8.量子跃迁

对量子物理学持续存在的困境，有决定意义的解决方案在1925年6月初现曙光。23岁的维尔纳·海森伯在格丁根患了严重的花粉热，只好到寸草不生的北海岛屿黑尔戈兰岛上休养。用他的话说，他正在寻找一种新方法来解决包括原子结构在内的诸多问题，这时“在黑尔戈兰岛，有那么一刻，灵感突然闪现……已经是深夜了。我费力演算，他们做了验算。后来我走出去，躺在一块岩石上，面朝大海。看到太阳升起，我好开心”。海森伯利用了斯堪的纳维亚夏天的极昼，一直工作到新的一天来临。

海森伯已经将电子轨道的概念抛诸脑后，取而代之的是基于电子运动中可观测物理量的一组抽象规则。在格丁根的高级理论家马克斯·玻恩和他的学生帕斯夸尔·约尔丹（Pascual Jordan）的帮助下，这些想法很快扩展成了完全成熟的理论，这就是矩阵力学。

矩阵力学的影响并没有马上显露出来，因为这个理论要用一种新颖的数学形式来表述，而几乎所有的物理学家都还难以理解。9月23日，在写给恩里科·佩尔西科的信中，费米说：“尽管海森伯在光谱学术语的大观园里修成了正果，但在我的印象中，过去几个月里并没有什么新的进展。”佛朗哥·拉塞蒂还记得费米曾跟他说：“我在试着弄明白海森伯到底想说什么，但到现在我也还没搞明白。”虽然他对格丁根大学取得的成就心怀敬意，这似乎还是验证了他早年的想法，就是格丁根的物理学家过于依赖抽象数学方法了。费米需要清晰的物理图景来展现他们在说什么。

刚开始，年轻的保罗·狄拉克也没弄懂海森伯的理论，但他很快就看到了这个理论的精髓。1925年11月初，他提交了一篇题为“量子力学基本方程”的论文供发表。格丁根三杰甚至不知道有狄拉克这么个人，读到他的文章让他们大吃一惊：他得出了跟他们相同的结论。玻恩在回忆录中写道：“这是我科学生涯中最大的惊喜之一，我记得很清楚。狄拉克这个名字我完全没听说过，作者好像是个年轻人，但是一切都很完美，令人敬佩。”

确实是年轻人在引领物理学大步前进。到1926年2月底，已经有4篇重量级论文在过去12个月里发表，作者相对而言都是无名小卒。泡利、费米、海森伯、狄拉克，他们四个让量子物理的世界地动山摇。25岁的泡利是其中年纪最大的。这也就难怪德国人开始管理论物理学叫“男孩子的物理学”了。

当然，物理学革命也并不完全是年轻人的事。1926年1月初，38岁的埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）正在瑞士阿罗萨度假村滑雪度假。但除了在山坡上飞流直下，或是迷住相伴左右的神秘情妇，他还有别的事情好忙活。

在他从阿罗萨度假回来后马上写就的一篇论文中，薛定谔重新引入了海森伯已经束之高阁的电子轨道，但他用的是一种使之形象化的新方法。在薛定谔版本的量子力学中，电子在原子中的运动由所谓波函数来引导。这为他解开了原子的秘密。

两个月后，薛定谔成功证明，他的理论与矩阵力学在数学上是等价的，并称之为波动力学。也就是说，其中一个理论的每一步，都可以在另一个理论中找到数学对应。这意味着只有一个基本理论，尽管这个理论显然可以用两种完全不同的形式来表述。至于这两种表述中哪种更为可取，薛定谔对此固执己见。

在《海森伯-玻恩-约尔当量子力学与我的量子力学的关系》一文中，薛定谔通过脚注提出了上述观点。他在脚注中写道：“我完全不知道我的理论跟海森伯的有什么传承关系。当然我听说过他的理论，但他的算术表达方式超出一般常识，（对我来说）显得太难了，而且不够清晰。因此我感到被拒之门外，只能敬而远之。”“敬而远之”这个词，就是固执己见的意思。

普朗克、爱因斯坦以及大多数理论物理学界的泰斗，都认同薛定谔对这两种理论的评价，费米也是如此。拉塞蒂记得他这位朋友读到薛定谔的文章时的反应，这与费米在接受海森伯的矩阵力学时他看到的冥思苦想形成鲜明对比。费米“对此了然于胸，并向身边的几个人大肆灌输这一理论”。

读过薛定谔的论文中所介绍的理论和技术，大批物理学家很快开始寻找其应用方法，结果捷报频传，让人大喜过望，就像魔法师在使用魔法一样。甚至那些已经解决了的问题，其答案也能通过薛定谔的波函数来重新描述和阐释。狄拉克这位青年大师的另一篇论文中，对统计力学的处理就是一个例子。用薛定谔的方法，狄拉克很快得到并扩展了费米在6个月前得出过的结论。

狄拉克对费米早先的工作毫不知情，他在英国的《皇家学会报告》上就此问题发表了一篇文章。由于他的贡献也非同小可，他们的工作成果“费米-狄拉克统计”便同时有两个人的名字。然而，尽管他们的理论描述的是同样的粒子，这种粒子却只被叫作“费米子”。大量聚集起来的费米子叫作“费米海”，费米海的边缘叫作“费米面”。这是费米的名字第一次在科学词汇表中现身。

狄拉克发现格丁根三杰已经独立得出过他关于量子力学的主要结果，而费米在得出“费米气体”要符合的统计力学规律上也已经捷足先登，这肯定曾让他感到灰心。但狄拉克的独创性毋庸置疑。

海森伯看到波动力学比自己的矩阵力学更受欢迎，也有点沮丧。不过他感到，有什么关键因素缺失了。玻尔对量子理论领域的问题可能比其他任何人懂得都要多，他觉得海森伯是对的。更多震撼即将来临。

为了破译出仍可能缺失的到底是哪块内容，海森伯于1926年秋天搬到了哥本哈根，跟玻尔一起工作。他们着手研究，量子力学真正的意义到底是什么。经过奋战，他们在1927年形成了两个新的概念：玻尔的互补原理强调了物质既是粒子又是波的自然属性，而海森伯的不确定性原理对于同时测定互补变量建立了限制。这两个原理成为一种诠释类型的基础，叫作“量子力学的哥本哈根诠释”。这一诠释的形成，意味着物理学改天换地的第二阶段画上了句号。

玻尔和海森伯提出的概念，在10月份于布鲁塞尔举行的久负盛名的物理学会议期间，提交给了物理学界。索尔维会议从1911年以来大致每三年举办一次，会议目的是让几十位世界顶级的物理学家欢聚一堂，讨论当前最主要的科学议题，为期一周。1927年选定的主题是“电子和光子”，但与会人员都知道，真正的议题将是量子力学，其概念正在使物理学基础发生革命性的剧变。

耐人寻味的是，1927年索尔维会议上的精英中，没有意大利人的身影。他们认为没有哪个意大利人值得被邀请参加这个高端盛会。到1930年举办下一届盛会时，才有一个意大利人恩里科·费米跻身其间，他的出席标志着意大利终于迈入了国际物理学界。

1927年还有一个国际物理学会议，比索尔维会议还早一个月。跟索尔维会议不同，伏特会议是一次性的。这次会议名义上是为纪念亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta），即电池的发明人逝世一百周年。心照不宣的原因则是，意大利政府（特别是墨索里尼）想向世界证明，意大利也是科学精英社会的一分子。

会议在伏特的出生地科莫举办。位于科莫湖畔的这座小镇风光宜人，受邀参会的人都被安排了舒适的住处以及难忘的乘船观光。不知疲倦的费米甚至设法在秀丽的田园风光之外来了几次远足，登顶环绕湖泊的陡峭山坡，那里的小屋可以观赏壮丽风景：北有白雪皑皑的阿尔卑斯山，南有一马平川的意大利平原。

为确保组织安排上没有任何不足或困难，墨索里尼要求有赖政府支持的意大利电力公司为会议各方面提供大量资金。科尔比诺私下对此做出了谨慎而诚实的评价，指出“意大利应该更多展现物理学而少一点热情好客，也不应该自欺欺人地认为，赞助一场会议就可以代替科学上的成就了”。

邀请名单上的阵容十分强大。在受邀参会的61人中，有十好几个已经获得过诺贝尔奖，另外还有几个会在未来捧得同样的桂冠。很多人在接受邀请之前都犹豫不决，慕尼黑大学备受尊敬的资深教授阿诺尔德·索末菲写信给两位名声显赫的同事，这两人跟他一样秉持自由主义观点。他在信中说：“我对是否参会有严肃认真的保留意见。因为我相信，意大利人不会放过把政治牵扯进来的良机，也肯定会搬出墨索里尼。”在举棋不定之后，他们三人还是都去了科莫。但爱因斯坦拒绝与会，他不希望自己有任何机会被用于给墨索里尼的形象增光。

伏特会议备受瞩目还有另一方面的原因。尽管第一次世界大战已经过去将近十年，很多地方的氛围还是挺紧张。从大战以来还没有一个大型国际物理学会议集结了来自所有参战国家的代表，伏特会议是第一次。来自德国、法国、意大利、英国、奥地利、荷兰、比利时、丹麦以及美国的顶尖物理学家出席了会议，从这个意义来讲这次会议取得了极大成功。对意大利来说这也是宣传机器的胜利。物理是另一回事。

跟索尔维会议不同，伏特会议的议题很宽泛，只是跟电和磁的现象松散关联，这使得会议报告也范围很广。而伏特会议欠缺热议焦点，也成了随后举办的索尔维会议如此有名的原因之一。除了玻尔面对国际听众所做的关于哥本哈根诠释的第一个报告，其他五十多份报告都乏善可陈。

但事后证明，索末菲的报告对意大利物理学有重大影响，因为其主旨是强调费米最近在统计力学方面的重要工作，这是理解金属中导电现象的关键。意大利物理学家的成就要通过外国人的首肯才能得到承认，拉塞蒂没有放过借此讽刺一把的机会：“人人都开始意识到费米做了什么了不起的事情，费米这才在意大利真正大出风头。他在意大利的名声是从德国传回来的。”

为期一周的会议结束时，与会者来到罗马。1927年9月19日，在卡比托利欧山由米开朗琪罗设计的台阶顶部，国家研究委员会现任主席马尔科尼在墨索里尼面前正式欢迎他们的到来。场面堪称不羞不臊，恬不知耻。墨索里尼和马尔科尼像是从高处君临天下一样。随后，“领袖”陪同大家前往他的住处托洛尼亚别墅参加聚会。他很高兴能有机会在赫赫有名的听众面前趾高气扬，大肆宣扬他领导下的国家在过去、现在和未来怎样辉煌。对装腔作势、夸大其词嗤之以鼻的费米，必然会感到厌恶。

尽管费米不可能对会议的政治意味感到愉快，他还是很高兴看到会议对他礼遇有加。在科莫期间的纪念品之一是一张他和海森伯、泡利微笑着坐在一起的照片，身后就是科莫湖。一个意大利人，一个德国人，一个奥地利人：他们三人手中握着的，就是物理学的未来。

他们知道自己已经在物理学界发起了一场革命。他们不知道，如果无法理解泡利不相容原理、量子力学和费米-狄拉克统计，这个世界就不会有半导体、晶体管、计算机、核磁共振成像、激光，以及其他诸多发明，这些发明一起塑造了我们今天的生活。因此，实实在在地说，我们生活在他们创造的世界里。