新的力学_宇宙时间奥秘
 
 
下一个突破过了一段时间才来临。这个突破，是几乎同时地由两条独立的途径得到的，其中之一是年轻的德国人海森伯（Werner Heisenberg），另一个是奥地利人薛定谔（ErwinSchrodinger）。
 
1925 年，海森伯第一个得到了一个适合微观世界的量子表述形式，他称之为“矩阵力学”。他在北海的海尔古兰岛上染上了花粉热，康复以后，他就创造出这个世界上第一个完善的量子理论。他的理论之所以叫做矩阵力学，是因为它用一种叫做矩阵的数学形式，来表述微观世界。矩阵的代数和通常的数字代数很相像，但是有一个很重要的例外。在通常的乘法中，二乘三和三乘二是一样的。但是矩阵 A 乘矩阵 B，并不等于矩阵 B 乘矩阵 A。后来人们认识到，这个不对称的数学特点联系着这样一个事实，即仅仅是测量的先后次序不同，微观世界就可能给出不同的结果。这是量子世界所显示的许多奇特性质之一。
 
矩阵力学相当抽象，所以薛定谔的表述方式更容易引人注目。薛定谔受到玻耳兹曼很深的影响，他自己说过，“玻耳兹曼的学说对我起的作用，就像科学上的初恋一样，没有其它任何学说能再使我如此入迷。”薛定谔 1926 年对原子问题的解释，被索末菲（Arnold Sommerfeld）称赞为“二十世纪所有令人惊异的发现中，最令人惊异的发现”。
 
德布罗意的工作给了薛定谔极深刻的印象，所以他全力投入到这个波-粒子学说的研究中。他是在阿罗萨发展了波动力学的，那是个离滑雪胜地达沃斯不远的、阿尔卑斯山中的一个地方。当时他和他的情人在一起，因为那时他和他妻子的关系，处于他们婚后的最低潮。摩尔
 
（WalterMoor）在他的薛定谔传记中写道：“像那个黑发女郎激起了莎士比亚诗创作的灵感一样，这个阿罗萨女人永远是个谜  不论是谁可能激发起了他的灵感，薛定谔的精力变得如此充沛，这的确是富有戏剧性的。他在一年的十二个月中始终保持创造活力，这在科学史上是独一无二的。”薛定谔在 1925 年 12 月的一封信中，描述了他如何在为这新的原子理论而奋斗。他说，它一旦完成之后，会是一个“非常漂亮”的理论。
 
1921 年薛定谔的创造性达到了顶点。为了使自己不受到干扰，他常常用珍珠把耳朵塞起来。那一年，他完成了六篇有关他的波动力学的主  
要论文，它们都发表在德国的《物理学年刊》上。
 
薛定谔的理论是用微分方程来表达的，比起海森伯的矩阵方法，它是一种更直观形象的描述。从数学上看，薛定谔和海森伯的表述截然不同，但是如薛定谔本人马上表明的那样，它们的结果是完全一样的：“这好像是，美洲是哥伦布航海越过大西洋而发现的，但同样勇敢的日本人，如果航海越过太平洋也会发现这块新大陆。”由于薛定谔的理论更直观、更灵活，因而人们更喜欢用它来研究量子力学问题。
 
德布罗意的工作表明，玻尔有关氢原子的量子法则，即必须有一系列固定的电子轨道，可以用围绕原子核的电子波来解释。这些波称为“驻波”，它类似于共鸣时，管风琴琴管中的那种波，或者小提琴琴弦被弓拉动时产生的波。在这些情况下，谐振的出现是由于管中或弦上恰好有整数个波。与此类似，只有某些德布罗意波长可以在原子周围产生出驻波。每一个波长的值对应于一个电子的“轨道”（见图 10）。
 
 
罗意所想象的氢原子中的驻波（实线）。虚线表示非驻波将由于干涉而消失。[录自 W．J．Moors《物理化学》第 595 页。]
 
 
按照这种推理办法，薛定谔得到了一个方程，它描述物质波在微观尺度如何随时间演化。在本质上，这件工作与牛顿和爱因斯坦在他之前已经做过的一样。对牛顿和爱因斯坦来说，动力学的关键问题，是直接地描述像台球那样的物体，其位置如何随时间而变。然而，薛定谔的工作是对于微观尺度，这时候一个粒子也同时是波。这使得分析变得更错综复杂。因此，他的方程里面含有一个全新的数学量——“波函数”，它考虑了微观粒子的波粒双重性质，并描述它们所有可能的表现。为了使波动力学和日常现象相联系，薛定谔在构造波动力学时，使得它对于像台球这样的宏观物体，就化为类似于牛顿力学的方程。于是，“薛定谔方程”就成为理论物理和理论化学中，所有方程中最基本的方程。后来的一位量子论大师狄拉克（Paul A． M． Dirac），把薛定谔的这篇论文形容为：囊括了全部化学和大部分物理学。
 
为了验证他的方程，薛定谔把它用于氢原子中的电子波。从应用数学的角度来看，这个方程本身并不新奇。薛定谔用标准方法解出了这个方程，他发现，跟波尔的结果一样，他的结果也和光谱实验中氢原子辐射的能量严格相符。但是现在，支配着电子、使其仅仅占据固定轨道的量子法则，清清楚楚地摆在面前。与玻尔不同的还有，薛定谔现在可以分析并成功地解释有两个电子的氦原子。
 
虽然有这样的成功，薛定谔却搞不清楚波函数在物理上的含义。显然，他开始时是希望能回到旧的经典概念上去，因为经典概念来源于日常生活，图像十分清楚。但是波函数使他的这一梦想破灭了。大约六个  
月之后，在用薛定谔方程研究像原子或电子这样的微观粒子的碰撞问题时，德国物理学家玻恩作了一个非常大胆的假设。他提出，可以把波函数解释为某种“几率振幅”，用来计算在空间某一区域发现一个粒子的几率。他认为，波函数的平方就给出了在指定地点和时间，发现粒子的几率。
 
玻恩的这个解释，决不是马上就被大家接受了。实际上，对他这个解释的争论延续至今。争论的焦点是，量子力学的含义究竟是什么。答案只会有两种可能的选择，一种是，薛定谔方程是一个新的基本力学的基础，而且玻恩的解释意味着，我们只可以谈及原子和亚原子层次现象发生的几率，而不能准确地预言这些现象。这对于决定论和因果律具有深刻的意义。另一种是，量子力学并不是真正基本的力学，而只不过是对我们还不完全了解的事情，作出统计说明的一种方法——这些事情在某种我们尚不清楚、更深的层次上，是严格决定性和因果性的，正如牛顿物理和爱因斯坦物理那样。
 
爱因斯坦正是在这一点上与新一代的量子力学分道扬镳。新一代量子力学采用上面第一种选择，而爱因斯坦却固执地坚持第二种：“上帝不会把世界当做骰子”，这是他在辩论时常说的一句名言。爱因斯坦认识到，波函数的几率解释虽然得到普遍赞同，但它从根本上破坏了因果律，而因果律是许多世纪以来联系原因和结果的观念。他在为记念牛顿逝世二百周年而写的一篇文章中说：“牛顿理论的精髓可能会给我们提供力量，去恢复物理现实与牛顿教诲中最深奥的特点——严格的因果律——之间的和谐。”一件非常引人注目的事情是，德布罗意和薛定谔两个人，都对新物理学所走的方向持意味深长的保留态度。在一次与玻尔的著名交锋中，薛定谔说道：“如果我们仍然不得不去建立这种该诅咒的量子跃迁，那我当初真不该和量子论打交道。”但是玻尔、玻恩、海森伯和他们的弟子们，对此异议置之不顾。他们按照自己的方式，为这一学科的“正统”说法打下基础。今天他们的说法已被广泛接受，尽管实际上，它带来的问题和它给出的答案同样多。