1925年波恩和约当协助海森堡建立了矩阵力学;
索末菲教授带着他的两个得意门生:亲如兄弟的海森堡和泡利,从慕尼黑赶到哥廷根来听玻尔演讲。海森堡在这里第一次遇到了玻尔。一次,他在玻尔结束演讲后提了一个颇为尖锐的问题,引起了玻尔对这个年轻人的注意,当天便邀他一块儿去郊外散步。
海森堡正在折腾玻尔和索末菲的原子模型时,到北海的赫尔格兰岛,休养一段时间。那个远离喧哗的小地方,倒是激发了海森堡非凡的科学灵感,他构想出了他对量子力学的最大突破——后来被称作“矩阵力学”的理论。
海森堡认为,原子模型中电子的轨道(包括位置x(t)、动量p(t)等)是不可测量的量,而电子辐射形成的光谱(包括频率和强度)则是宏观可测的。是否可以从光谱得到的频率和强度这些可测量,倒推回去得到电子位置x(t)及动量p(t)的信息呢?也就是说,是否可以将轨道概念与光谱对应起来?
这儿就产生了一点问题。
首先,在轨道概念中,电子绕核作圆周运动,玻尔认为有多种可能的轨道,例如图1左图中的(1n、2n、3n……)。那么,没问题,可以将位置x(t)及动量p(t)表示成这些轨道的线性叠加,或者说,将它们作傅立叶变换。
第二步,我们再来考察右图中宏观可以测量的光谱频率和强度。光谱产生的原因是原子中电子在两个能级之间的跃迁,能级差决定了光谱的频率,跃迁的概率决定了谱线的强度。因此,频率和强度是由两个能级(n和m)决定的。每两个任意能级间都有可能产生跃迁,因此,n和m是两个独立的变量。
如何将轨道中的量(例如x(t))用n和m两个独立变量表示出来呢?这第三步难倒了海森堡:x(t)是一个变量n的函数,却要用两个变量n和m表示!海森堡也顾不了花粉热的纠缠,没日没夜地思考这个问题。
终于在一个夜晚,海森堡脑海中灵光一闪,想通了这个问题。有什么不好表示的?把它们两者之间的关系画成一个“表格”呀!海森堡大概规定了一下用这种表格进行计算的几条“原则”,然后,剩下就是一些繁杂的运算了。后来,海森堡在回忆这段心路历程时写道:
大约在晚上三点钟,计算的最终结果摆在我面前。起初我被深深震撼。我非常激动,无法入睡,所以我离开了屋子,等待在岩石顶上的日出。
计算结果非常好地解释了光谱实验结果(光谱线的强度和谱线分布),使得电子运动学与发射辐射特征之间具有了关联。但海森堡仍然希望对玻尔模型的轨道有个说法。
海森堡想,玻尔模型基于电子的不同轨道,但是,谁看过电子的轨道呢?也许轨道根本不存在,存在的只是对应于电子各种能量值的状态。对,没有轨道,只有量子态!量子态之间的跃迁,可以精确地描述实验观察到的光谱,还要轨道干什么?如果你一定要知道电子的位置x(t)及动量p(t),对不起,我只能对你说:它们是一些表格,无穷多个方格子组成的表格。