9 该死的量子跃迁

哥本哈根

1926年10月

海森伯显然非常愤怒。他的新量子力学的基础正面临危险，有可能被薛定谔那种具有直观吸引力和数学上更为人熟知、更易于接受的波动力学所破坏。越来越多的物理学界成员的“叛逃”――他们大松一口气转而支持波动学的方法，让海森伯越发感到沮丧。矩阵力学正面临失败。

除了诠释的问题，还有更多面临的危险，比如薛定谔顽固地试图消除量子跃迁并回归到经典时空的观点。如果波动力学被广泛接受，成为“最深刻的量子定律”，，这不仅会使海森伯在黑尔戈兰岛上的发现变得徒劳无功，而且还会对他造成进一步的打击：他原本抱着雄心壮志，认为自己能够主导他帮助创建的这一新领域。海森伯未来的职业生涯也可能处于危险之中。

1926年4月，他拒绝了莱比锡大学理论物理学副教授的职务，更倾向于选择回到哥本哈根的玻尔理论物理研究所，以代替去乌得勒支任职的亨德里克·克喇末。德国的传统是，一个年轻、有抱负的学者总是要接受第一次提供给他的教授职位。海森伯的父亲建议他接受莱比锡的教职。但是，他所咨询过的所有极富声望的大物理学家都建议他去哥本哈根。最终，他于1926年5月回到哥本哈根。

虽然海森伯承认薛定谔的数学形式体系让人感到亲切和实用，但他在1926年6月写给泡利的一封信中指出，这些方法应该为矩阵力学服务，仅限于计算个别的矩阵元。与此同时，他还意识到波动方法可以提供迄今为止在矩阵力学中缺乏的一些物理诠释的元素。

一切都在发生改变。海森伯必须找到重获主动权的方法。他决定就这个问题和薛定谔面对面地直接展开辩论。

第一次辩论机会出现在1926年7月底。受维恩和索末菲的邀请，薛定谔在慕尼黑举办了两次讲座，一次是给德国物理学会的巴伐利亚分会做的，另一次是第二天为一拨挑选出来的量子物理学家做的。海森伯刚刚接受了他的新职位，成了哥本哈根大学的讲师兼尼尔斯·玻尔的助理，一直忙于熟悉波动力学。他在挪威度过了短暂的假期，然后在7月份抵达慕尼黑与父母住了一段时间。海森伯带着一大堆反对意见参加了薛定谔的两次讲座。

薛定谔做第一次讲座的时候，会堂里座无虚席，海森伯一言未发。但是，当薛定谔在7月24日星期六上午结束他的第二次演讲时，海森伯站出来表达了他的反对意见。

海森伯认为，薛定谔设想的波动力学无法解释一些相对具有根本性的物理现象。它无法解释普朗克的辐射定律、康普顿效应或光谱线强度。这些都是只能用不连续性和量子跃迁等观点来解释的现象，而薛定谔的连续的波动力学无法与这些观点相容。

听众的反应跟他所希望听到的大不一样。维恩示意他闭上嘴，坐下。海森伯后来写道：

……维恩相当尖锐地跟我说，他很理解我的遗憾，但矩阵力学已经完蛋了，随之完蛋的还有量子跃迁等所有毫无意义的想法，我提到的困难无疑在不久的将来都会被薛定谔解决。薛定谔本人在他自己的答复中并不十分肯定，但他也坚信，消除我的异议只是一个时间问题。

大多数出席的物理学家都抱有类似的想法。年迈的实验物理学家维恩可能永远不会原谅年轻的理论物理学家海森伯三年前在慕尼黑攻读博士学位期间，对实验以及实验仪器理论的回避，海森伯糟糕的博士成绩证明了维恩对这个新贵理论物理学家是多么生气。即使是索末菲，曾在与维恩进行的对于理论与实验的相对重要性的辩论中，为海森伯的“非凡能力”辩护，此时，他似乎也已经被薛定谔的方法在数学上的简单优雅所征服了。

海森伯非常失望。演讲结束后不久，他写信给玻尔，谈到他在薛定谔演讲时提出反对意见产生的不愉快结果。玻尔十分理解海森伯的遭遇，并决定邀请薛定谔去哥本哈根进一步讨论这些问题。薛定谔同意于1926年9月底访问玻尔。海森伯赶紧回到了丹麦。

这将是一系列重要对话的第一轮，这些对话将塑造量子理论的未来发展，并塑造我们有关物理实在的概念。

1926年8月底，薛定谔带着安妮在南蒂罗尔度过了为期三周的假期。之后，安妮去萨尔茨堡看望自己的父母，薛定谔与维恩一起度过了几天，并于9月底前往哥本哈根。

玻尔和海森伯从哥本哈根火车站一接到薛定谔，他们的辩论就开始了。玻尔和薛定谔之前没有见过面，而薛定谔此刻肯定也在想，自己陷入了一个怎样的局面。玻尔对待前来访问的学者一直都体贴而友善，但在对待薛定谔时，表现得就像个无情的狂热分子。玻尔寸步不让，他和海森伯是对的，薛定谔是错的，现在玻尔的使命是让薛定谔看到真正的光明。

但是，薛定谔也对如何诠释他的波动力学有着深刻的信念和根深蒂固的立场。此外，物理学界对他的理论热情接纳，这也鼓舞了他。他绝对不会退缩。

“当然你意识到了，”薛定谔说，“量子跃迁的整个想法必将被归为无稽之谈。”

薛定谔指出量子跃迁完全无法理解，在原子内部移动的电子是如何做出这种不连续跳跃的呢？“这种跳跃应该是逐渐的还是在瞬间完成的？”他问道，“如果是逐渐的，电子轨道的频率和能量也必须逐渐变化。但在这种情况下，你如何解释细细的谱线始终不变？另一方面，如果跳跃是在瞬间完成的……那么我们必须要问自己一个问题，跳跃期间电子会如何行为？为什么它不像电磁理论所指出的那样发射连续的光谱？在跳跃过程中，是哪些定律在主宰电子的运动？换言之，量子跃迁的整个想法纯属幻想。”

玻尔的回应为真正的论证奠定了基础，这涉及物理理论的可视性和可理解性。

“你说的绝对有道理，”玻尔回答说，“但这并不能证明没有量子跃迁。它只能证明我们无法想象它们，在描述量子跃迁时，那些我们用于描述日常事件和经典物理实验的具象概念是不够用的。对于这一点我们也不需要惊讶，因为所涉及的过程不是直接经验的对象。”

但是薛定谔不想被牵扯进关于概念含义及其流变的哲学辩论。“我只想知道原子内部会发生什么。我不太介意你选择用什么语言来讨论它。”他说。

假设电子是围绕原子核运行的微小粒子，那么，薛定谔希望某种物理理论应该描述这些粒子如何在它们的轨道上运动，以及如何从一个轨道转换到另一个轨道。但无论是波动力学还是矩阵力学都无法提供一种合理的描述。薛定谔认为，将这一图景改为物质波的图景，一切就突然变得大为不同，未解决的矛盾也消失不见了。

“恕我持不同意见，”玻尔坚持说，“矛盾不会消失，它们只是被推到了一边。”玻尔重申了使用波动力学解释普朗克辐射定律的问题，以及普朗克定律要求原子具有不连续变化的离散能量值这一事实。“你该不会对量子理论的整个基础都产生了怀疑吧？”他说。

薛定谔别无选择，不得不缓和语气。“我绝没有声称所有这些关系都得到了充分的解释。”他说。他指出，将热力学应用于波动力学最终可能会提供一些答案。

不，玻尔反驳说，别指望了。“二十五年来，我们已经很清楚普朗克公式意味着什么。而且，除此之外，我们可以非常直观地看到不连续性，也就是原子现象中的突然跳跃，比如我们在探测用的闪烁屏上观察到的突然闪光或单个电子穿过云室时突然出现的轨迹。你不能简单地忽略这些观察，并表现得好像它们根本不存在。”

“如果所有这些该死的量子跃迁都真的存在，”薛定谔恼火地说道，“那我当初就不该研究量子理论。”

玻尔试图平息讨论。“但我们其余的人都非常感激你参与了量子理论的研究，”他说，“你的波动力学对数学的清晰度和简洁性做出了很大的贡献，相比于先前所有形式的量子力学，它是一个巨大的进步。”

薛定谔住在玻尔的家中，两人夜以继日地辩论。也许是因为脑力上的消耗太大了，他发烧病倒了。可是，即使是在病床上，玻尔也不放过他。玻尔的妻子玛格丽特殷勤地招待薛定谔，给他端来茶水和蛋糕，希望他早日恢复，玻尔坐在床边不依不饶继续讨论问题：“但是你必须承认……”

但是薛定谔什么也不愿承认。

尽管心里不愿承认，辩论得如此激烈，还是深刻影响了薛定谔。他认识到必须以某种方式让波动和粒子的观点能够相互融洽。他现在意识到，单独的波动力学不可能是所要的答案。

在给维恩的一封信中，他描述了他与玻尔的第一次会面：

玻尔……研究原子问题的方法……非常出色。他完全相信，用常规的方式来理解原子是不可能的。因此，谈话几乎立即转到了哲学问题上，很快你就弄不清楚自己是不是站在他所攻击的立场上，也不知道自己是否真的必须攻击他所捍卫的立场。

但是两个人对对方都没有恶意。这是一个令人兴奋，同时也非常耗费心智的辩论，对于量子理论的未来发展具有重要意义。在同一封信中，薛定谔继续说道：

除去我们之间所有理论上的争议，我与玻尔，特别是海森伯的关系都很融洽，他俩对我善良温和，关怀备至，令我非常感动。

一个简单的事实是，目前还没有人能够对量子力学提供一个各方面一致的解释。然而，玻尔和海森伯都确信他们是在正确的道路上前行。

与薛定谔的辩论对玻尔的影响非常大。薛定谔掌握与经典物理相关的各种波动概念，以及他对提供某种时空可视性的理论的不懈追求，使玻尔认清了他们都在努力解决的问题的确切本质。

薛定谔珍视波动概念所提供的连续性和可视性，因此根本无法看到不连续的量子跃迁与波动概念共存的可能性。玻尔认为：“……我们用来描述日常事件和旧物理学的实验的图像概念，不足以描述量子跃迁的过程。”

玻尔和海森伯已经放弃了使用经典的时空概念来描述基本上无法可视化的物理学的任何尝试。但波动力学在物理学家中获得了共鸣，这一事实向玻尔表明，使用经典概念来描述非经典的量子现象并不会那么容易被抛弃。

玻尔随后考虑，经典的波动概念和粒子概念也许在某种程度上同样有效，每个都有助于描述一个不可思议的量子实在的某些方面，这取决于被观察到的具体现象。两者相互排斥，但是若想完整描述原子的内部运作，两者都是需要的。

海森伯也停下来进行了反思。不可避免的是，虽然他乐于接受玻恩的概率诠释，但对于玻恩将波动力学看作是“量子定律最深刻的表述”，海森伯很不高兴。他觉得玻恩的结论仍然留有太多空间，可以进行其他诠释。与此同时，玻恩开始对薛定谔方法对矩阵力学的“胜利”感到遗憾，因为这种方法继续拖着薛定谔，使他的诠释一直紧紧围绕着它。

海森伯现在住在玻尔理论物理研究所的一个小阁楼里，有倾斜的墙壁和窗户，可以俯瞰菲尔德公园的入口。玻尔有时会深夜来到公寓，两人讨论他们的科学问题，直到凌晨。

但是海森伯不喜欢玻尔正在发展的方法。它似乎太模糊，哲学意味太浓，也太武断。对于一个可以这样也可以那样，变幻不定的理论，海森伯感到不安。他想要的是能够带来一种独特诠释的理论，这种诠释即使不是针对物理的亚原子实体（如电子）的，也至少是针对其可观测属性的，如能量和动量。

虽然他们在许多方面存在分歧，但海森伯有充分的理由相信他们正在走向同样的结果。如此简单的现象——例如在云室中到的电子轨迹——被证明是如此难以处理，这一点让他很惊讶实际上，矩阵力学中是没有轨迹的概念的。根据波动力学，电子的物质波在穿过云室时会伸展、传播或消失。然而，任何看过云室中电子留下的轨迹的人都会坚信，电子具有粒子般的轨迹。

海森伯是这样总结这一段时间的激烈辩论的：

我记得，与玻尔的讨论经常持续很多个小时，一直到深夜，结束的时候也经常近乎绝望。讨论结束后，我总是独自一人去附近的公园散步，我一次又一次地问自己这一问题：大自然真的像看起来的那样荒谬吗……

海森伯和玻尔没有得出真正的结论。旷日持久的辩论让他们精疲力尽，甚至关系有点紧张。后来玻尔决定于1927年2月去挪威滑雪度假，听到这一消息，海森伯大大松了一口气。

他独自一人留在了哥本哈根，“……我可以独自一人，在这里没有打扰地思考这些毫无希望的复杂问题。”