嚇壞了，毫不夸張地說(shuō)，他逃離了慕尼黑，連夜乘火車跑到哥廷根，單為第二天早上能出現(xiàn)在馬克斯·玻恩面前，并且臉上帶著慚愧的表情，吃不準(zhǔn)人家是不是還歡迎他來(lái)到這個(gè)博士后的位置。這段時(shí)期的戰(zhàn)后德國(guó)，在饑餓、世道艱難和住房緊缺仍然普遍存在的情況下，他卻差不多要婉拒這份去萊比錫做教授的開(kāi)價(jià)，對(duì)于這么年輕的一位科學(xué)家來(lái)說(shuō)這可是天大的榮譽(yù)。雖然他父親是拜占庭研究方面的教授，極力催促他去接受萊比錫的職位，但愛(ài)因斯坦和其他資深物理學(xué)家都勸他去跟著玻爾工作。海森堡決定賭一把高風(fēng)險(xiǎn)，就去了哥本哈根。“我總會(huì)再接到邀請(qǐng)的，否則就不該是我的。”[26]他對(duì)父母擔(dān)保說(shuō)。

量子力學(xué)的哥本哈根派詮釋的發(fā)展舞臺(tái)就這樣鋪就了。在物理學(xué)的基礎(chǔ)研究方面，它既是祝福也是詛咒，持續(xù)了差不多一個(gè)世紀(jì)之久。