在量子力学诞生之地，顶级物理学家将探讨量子的未来

赛先生 · 公众号 · 科学 · 2025-03-17 19:00

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1925 年 6 月，在德国海岸外的黑尔戈兰岛上，海森堡创立了矩阵力学。图源：wiki

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导读：

2025年被联合国宣布为“量子科学与技术国际年”，因为今年标志着量子力学诞生100周年——1925年6月，海森堡在德国黑尔戈兰岛上提出了矩阵力学，为量子力学的发展奠定了基础。在有着传说性质的故事中，这座小岛成为量子力学诞生的地方。

“量子科学与技术国际年”最重磅的庆祝活动之一就是将在黑尔戈兰岛举办“黑尔戈兰2025会议”。对于量子力学的未知问题，理论与应用研究领域的受邀科学家将在这里展开深入讨论。一百年来，量子力学的发展举世瞩目，在新的一百年，我们又将见证什么样的奇迹？

Robert P. Crea se｜ 撰文

下雪 ｜翻译

返朴｜来源

1925 年 6 月的一天，凌晨 3 点，一位疲惫不堪、饱受过敏之苦的 23 岁年轻人爬上了德国北海附近一座小岛的岩石。他就是维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg，1901-1976），当时还是一位名不见经传的物理学博士后。他刚刚用粗糙且不熟悉的数学拼凑出了一个框架，它很快就发展成为我们今天所知的“矩阵力学”。如果我们坚持将量子力学的诞生归结于一个特定的地点和时间，那就是 1925 年 6 月的黑尔戈兰岛（Helgoland）。

正是因为海森堡一个世纪前的工作，联合国宣布 2025 年为“量子科学和技术国际年” （International Year of Quantum Science and Technology）。这是一项全球性倡议，旨在提高公众对量子科学及其应用的认识，全年将举办众多活动。对物理学家来说，最重要的活动之一是 6 月 9 日至 14 日在黑尔戈兰岛举办的研讨会，在据称量子力学开始的地方，时间恰好是 100 周年。

这场名为“黑尔戈兰2025” （Helgoland 2025）的会议旨在纪念海森堡对矩阵力学的贡献，组织者称之为“量子理论的第一次公式化表述”。他们说，研讨会将探讨“量子力学基础与其在现实世界应用日益丰富的交叉”。但为什么海森堡的工作对量子力学的发展如此关键？这真的像我们所想的那样具有决定性吗？而且经常被讲述的黑尔戈兰故事是否真实呢？

顶尖量子物理学家、中国科学技术大学教授潘建伟受邀将参加今年6月举行的 “黑尔戈兰2025”会议。

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一切如何开始

促使海森堡之行的背景可以追溯到1900年马克斯·普朗克（Max Planck，1858-1947）的工作。普朗克试图构建一个公式，以阐明某些材料如何根据能量吸收和放射光。在他后来称为“一种迫不得已的举动”中，普朗克发现自己不得不使用“量子”的概念，这意味着电磁辐射不是连续的，而只能以离散的能量包形式被吸收和发射。

在经典物理学的优美设计中，量子化的概念显得像一个污点，其作用似乎非常有限。一些物理学家称其为“丑陋”、“荒唐”甚至“令人反感”；它无非是一种理论上的临时补丁，迟早会被揭掉。但“量子”证明了它是不可或缺的，物理学越来越多的分支领域都出现了它的身影，包括氢原子的结构、热力学和固体物理学。它就像一个令人讨厌的访客，你试图将其从家中驱赶出去却无法做到。更糟糕的是，它的存在感似乎在不断扩大。当时一位科学家评论说，量子是一个“精力旺盛的婴儿”。

在20世纪的头25年里，除了普朗克，还有其他物理学家也试图驯服这个婴儿，比如泡利（Wolfgang Pauli，1900-1958）、玻恩（Max Born，1882-1970）、玻尔（Niels Bohr，1885-1962）和克勒尼希（Ralph Kronig，1904-1995）。然而，他们的努力仅仅得到了只适用于计算特定现象的规则，都是从经典理论出发并要加上条件。“量子理论”像是一套从A点到B点的指引说明，而人们真正想要的是“量子力学”——一幅地图，它通过一套统一的规则，指引你无论从何处出发都可以抵达你想要去的地方。

海森堡是这场战役中的一位年轻斗士。他于1901年12月5日出生——也就是普朗克革命性发现的第二年。海森堡拥有一种通常在艺术家身上出现的性格：英俊的外貌、出色的音乐才能、身体文弱，还是严重的过敏体质。1923年夏天，海森堡刚刚在慕尼黑大学获得了博士学位，导师是索末菲（Arnold Sommerfeld，1868-1951），并在哥廷根大学跟随玻恩开始了博士后研究。

据说海森堡敏感、英俊、有音乐天赋，但容易过敏。图源：维基百科

和其他人一样，海森堡在尝试为量子现象中的频率、振幅、轨道、位置和动量构建数学框架时陷入了困境。他想，或许问题在于试图以类似牛顿力学的直观形式来描述这些现象。于是，他决定不再将它们当作具有特定值的经典属性，而是纯粹以数学的角度将其视为作用于函数的算符。就在这时，他遭遇了一次“不幸的个人问题”。

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目的地——黑尔戈兰岛

海森堡由于一场严重的花粉症而感到精疲力竭，便向玻恩请了两周的假，然后乘船前往黑尔戈兰岛。这个距离德国本土约50公里的小岛，面积不到1平方公里。不过，因其位置具有军事战略意义，黑尔戈兰岛有着一段复杂的历史，在不同的欧洲大国之间多次易手。从1714年起，它是丹麦的一部分，1807年被英国占领，直到1890年归为德国控制。

在第一次世界大战期间，德国将黑尔戈兰岛改造成了一个军事基地，并撤离了所有居民。当海森堡到达时，军队早已离开，黑尔戈兰岛正在恢复其原有的名声，即作为商业捕鱼中心和令人心旷神怡的旅游胜地。对海森堡来说，最重要的是，这里清风徐徐，可以远离过敏源。

久违的美景。赫尔戈兰岛是一个热门旅游胜地，那里有清新凉爽的海风，这为海森堡缓解了严重的花粉症，让他能够专注于他的量子力学开创性工作。图源：Aleksandra Tokarz

1925 年 6 月 6 日星期六，海森堡登上黑尔戈兰岛，又是咳嗽又是喷嚏连连，脸肿得让女房东断定他刚刚打了一架。她把海森堡安置在自己旅店二楼一个安静的房间里，面朝大海，可以俯瞰海滩。但他并没有停止工作。“接下来的十天里，在那片荒凉、无草的岛屿上究竟发生了什么，一直是人们猜测且带着相当浪漫主义色彩的主题。”历史学家David Cassidy在他的 1992 年著作《不确定性：维尔纳·海森堡的生平与科学》（Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg）中写道。

几十年后，海森堡在回忆中提到，他反复思考自己所掌握的一切，开始构建关于可观测量（频率和振幅）的方程，这些方程被他称为“量子力学级数”（quantum-mechanical series）。他勾勒出一个粗略的数学框架，但这个框架笨拙而复杂，以至于他甚至不能确定它是否遵守能量守恒定律——显然这是必须的。一天晚上，海森堡转向了这个问题。

“当我发现最初的几项似乎符合能量守恒时，我非常兴奋，”他在其1971年的著作Physics and Beyond （译者注：本书有中译本《原子物理学的发展和社会》，1985年版）中这样写道。但他依然非常疲惫，以至于开始在数学推导上出错。“结果，直到凌晨三点，计算结果才终于摆在我面前。”这项工作似乎仍未完成，但他的情绪中充满了忧虑与渴望——它成功地让他瞥见了一个全新的世界，即使并未被详尽地描绘出来。

“我深感震惊。”海森堡继续写道，“我有一种感觉，透过原子现象的表面，我正在窥视一个奇异而美丽的内部世界。一想到我现在必须探究大自然如此慷慨地展现于我面前的这些丰富的数学结构，我几乎发狂了。我激动得无法入睡，于是，当黎明到来时，我前往岛的南端，那里有一块延伸至大海中的岩壁，我一直渴望攀登上去。现在我毫不费力地爬了上去，等待着太阳升起。”

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黑尔戈兰岛上发生了什么？

历史学家对海森堡的叙述持怀疑态度。在2023年出版的《构建量子力学：过渡期，1923-1927（第二卷）》（Constructing Quantum Mechanics Volume Two: The Arch, 1923-1927）一书中，作者Anthony Duncan和 Michel Janssen认为，海森堡“在1925年6月访问黑尔戈兰期间的进展，并没有后来传记对这一时期描述得那么大”。他们相信，海森堡在 Physics and Beyond 中可能“错误记忆了四十年前在黑尔戈兰岛取得的成果”。

更重要的是，正如Cassidy在《不确定性》中质疑的，如果海森堡没有带上所有的参考书（而他显然没有），他又怎能如此确信自己的结果符合能量守恒呢？难道真的如Cassidy怀疑的那样，海森堡完全记住了相关数据？

另一个历史学家Alexei Kojevnikov甚至怀疑海森堡是否完全坦诚地解释了其灵感的来源。在他2020年的著作《哥本哈根网络：从博士后视角看量子力学的诞生》（The Copenhagen Network: The Birth of Quantum Mechanics from a Postdoctoral Perspective）中，Kojevnikov指出，逃离像玻尔、玻恩、克勒尼希、泡利和索末菲这样强势导师的影响，是海森堡创造力的关键。“为了实现他最大胆的思想突破，” Kojevnikov写道，“海森堡不得不从学术导师的权威中逃离，来到北海一座小岛上，处于暂时孤独与自由之中。”

无论那座岛上到底发生了什么，有一点是明确的，正如Cassidy在书中所总结：“海森堡取得了突破。”他在到达黑尔戈兰十天后离开，返回哥廷根，迅速完成了一篇论文，并于1925年9月发表在《物理学杂志》

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