刚才提到了海森堡。他在1925年发表了划时代的文章。大家知道,1913年玻尔(N. Bohr)提出的理论有非常正确的地方,可是也有不对的地方。到1925年以前,一直是非常紊乱的状态。
海森堡抓住了其中的重要之点是,人们关于轨道讨论了很多,但是没有人看见过轨道。海森堡认为,看不见的东西,你不可以乱用,只准用那些看得见的东西。而什么是你可以看得见的呢?例如频率、衰变几率等。于是他就利用这种想法,写出了一个新的力学。这个力学是很不完整的,但是最重要之点都讲出来了。特别重要的是A乘以B不一定等于B乘以A。可是,他是一个很年轻的人,对数学知道得很少,所以他不知道,他写出来的AB≠BA以及他很多演算,其实就是矩阵运算。这是海森堡的一个特点。
海森堡的很多文章,都是对的东西和错的东西都有。例如刚才所讲的那篇划时代的文章,我想是20世纪最重要的几篇文章之一。可是文章写得并不清楚。他不是把问题都看得很清楚的。有许多是他的直觉的见解。所以他死了以后,很多人对他的评论是:他的最可贵之处是他知道问题在什么地方,而且对这些问题有他的直觉的见解,但是他的这种直觉的认识不是用最清晰的数学和物理的方法表示出来的。他的文章有时甚至是前后矛盾的。不过,在他的文章里确实含有一针见血的东西。
再举一个最有名的例子。1926年初他又解决了一个重要的问题。在他1925年的文章发表以后,玻恩和约尔丹合写了一篇文章,这是很有名的一篇文章,称为两个人的文章。海森堡的文章后来称为一个人的文章。然后他们三个人又合写了一篇文章,叫做三个人的文章。这一个人、二个人和三个人的文章就是矩阵力学的开始。过了半年多,又发生了一个问题。用矩阵力学虽然可以解出氢原子的能级,而且符合巴耳末公式,但用到氦上面就不行了。大家知道,1913年的玻尔理论用到氢上也是非常准的,而对于氦,搞了十几年,还没有搞清楚。所以,把氦搞清楚是当时必须马上做的事情。问题出在氦的态有正氦与仲氦两种,它们的自旋结构不同,一个是平行的,另一个是反平行的。这两种态能量相差很多,几乎有一个电子伏特。
当时有这样一个故事。有一位非常有名的物理学家叫戈德斯密特,他是与乌伦拜克(G. E. Uhlenbeck)最早发现自旋的人。他在1926年到哥本哈根去访问,玻尔给了他一个题目,玻尔说:“你去研究研究为什么氦的仲氦与正氦同态,能级却差了这么多。”几年以后,戈德斯密特讲,他当时拼命去想,想出来的办法是引进一个自旋与自旋之间的相互作用。(因为他知道自旋有一个磁场。)可是,能量相差极小,使他茫然不知所措了。
海森堡也在研究这个问题。他在很短的时间里就抓住了问题的中心所在,这就是要求氦原子的两个电子的波函数是反对称的。而正氦与仲氦自旋波函数的对称性是相反的,一个是对称的,一个是反对称的,所以它们的空间波函数的对称性也应该是相反的。这直接地影响到它们之间的库仑力。这样,就解决了能量差别问题。
在海森堡的这篇文章中,第一次引进了波函数交换对称性与基态能量的关系。这无疑是一个巨大的贡献。但是,如果你去看这篇文章,你就会觉得他的文章是不清楚的。有这个重要的观念在里面,也有些乱七八糟的东西在里面。海森堡的文章向来都是这样。所以,后来人们认为,他的最重要的贡献是他直觉地了解到什么问题是重要的,而且他也能直觉地找到如何去解决这些问题的方法,但是他不是一个最能把这些问题从头到尾,清清楚楚地表述出来的人。
注:1932年诺贝尔物理学奖授予海森堡,“以表彰他创建了量子力学,以及其应用,尤其是其促成了氢气分子的同素异形体的发现” (氢气是由正氢和仲氢组成的混合物。正氢中两个氢原子核的自旋是平行的,仲氢中两个氢原子核的自旋是反平行的。)