刘友朋
1925年6月6日，星期六，维尔纳·海森堡抵达黑尔戈兰岛，住进了一家小旅馆二楼一间可以俯瞰北海的安静房间。
接下来的十天，孤独凄凉的小岛上发生的事情，让后代物理学家津津乐道。从黑尔戈兰岛掀起的量子革命，搅动了天才们的头脑，迄今百年尚未平息。
花粉过敏的“副产品”
“量子”概念的提出要追溯到马克斯·普朗克1900年研究光的吸收和发射。普朗克发现，光的能量只能以某个最小单位的倍数来传递。因此他不得不提出了“量子”的概念，称之为“纯粹的绝望之举”。
“量子”是经典物理学上的一块补丁。一些物理学家称其“丑陋”“怪诞”“令人反感”。阿尔伯特·爱因斯坦、沃尔夫冈·泡利、马克斯·玻恩、尼尔斯·玻尔等当时的著名物理学家都试图在经典框架下解释量子现象，但都不尽如人意。
海森堡出生于1901年12月5日，他英俊潇洒，有音乐天赋和艺术气质，还有强烈的过敏体质。1923年夏天，海森堡获得慕尼黑大学博士学位后，在哥廷根大学师从玻恩做研究。与其他人一样，海森堡尝试为量子现象构建数学框架。
1925年6月，被花粉过敏困扰的海森堡，乘船去黑尔戈兰岛躲避花粉。他咳嗽、打喷嚏、脸肿得厉害，以至于旅馆的房东太太以为他打架了。
小岛距离大陆50公里，面积不足1平方公里，四周陡崖，悬于海面，绵羊和海鸟是这里的“东道主”。海森堡多年后回忆，他在黑尔戈兰岛上精神焕发，每天都散步、游泳，并继续思考量子现象。
或许问题就出在试图将量子现象转化为可视化形体，或许量子现象根本就不是实体属性？海森堡试着放弃将原子视为一个有轨道和行星的小太阳系，认为这是超出实验范围的想象。他转而聚焦可观测的量——原子发出的光的颜色和强度。这样一来，解释量子现象就完全不需要经典的物理学假想。海森堡勾勒出一个全新的、粗略的数学框架。
必须解决的一个问题，是让新的量子方程式符合能量守恒定律。这天晚上，海森堡和往常一样埋头计算。“当第一个项似乎与能量原理相符时，我兴奋不已。”直到凌晨三点，他计算出了最终结果。这个结果让他瞥见了一个新世界。
“我深感震惊。”海森堡写道，“我感觉透过原子现象的表面，我看到的是奇异而美丽的内部结构。想到现在我必须探索大自然如此慷慨地展现在面前的丰富的数学结构，我一阵眩晕。我兴奋得睡不着觉，新一天要来了，我去了岛的南端，那里有块石头伸入海中，我一直渴望攀登。现在，我毫不费力地就爬上去了，等待着太阳升起。”
被打磨圆润的璞玉
海森堡自述的“Eureka！”（我发现了！）时刻，未必全是事实。有历史学家考证认为：海森堡很可能在上岛之前和之后完成了大部分突破性的工作。而且，海森堡在1925年6月和7月写给沃尔夫冈·泡利的几封信表明，他最初对自己的理论和计算结果非常不确定；他还把手稿交给了前导师马克斯·玻恩审阅，询问是否值得提交。
也有学者认为，脱离玻尔、玻恩、泡利等意见相左的同事，是海森堡成就的关键。为了实现最大胆的智力突破，海森堡必须离群索居，享受暂时的孤独和自由。
无论岛上究竟发生了什么，海森堡抵达黑尔戈兰岛10天后就离开了。1925年7月29日，海森堡向《物理学杂志》提交了论文《关于运动和力学关系的量子理论重新诠释》。《物理学杂志》是一份较新的德国杂志，专门发表前沿研究成果。海森堡在文章中写道：“似乎更明智的做法是彻底放弃对迄今为止无法观测的量（例如电子的位置和轨道周期）进行观测的任何希望。”
海森堡这篇论文晦涩难懂。是数学功底更好的玻恩意识到，海森堡提出的“量子力学关系”可以被表述为数学上的矩阵。玻恩多年后写道：我永远不会忘记，当我成功地将海森堡关于量子条件的思想浓缩成一个神秘的方程式时，我内心的激动之情，这个方程式是新力学的核心，后来被发现蕴含着不确定性关系。
1925年9月，玻恩、海森堡和帕斯库尔·约当（玻恩的助手）递交了可以被称为物理学史里程碑的“三人论文”，标志着量子力学的诞生。璞玉被打磨得优雅圆润。
瑞典皇家科学院1932年颁给海森堡诺贝尔奖。海森堡得知后分别致信玻恩和约当，表示很遗憾三人未能共同分享奖章。
“三人论文”的刺激，唤起了物理学家的热情回应。1925年至1927年，近200篇重要量子力学论文被发表，量子力学被应用于各种问题。很多参与量子力学研究的是像海森堡这样二十几岁的年轻人，以至于量子物理学一时被称为“男孩物理学”。
不确定性的阴霾
新思维立刻显示出颠覆性。海森堡提出：“我们可以精确测量电子的位置或动量，但不能同时精确测量两者；其中一个属性总会不确定。”海森堡提到，这可能是由于观测过程造成了干扰。
然而海森堡对观测干扰的看法，却被他视如兄长的玻尔指出有错误。海森堡勃然大怒，玻尔也感到不安；玻尔和海森堡的办公室仅一楼梯之隔，但两人好几天都避而不见。
玻尔希望海森堡冷静下来后能重写论文，海森堡拒绝。“玻尔试图解释说这不对，我不应该发表这篇论文。”海森堡后来说，“最后我流泪了，因为实在无法忍受来自玻尔的压力。”
虽然海森堡沮丧不已，但他最终被玻尔说服——不确定性不会因为实验改进而消除，它是不可避免的。这一洞见如今被称为海森堡测不准原理。玻尔是这一原则的头号支持者。玻尔代表的哥本哈根学派强调：除了实验结果，我们一无所知；没有测量时，谈论物理实体是毫无意义的。
海森堡曾写道：“原子或基本粒子并不像日常生活中的现象那样真实。这是一个充满潜能或可能性的世界，而不是一个由事物或事实组成的世界。”
据说玻尔讲过：“量子世界并不存在。只有抽象的量子力学描述。”
爱因斯坦不喜欢这个想法。在1926年给玻恩的信中，爱因斯坦写道：“量子力学确实令人叹为观止。但我内心有个声音说，它还不是真正的理论。这个理论说了很多，但没有真正让我们更接近古老理论的秘密。无论如何，我确信他（上帝）不是在掷骰子。”
玻尔与爱因斯坦有着深厚的友谊。爱因斯坦称玻尔是既有创造力又严谨的物理天才。玻尔则视爱因斯坦为偶像。但两人却为了量子在索尔维会议上展开了辩论。1930年第六届索尔维大会上，爱因斯坦提出一种有力的假想实验，质疑海森堡测不准原理。参会者描述：“整个晚上，玻尔都极度激动，不停地从一位科学家转到另一位科学家，试图说服他们事实并非如此，如果爱因斯坦是对的，那物理学就完了；但他却想不出任何办法来解决这个悖论。我永远不会忘记那两个对手离开俱乐部时的情景：爱因斯坦身材高大，威严凛然，面带一丝讽刺的微笑，平静地走着；而玻尔则在他身旁小跑着，兴奋不已。”但最终玻尔想到了爱因斯坦假想中的漏洞。第二天早上，他迎来了胜利。
1935年5月，爱因斯坦与合作者提出了“量子纠缠”的悖谬——两个实体相隔宇宙两端，却可以“心灵相通”，息息相关——超距作用似乎是荒谬的。但后来的实验证明，这个用来质疑量子理论的纠缠现象，是真实存在的。
量子力学诞生一百年后，我们可以确认，迄今对于量子力学的挑战都没有成功。但人类仍在热切地摸索一条路径，让量子世界与相对论世界合而为一。我们仍处于黑尔戈兰岛的日出时刻。
网友评论
