历史

量子力学的创立(1/2)

    (为《沃尔纳·海森伯和当代物理学》一书而作)

    威尔纳·海森伯的六十寿辰,使我得到一个可欢迎的机会来谈谈我对当年的某些回忆;那时他在哥本哈根和我们一起工作并以那样的天才创立了量子力学的基础。

    在将近四十年前,在1922年的春天,我初次遇到了青年大学生海森伯。那是在哥廷根,我应邀到那里进行一系列关于原子构造之量子理论现状的演讲。索末菲及其学派,由于十分精通哈密顿和雅可俾发展起来的利用作用量不变量来处理力学体系的那些方法而取得了很大的进步,但是,将作用量子纳入古典物理学的无矛盾推广中的问题,却仍然包含着深刻的困难。对待这一问题的各种不同态度,引起了很活跃的讨论,而我很高兴地想起,当我强调对应原理作为进一步发展的指导时,人们、特别是青年听众们都很感兴趣。

    在这一场合下,我们讨论了索末菲以为最有希望的两个青年学生到哥本哈根来的可能性。泡利在同一年就已经参加了我们的集体,而海森伯则按照索末菲的建议还要在慕尼黑停留一年,以完成他的博士论文。在海森伯于1924年秋天到哥本哈根来住一较长时期之前,我们在前一年春天已经很高兴地在哥本哈根短期地见到了他。那时,我们就继续进行了在哥廷根开始的讨论,既在研究所中,也在长时间的散步中,而我对海森伯的少有的天赋也得到了更强烈的印象。

    我们的谈话接触到物理学和哲学中的许多问题,而且特别强调了对于有关概念的无歧义定义的要求。原子物理学问题的讨论,最重要地涉及了作用量子在与描述全部实验结果所用各概念的关系方面的奇特性质,而且,联系到这一点,我们也谈到了数学抽象在这儿也像在相对论中一样被证实为有用的那种可能性。在当时,我们面前还没有这种前景,但是物理概念的发展却刚刚进入一个新的阶段。

    我曾经和克喇摩斯及斯累特(Slater)合作,企图将个体的原子反应纳入古典辐射理论的构架中。虽然我们起初在能量和动量的严格守恒方面遭遇到一些困难,但是,这些研究却导致了作为原子和辐射场之间的联系纽带的虚报子这一概念的进一步发展。不久以后,克喇摩斯沿对应原理的路线发展起来的色散理论就将问题向前推进了一大步,这种理论与爱因斯坦关于吸收过程及自发发射、诱发发射等过程的普遍几率法则建立了直接的联系。

    梅森伯和克喇摩斯很快就进行了密切的合作,结果得到了色散理论的一次扩充。特别说来,他们研究了一种新颖的原子反应,这种反应和由辐射场引起的微扰有关。然而,在下述意义上这种处理仍然是半经验性的,那就是,仍然没有自圆其说的基础来推导原子的谱项或原子的反应几率。当时只有这样一种模模糊糊的希望:刚才谈到的色散效应和微扰效应之间的那种联系,或许可以用来逐渐地重新表述理论,通过这种再表述,可以一步一步地把经典概念的每一不适当的应用都消除掉。我们深切感到这样一种程序的困难,因此,当二十三岁的海森伯发现可以如何一蹴而就地达到目的时,我们大家都感到深为钦佩。

    通过用非对易算符来巧妙地表示运动学的和动力学的量,事实上他已经奠定了进一步的发展所即将依据的基础。新量子力学的形式化的完成,很快地就在他和玻恩及约尔丹的密切合作中得到了。在这方面我愿意提到,当收到约尔丹的一封信时,海森伯描述了他的感想,他的话大致是这样:“现在有学问的哥廷报数学家们这样起劲地谈论什么厄密矩阵,而我却甚至连什么是矩阵都不知道。”在访问剑桥时,海森伯曾把自己的新见解告诉了狄喇克;不久以后,狄喇克就成了能够针对自己的工作来自己创造适当数学工具的那种青年物理学家的另一个光辉范例。

    虽然新的表述形式显然已在量子问题的无矛盾表示方面得到了决定性的进步,但是,在一段时间之内,对应性的要求却似乎还没有完全得到满足。例如,我记得,泡利对氢原子能态的处理就是海森伯观点的早期的有成果应用之一,但是泡利本人却对当时的形势表示过不满意。他强调指出,月球在其绕地轨道上的位置可以测定,这应该是显而易见的,但是,按照矩阵力学,具有明确规定的能量的二体体系的每一个态,在有关的运动学量方面却只有统计的期许值。

    正是在这一方面,当时即将从物质粒子的运动和光子的波动传播之间的类比中看到新的光明;这种类比是德布罗意在1924年已经提到过