杨振宁对海森堡的评价是:海森堡所有的文章都有一个特点,那就是朦胧,不清楚,你会惊叹于他的独创力,但你仍然会感觉问题没有做完,还要继续发展下去。
1925年,海森堡重新开始研究氢原子的谱线问题,希望能从中找出量子理论的最基本原理。
在尝试了一些方法都没有进展之后,海森堡采用了一种以前物理学家不曾听说过,也不敢想象的方法——矩阵。
海森堡发现,只要把矩阵的运算规则用到经典的力学方程里面,把波尔和索末菲旧的量子条件改造成新的由矩阵构造起来的方程,可以自然而然地推导出量子化的原子能级,而不需要像旧的玻尔模型那样附加一个很不自然的量子条件。
这是量子力学发展中最关键的一步。但海森堡是如何想到的呢?答案是没人知道,海森堡自己也说不清楚,就这么想到了。
虽然早在十九世纪,数学家就已经独立地发明了矩阵,但主要目的是为了方便地求解某些微分方程组,事实上今天的大学生学线性代数也是为了解微分方程组。
作为物理学家的海森堡完全不知道矩阵的存在,为了研究物理问题,竟然独立地发明了这套数学方法,最让人难以置信的是,这种奇特的数学规则居然真的在量子世界管用。
很多年后,海森堡回忆这段研究经历,他是这么说的:就像爬山的时候,你想要爬到某个山峰,但山间到处都是雾,你知道目的地是哪儿,但仍然陷在雾中。短短几秒钟的时间,你在雾中看到了一块石头,你突然意识到,这就是你要找到的某块石头。虽然你还是无法知道通往这块石头的路在哪儿,但你已经知道自己大概在什么地方了,只要走近那块石头,就知道接下来该如何走了。
海森堡就是这样在雾中摸索,突然就想到了用这么一种独特的数学规则来研究量子力学。
海森堡的研究引出了著名的海森堡方程。但实际上,海森堡方程并不是海森堡自己写出来的,而是在海森堡发出文章几个月之后,由波恩和约尔丹用更严格的矩阵方法推出了这个方程,奠定了量子力学的数学结构。
杨振宁自己最欣赏的是狄拉克那样的研究风格。那狄拉克又是怎样的风格呢?用杨振宁自己的话来说,就是有着最简单、直接、原始的逻辑性,没有任何不清晰的地方,直达深处。
其根本是狄拉克极为强大的数学能力,和对物理方程中数学美感的追求。
比如狄拉克在1928年写下了著名的狄拉克方程,这个方程极其自然地解释了为什么电子会有自旋,而且为什么自旋角动量是1/2而不是整数,初次了解这一点的人无不惊叹。
而且这个简单的方程还蕴含了一个叫做负能的现象,在当时不被物理学家们所接受,但狄拉克坚信数学上如此美的物理方程,不可能产生没有实际意义的东西。
就在几年之后,安德森发现了反电子的存在,大家这才弄清楚了狄拉克方程中的负能究竟是什么东西,再次让人无不惊叹。
这实际上就是杨振宁的研究风格,极强的数学功底,对数学美感的追求,相信数学在物理方程中的高度有用性。因为对数学驾轻就熟地运用,所以整个思路是无比清晰,直达深处的。
实际上,狄拉克方程还有一个小插曲,更能够反映狄拉克和海森堡的风格差异。
1913年,波尔最早提出了量子数的概念。1921年,海森堡便最先提出了量子数是1/2的可能。
理论发展到这一步,得到了诸多实验的验证,非常成功。但是某种意义上,这都只是东拼西凑出来的理论。
直到1928年,狄拉克方程出来,才完美地解释了为什么自旋角动量必须是1/2。
海森堡属于那种能够冒出石破惊天想法的人,甚至你都无法去溯源他的这一想法究竟是如何出现的,不过有了想法之后很难仅凭自己将其完善。
而狄拉克则属于熟练运用数学工具,对物理学的美感有着极深的洞察,能够非常完美清晰地构建出最基本的理论,不给后人留一点补充的余地。