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光的简史39:矩阵与波函数本是同根生 波粒战争升级为规律解释权之争
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到20世纪20年代中期,量子论的发展走向了两条迥异的道路。 第一条道路的思路是,直接从观测到的原子谱线出发,引入矩阵的数学工具,用这种奇异的方块去建立起整个新力学的大厦来。它强调观测到的分立性,跳跃性,同时又坚持以数学为唯一导向,不为日常生活的直观经验所迷惑。但是,如果追究根本的话,它所强调的光谱线及其非连续性的一面,始终可以看到微粒势力那隐约的身影。 这个理论的核心人物自然是海森堡、波恩和约尔当,而他们背后的精神力量,那位幕后的“教皇”,则无疑是哥本哈根的那位伟大的玻尔。这些关系密切的科学家们集中资源和火力,组成一个坚强的战斗集体,在短时间内取得突破,从而建立起矩阵力学这一壮观的堡垒来。 而沿着另一条道路前进的人们,在组织上显然松散许多。大致来说,这是以德布罗意的理论为切入点,以薛定谔为主将的一个派别。而在波动力学的创建过程中,起到关键的指导作用的爱因斯坦,则是他们背后的精神领袖。但是这个理论的政治观点也是很明确的:它强调电子作为波的连续性一面,以波动方程来描述它的行为。它热情地拥抱直观的解释,试图恢复经典力学那种形象化的优良传统,有一种强烈的复古倾向,但革命情绪不如对手那样高涨。 打个不太恰当的比方,矩阵方面提倡彻底的激进的改革,摒弃旧理论的直观性,以数学为唯一基础,是革命的左派。而波动方面相对保守,它强调继承性和古典观念,重视理论的形象化和物理意义,是革命的右派。这两派的大战将交织在之后量子论发展的每一步中,从而为人类的整个自然哲学带来极为深远的影响。 海森堡和薛定谔互相对对方的理论表达出毫不掩饰的厌恶。他们各自认定,自己的那套方法才是唯一正确的。这是自然的,因为矩阵力学和波动力学看上去是那样地不同,而两人的性格又都以好胜和骄傲闻名。当衰败的玻尔理论退出历史舞台,留下了一个权力真空,无疑谁都想去占有那份无上的光荣。 不过,到了1926年4月份,这种对峙至少在表面上有了缓和,薛定谔、泡利、约尔当都各自证明,两种力学在数学上是完全等价的!事实上,我们追寻它们各自的家族史,发现它们都是从经典的哈密顿函数而来,只不过一个是从粒子的运动方程出发,一个是从波动方程出发罢了。而光学和运动学,早就已经在哈密顿本人的努力下被联系在了一起,这当真叫做“本是同根生”了。 很快人们就知道,从矩阵出发,可以推导出波动函数的表达形式来;而反过来,从波函数也可以导出矩阵来。1930年,狄拉克出版了那本经典的量子力学教材,两种力学被完美地统一起来,作为一个理论的不同表达形式,出现在读者面前。 但是,如果谁以为从此就天下太平、万事大吉,那就大错特错了。虽然两种体系在形式上已经归于统一,但从内心深处的意识形态来说,它们之间的分歧却越来越大,很快就形成了不可逾越的鸿沟。数学上的一致并不能阻止人们对它进行不同的诠释,就矩阵方面来说,它的本意是粒子性和离散性;而波动方面却始终在谈论波动性和连续性。 现在,波粒战争原来的两个战场早已合兵一处,双方分别找到了各自可以依赖的政府,并把这场战争再次升级到对整个物理规律的解释权这一层次上去。
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