如何科学地休假？这位量子物理学家选择逃往海边小岛 | 量子百年1

1925年的夏天，年轻的海森堡处于一种“内忧外患”的境地。

一年前，他在索末菲指导下完成了博士论文，然后前往哥本哈根。和玻尔工作一年后，海森堡又回到哥廷根大学物理研究所担任玻恩（小编备注：玻恩不是玻尔）的助手。

▲1924-1925，海森堡很忙

自1900年普朗克提出“能量子”假说后，“量子”在物理学界大有星火燎原的势头。1905年爱因斯坦借助量子概念解释了光电效应，1913年玻尔在卢瑟福行星轨道原子模型的基础上引入量子化条件，提出了一个半经典半量子的量子化轨道原子模型。在这个模型中，电子仍然围绕原子核做圆周运动，但增加了一条关键规定，电子只能在某些固定的轨道上运动（即电子轨道是量子化的）。当电子从内圈轨道跳跃到外圈轨道时，需要吸收光子，反之放出光子。至于为什么这么规定，玻尔并未给出更深层的解释——在他看来，这个模型能有效解释氢原子的可见光光谱，就可以了。

▲玻尔模型示意图

但是，玻尔的原子模型还有个绕不开的困难——如何解释斯塔克效应。

斯塔克效应由德国物理学家约翰尼斯·斯塔克（Johannes Stark）于1913年发现，指的是氢原子光谱线在电场作用下会发生分裂的现象，也叫做氢原子光谱的精细结构。如果解释不了精细结构，玻尔模型恐怕也将步卢瑟福行星模型的后尘，面临被抛弃的命运。好在索末菲及时为玻尔模型打上补丁，进行了必要的修正，将电子的圆形轨道改为椭圆轨道，并考虑高速运动电子的相对论效应等。这样就可以解释氢原子光谱的精细结构了。

不论是玻尔的原子模型，还是索末菲修正过的相对论性原子模型，都保留了“电子轨道”这一经典物理图像——电子围绕中心的原子核运动，就像行星绕着恒星运动一样。然而实验观测和数据中并未真正捕捉到电子沿轨道运动的证据。玻尔模型更像是一个脱胎于经典物理图像、打上了几块量子补丁的理论，凑合能用，离完美还差得远。

物理学家们面临一个选择，要不要继续将就下去。

泡利不想将就，同年5月，他在给朋友的信中抱怨道，“目前，物理学再次处于极度混乱之中。”这话有点夸张了，不过十分符合泡利毒舌的人设。

海森堡也不想将就，他决心为解决原子谱线之谜奋战。同时，他还在饱受花粉过敏之苦，脸肿得厉害。在内忧外患的夹击下，海森堡决定出逃。1925年6月的一天，他从哥廷根出发，搭乘夜间列车，登上渡轮，前往“黑尔戈兰岛”——休假去了。

▲海森堡的朋友圈（小编杜撰版）

黑尔戈兰岛是北海中的一个小岛，离德国北方工业城市汉堡不远，岛上仍保留着近乎原始的自然状态。高耸的红岩峭壁，新鲜的海风，让海森堡的身心彻底放松。他沿着红色峭壁边的小路散步，他扎进海水中畅游，吃得香、睡得好，读着歌德的田园诗，望着窗外的美景出神……在这样全然放空的状态下，他开始尝试用自己的方式倾听原子的声音，窥探量子的奥秘。

既然电子轨道无法观测，不如不用，应该使用可观测的物理量（比如原子辐射的频率、强度）来建立一种不依赖轨道运动的新力学。

在一个电闪雷鸣的夜晚，海森堡伏案疾书。他把辐射频率和辐射强度排成阵列，采用了一套全新的数学方案，矩阵力学由此萌芽。海森堡兴奋不已，很快返回哥廷根。途经汉堡时，他迫不及待地将新成果拿给泡利看，以刻薄著称的泡利师兄竟然对他说了些鼓励的话。泡利后来在给朋友的信中写到：“海森堡的力学让我恢复了对生活的兴趣。”

随后在泡利、玻恩和约尔当等人的通力合作下，矩阵力学逐渐完善，量子力学迎来了第一个数学形式体系，这标志着旧量子论成为过去时，新量子理论开始了。

算起来，海森堡在黑尔戈兰岛只度过了两周不到的时间。这次休假成为量子力学发展的关键转折，是一次“非常科学的休假”。

鲁迅曾经说，写不出的时候不要硬写。海森堡的经历告诉我们，想不通的时候，也不必硬想，不妨去休息吧。即便休息后未能幸运地找到灵感，至少我们也为接下来的工作做好了身心的准备。