虽然矩阵力学以革命性的面貌获得了众多物理学家的青睐,在解释氢原子光谱方面也获得了巨大成功,但它过于激进抽象,也有一些物理学家并不认可。就在海森堡等人致力于完善矩阵力学体系的时候,另一些人正在探索通往量子世界的另一条道路。
这条道路的开拓者是埃尔温·薛定谔,1925年他已经38岁了,相比于24岁的海森堡,23岁的狄拉克,25岁的泡利,薛定谔在年龄上更为老成。由于几年前患过结核病,薛定谔每年冬天都会去阿尔卑斯山疗养,高海拔地区的稀薄空气有助于他身体的康复。1925年末的冬天,薛定谔和朋友再次来到位于阿尔卑斯山麓的阿罗萨小镇。
和海森堡一样,薛定谔也摒弃了经典的轨道运动图像。受到德布罗意物质波的启发,他认为电子也可视为一种波动现象。既然声波和电磁波都可以用波动方程来描述,电子应该也有对应的波动方程。在薛定谔眼中,连绵起伏的雪山,滑雪板留下的痕迹,无一不是是美丽的波动,甚至整个世界,似乎都是由波构成的。
▲热爱滑雪的科学家与德布罗意波的世界
整个圣诞节,薛定谔都沉迷于寻找描述物质波的波动方程。最终,他构建出一个简洁的方程,方程的解被称为“波函数”,用希腊字母ψ来表示。从1926年1月至6月,他接连发表了四篇有关该方程的论文,系统阐述了一种新的理论体系——波动力学。他所提出的波动方程,也被后世称为“薛定谔方程”。
▲薛定谔方程
波动力学的问世迅速吸引了物理学家的目光。与抽象艰深的矩阵力学不同,薛定谔方程是微分方程,这令绝大多数物理学家感到格外亲切。微分方程是处理经典力学、电磁学和流体力学的标准数学语言。但波动力学还有一个无法回避的核心问题:波函数ψ的物理意义是什么?
正如矩阵力学在玻恩、海森堡、泡利和狄拉克等人的共同努力下日趋完善,波动力学的成长也离不开天才们的群策群力。
玻恩给出了波函数ψ的概率诠释:波函数模的平方,代表粒子在空间某点出现的概率密度。这一诠释赋予了波函数以物理灵魂,使抽象的数学方程拥有了物理意义。然而,概率的引入动摇了经典物理的确定性世界观。在微观世界里,我们无法预测粒子的确切位置,只能预测其出现的概率。这种内在的随机性与传统的因果决定论产生了根本冲突,引发了后续长期的哲学争论。
▲波函数模的平方代表粒子在空间某点出现的概率密度
泡利迅速运用薛定谔方程计算了氢原子问题,严格推导出了能级和光谱,证明了新理论的强大威力。这与他当初迅速验证矩阵力学的情形如出一辙。
狄拉克和约当各自独立证明,波动力学与矩阵力学在数学上是完全等价的,它们是量子力学的不同描述形式。狄拉克还做出了更高级的贡献,他的变换理论为量子力学提供了一个极其普遍和强大的形式体系。
▲索尔维会议大合影
量子力学诞生的初期,是一个天才云集、思想迸发的黄金时代。围绕共同关注的问题,物理学家们争相发表论文、提出见解,同时又毫不留情地彼此质疑、指出缺陷。这种竞争,本质上是科学精神的体现:它并非相互排斥,而是彼此互补。正如矩阵力学和波动方程,在形式上截然不同,却最终被证明等价的,共同丰富了量子理论。这场竞争不仅是智力上的交锋,更是科学在批判与合作中向前推进的典范——它告诉我们,真正的科学竞争,从来都是为了逼近真理,而不是战胜对方。