【科学大唠嗑】量子的奥秘（9）三大巨头关于量子跃迁的争论 / 四六文摘

科学大唠嗑

张喆

天津市天文学会会员

天津科技馆科普辅导员

读书会共读老师

薛定谔的波动力学具有直观吸引力，在数学上更为人熟知、更易于接受。越来越多的物理学界成员转而支持波动力学的方法，让海森堡越来越感觉到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，比如薛定谔非常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”，那么海森伯未来的职业生涯也可能处于危险之中。

1926年4月，海森堡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。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。

虽然海森堡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。海森堡为了重新获得主动权，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，一次讲座是给德国物理学会的巴伐利亚分会做的，另一次是为一些挑选出来的量子物理学家做的。

这个时候，海森堡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。海森堡带着一大堆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，海森堡没有发言。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，海森堡站出来表达了他的反对意见。

海森堡认为，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。

听众的反应跟海森堡所希望听到的大不一样。海森堡非常失望。演讲结束后不久，他写信给玻尔，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。

这此讨论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。

从左至右：普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克

1926年9月底，薛定谔前往哥本哈根。玻尔和海森堡从哥本哈根火车站一接到薛定谔，他们的辩论就开始了。玻尔觉得他和海森堡是对的，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。薛定谔绝对不会退缩。

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，这种跳跃应该是逐渐的还是在瞬间完成的，如果是逐渐的，电子轨道的频率和能量也必须是逐渐变化的。

但在这种情况下，又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，跳跃期间电子会有什么样的行为，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。薛定谔认为量子跃迁的整个想法纯属幻想。

对于薛定谔的这些问题，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。

玻尔认为薛定谔的观点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体形象概念是不够用的。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。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，没解决的矛盾也消失不见了。

玻尔认为矛盾并不会消失，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。

尽管心里不愿承认，但是这么激烈的辩论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。

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。

其实，与薛定谔的辩论对玻尔的影响也非常大。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，让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认同，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。

海森堡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，他觉得玻恩的结论仍然留有太多空间，可以进行其他诠释。

但是海森堡也不喜欢玻尔正在发展的方法。他认为这个方法太模糊，哲学意味太浓，海森堡认为玻尔的方法是一个可以这样也可以那样，变幻不定的理论。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的，也至少是针对它们的可观测属性，比如能量和动量。

海森堡和玻尔没有得出真正的结论。但是一个新的理论正在海森堡的头脑中生根发芽，关于这个理论，咱们下次再说。

【科学大唠嗑】量子的奥秘（9）三大巨头关于量子跃迁的争论

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