顶级物理学家将在量子力学诞生之地探讨量子的未来

2025年被联合国宣布为“量子科学与技术国际年”，因为今年标志着量子力学诞生100周年——1925年6月，海森堡在德国黑尔戈兰岛上提出了矩阵力学，为量子力学的发展奠定了基础。在有着传说性质的故事中，这座小岛成为量子力学诞生的地方，“量子科学与技术国际年”最重磅的庆祝活动之一就是将在这里举办“黑尔戈兰2025会议”。对于量子力学的未知问题，理论与应用研究领域的受邀科学家将在这里展开深入讨论。一百年来，量子力学的发展举世瞩目，在新的一百年，我们又将见证什么样的奇迹？

撰文 | Robert P. Crease（石溪大学哲学系教授）

翻译 | 下雪

1925 年 6 月，在德国海岸外的黑尔戈兰岛上，海森堡创立了矩阵力学。丨图片来源：wiki

1925 年 6 月的一天，凌晨 3 点，一位疲惫不堪、饱受过敏之苦的 23 岁年轻人爬上了德国北海附近一座小岛的岩石。他就是维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg，1901-1976），当时还是一位名不见经传的物理学博士后。他刚刚用粗糙且不熟悉的数学拼凑出了一个框架，它很快就发展成为我们今天所知的“矩阵力学”。如果我们坚持将量子力学的诞生归结于一个特定的地点和时间，那就是 1925 年 6 月的黑尔戈兰岛（Helgoland）。

正是因为海森堡一个世纪前的工作，联合国宣布 2025 年为“量子科学和技术国际年”（International Year of Quantum Science and Technology）。这是一项全球性倡议，旨在提高公众对量子科学及其应用的认识，全年将举办众多活动。对物理学家来说，最重要的活动之一是 6 月 9 日至 14 日在黑尔戈兰岛举办的研讨会，在据称量子力学开始的地方，时间恰好是 100 周年。

这场名为“黑尔戈兰2025”（Helgoland 2025）的会议旨在纪念海森堡对矩阵力学的贡献，组织者称之为“量子理论的第一次公式化表述”。他们说，研讨会将探讨“量子力学基础与其在现实世界应用日益丰富的交叉”。但为什么海森堡的工作对量子力学的发展如此关键？这真的像我们所想的那样具有决定性吗？而且经常被讲述的黑尔戈兰故事是否真实呢？

一切如何开始

促使海森堡之行的背景可以追溯到1900年马克斯·普朗克（Max Planck，1858-1947）的工作。普朗克试图构建一个公式，以阐明某些材料如何根据能量吸收和放射光。在他后来称为“一种迫不得已的举动”中，普朗克发现自己不得不使用“量子”的概念，这意味着电磁辐射不是连续的，而只能以离散的能量包形式被吸收和发射。

在经典物理学的优美设计中，量子化的概念显得像一个污点，其作用似乎非常有限。一些物理学家称其为“丑陋”、“荒唐”甚至“令人反感”；它无非是一种理论上的临时补丁，迟早会被揭掉。但“量子”证明了它是不可或缺的，物理学越来越多的分支领域都出现了它的身影，包括氢原子的结构、热力学和固体物理学。它就像一个令人讨厌的访客，你试图将其从家中驱赶出去却无法做到。更糟糕的是，它的存在感似乎在不断扩大。当时一位科学家评论说，量子是一个“精力旺盛的婴儿”。

在20世纪的头25年里，除了普朗克，还有其他物理学家也试图驯服这个婴儿，比如泡利（Wolfgang Pauli，1900-1958）、玻恩（Max Born，1882-1970）、玻尔（Niels Bohr，1885-1962）和克勒尼希（Ralph Kronig，1904-1995）。然而，他们的努力仅仅得到了只适用于计算特定现象的规则，都是从经典理论出发并要加上条件。“量子理论”像是一套从A点到B点的指引说明，而人们真正想要的是“量子力学”——一幅地图，它通过一套统一的规则，指引你无论从何处出发都可以抵达你想要去的地方。

海森堡是这场战役中的一位年轻斗士。他于1901年12月5日出生——也就是普朗克革命性发现的第二年。海森堡拥有一种通常在艺术家身上出现的性格：英俊的外貌、出色的音乐才能、身体文弱，还是严重的过敏体质。1923年夏天，海森堡刚刚在慕尼黑大学获得了博士学位，导师是索末菲（Arnold Sommerfeld，1868-1951），并在哥廷根大学跟随玻恩开始了博士后研究。

据说海森堡敏感、英俊、有音乐天赋，但容易过敏。丨图片来源：IanDagnall Computing/Alamy Stock Photo

和其他人一样，海森堡在尝试为量子现象中的频率、振幅、轨道、位置和动量构建数学框架时陷入了困境。他想，或许问题在于试图以类似牛顿力学的直观形式来描述这些现象。于是，他决定不再将它们当作具有特定值的经典属性，而是纯粹以数学的角度将其视为作用于函数的算符。就在这时，他遭遇了一次“不幸的个人问题”。

目的地——黑尔戈兰岛

海森堡由于一场严重的花粉症而感到精疲力竭，便向玻恩请了两周的假，然后乘船前往黑尔戈兰岛。这个距离德国本土约50公里的小岛，面积不到1平方公里。不过，因其位置具有军事战略意义，黑尔戈兰岛有着一段复杂的历史，在不同的欧洲大国之间多次易手。从1714年起，它是丹麦的一部分，1807年被英国占领，直到1890年归为德国控制。

在第一次世界大战期间，德国将黑尔戈兰岛改造成了一个军事基地，并撤离了所有居民。当海森堡到达时，军队早已离开，黑尔戈兰岛正在恢复其原有的名声，即作为商业捕鱼中心和令人心旷神怡的旅游胜地。对海森堡来说，最重要的是，这里清风徐徐，可以远离过敏源。

久违的美景。赫尔戈兰岛是一个热门旅游胜地，那里有清新凉爽的海风，这为海森堡缓解了严重的花粉症，让他能够专注于他的量子力学开创性工作。丨图片来源：Aleksandra Tokarz

1925 年 6 月 6 日星期六，海森堡登上黑尔戈兰岛，又是咳嗽又是喷嚏连连，脸肿得让女房东断定他刚刚打了一架。她把海森堡安置在自己旅店二楼一个安静的房间里，面朝大海，可以俯瞰海滩。但他并没有停止工作。“接下来的十天里，在那片荒凉、无草的岛屿上究竟发生了什么，一直是人们猜测且带着相当浪漫主义色彩的主题。”历史学家David Cassidy在他的 1992 年著作《不确定性：维尔纳·海森堡的生平与科学》（Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg）中写道。

几十年后，海森堡在回忆中提到，他反复思考自己所掌握的一切，开始构建关于可观测量（频率和振幅）的方程，这些方程被他称为“量子力学级数”（quantum-mechanical series）。他勾勒出一个粗略的数学框架，但这个框架笨拙而复杂，以至于他甚至不能确定它是否遵守能量守恒定律——显然这是必须的。一天晚上，海森堡转向了这个问题。

“当我发现最初的几项似乎符合能量守恒时，我非常兴奋，”他在其1971年的著作Physics and Beyond（译者注：本书有中译本《原子物理学的发展和社会》，1985年版）中这样写道。但他依然非常疲惫，以至于开始在数学推导上出错。“结果，直到凌晨三点，计算结果才终于摆在我面前。”这项工作似乎仍未完成，但他的情绪中充满了忧虑与渴望——它成功地让他瞥见了一个全新的世界，即使并未被详尽地描绘出来。

“我深感震惊。”海森堡继续写道，“我有一种感觉，透过原子现象的表面，我正在窥视一个奇异而美丽的内部世界。一想到我现在必须探究大自然如此慷慨地展现于我面前的这些丰富的数学结构，我几乎发狂了。我激动得无法入睡，于是，当黎明到来时，我前往岛的南端，那里有一块延伸至大海中的岩壁，我一直渴望攀登上去。现在我毫不费力地爬了上去，等待着太阳升起。”

黑尔戈兰岛上发生了什么？

历史学家对海森堡的叙述持怀疑态度。在2023年出版的《构建量子力学：过渡期，1923-1927（第二卷）》（Constructing Quantum Mechanics Volume Two: The Arch, 1923-1927）一书中，作者Anthony Duncan和 Michel Janssen认为，海森堡“在1925年6月访问黑尔戈兰期间的进展，并没有后来传记对这一时期描述得那么大”。他们相信，海森堡在 Physics and Beyond 中可能“错误记忆了四十年前在黑尔戈兰岛取得的成果”。

更重要的是，正如Cassidy在《不确定性》中质疑的，如果海森堡没有带上所有的参考书（而他显然没有），他又怎能如此确信自己的结果符合能量守恒呢？难道真的如Cassidy怀疑的那样，海森堡完全记住了相关数据？

另一个历史学家Alexei Kojevnikov甚至怀疑海森堡是否完全坦诚地解释了其灵感的来源。在他2020年的著作《哥本哈根网络：从博士后视角看量子力学的诞生》（The Copenhagen Network: The Birth of Quantum Mechanics from a Postdoctoral Perspective）中，Kojevnikov指出，逃离像玻尔、玻恩、克勒尼希、泡利和索末菲这样强势导师的影响，是海森堡创造力的关键。“为了实现他最大胆的思想突破，” Kojevnikov写道，“海森堡不得不从学术导师的权威中逃离，来到北海一座小岛上，处于暂时孤独与自由之中。”

无论那座岛上到底发生了什么，有一点是明确的，正如Cassidy在书中所总结：“海森堡取得了突破。”他在到达黑尔戈兰十天后离开，返回哥廷根，迅速完成了一篇论文，并于1925年9月发表在《物理学杂志》（Zeitschrift für Physik）上。在文章中，海森堡写道：“无法通过可观测量的方式得到电子空间位置随时间变化的函数。”他随后建议：“完全放弃对那些迄今无法观测的量（如电子的位置和轨道周期）的任何希望，似乎更为明智。”

对于现代人来说，海森堡的这些评论似乎并不特别。然而，对于那些沉浸在牛顿力学中的人来说，他的观点几乎是不可想象的。当然，完全放弃这些量的可观测性的想法并不完全正确。在某些条件下，谈论它们的观测是有意义的。但他们的确理解了海森堡采取的方案。

问题在于，他的方案中的“量子力学关系”产生了“非对易”的公式，这种令人不安的不对称性无疑是物理理论中一个错误的特征。海森堡几乎将这一点掩盖在他的《物理学杂志》文章中，仅缩减到一句话。

另一方面，数学功力更为深厚的玻恩意识到这些数学公式有些熟悉，很快就意识到海森堡那些用古怪表格表示的所谓“量子力学关系”实际上就是数学家所说的矩阵。海森堡并不满意对他的工作有这样的名字，曾考虑重用他所称的“量子力学级数”。

幸运的是，他没有这样做，否则“黑尔戈兰2025”会议的依据就更加难以描述了。玻恩则对与传统数学的联系感到高兴。特别是，他发现，当与动量相关的矩阵p和与位置相关的矩阵q按不同顺序相乘时，它们之间的差异与普朗克常数h成正比。

正如玻恩在1956年《我这一代的物理学》（Physics in My Generation）一书中所写：“我永远不会忘记，当我成功地将海森堡关于量子条件的想法浓缩成那神秘的方程pq-qp=h/2πi时，我所经历的激动，那是新力学的核心，后来发现它意味着不确定性关系。”1926年2月，玻恩、海森堡和约当发表了一篇里程碑式的论文，阐明了这一方程的意义。最终，物理学家们有了量子领域的“地图”。

近四十年后，在一次与历史学家托马斯·库恩（Thomas Kuhn，1922-1996）的访谈中，海森堡回忆起泡利对这一进展的“极其热情”的反应。“（泡利）大概说了‘Morgenröte einer Neuzeit’，”海森堡告诉库恩，“新时代的曙光。”但在这一曙光之后，并不是一帆风顺的。一些物理学家对海森堡的新力学并不感兴趣，而另一些则完全持怀疑态度。

海森堡（右）因“创造量子力学”而获得1932年诺贝尔物理学奖，同年获得奖还有保罗·狄拉克（Paul Dirac，1902-1984）和薛定谔，图为1933年12月在斯德哥尔摩举行的诺贝尔颁奖典礼上薛定谔（左）与瑞典国王古斯塔夫五世（中）合影。丨图片来源：AIP Emilio Segrè Visual Archives

不过，成功的应用不断出现。泡利将方程应用于氢原子发光，并推导出了巴尔末公式，这是一个自19世纪80年代中期以来就得到的经验规则。接着，发生了科学史上最令人震惊的巧合之一，奥地利物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger，1887-1961）基于一种更加熟悉的数学基础——“波动力学”，绘制出了量子领域的完整地图。关键是，海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学结果竟然是相同的。

随之而来的是更为深远的含义。在1926年9月发表在《自然科学》（Naturwissenschaften）上的一篇文章中，海森堡写道，我们的“普通直觉”在亚原子领域不再适用。“因为电子和原子并不像我们日常经验中的物体那样具有物理实在性，”他说，“对电子和原子特有的物理实在的研究，正是量子力学的主题。”

令人惊恐的是，量子力学正在颠覆现实本身，因为它引入的不确定性不仅仅是数学上的，而且是“本体论的”（Ontological）——意味着它涉及宇宙的基本特征。次年初，海森堡在与泡利的通信中推导出了方程ΔpΔq≥ћ/4π，即“不确定性原理”（Uncertainty principle），它成为了量子力学的标准。然而，量子力学的“新生儿并发症”依然存在，甚至有些变得更复杂了。

促进沟通的会议

距离海森堡登上黑尔格兰岛一百年过去了，量子力学仍然让物理学家们感到困惑。耶鲁大学的量子物理学家Jack Harris坦言：“我认为大多数人都同意，我们仍然在努力理解甚至是最基本的非相对论量子力学。”他与Časlav Brukner、Steven Girvin 和 Florian Marquardt 一起共同组织了“黑尔戈兰2025”会议。

“我们还没有完全理解量子世界，”来自史蒂文斯理工学院的Igor Pikovsky补充道，他主要研究引力现象和量子光学。“我们应用它、推广它，发展量子场论等等，但仍有很多领域是未知的。”他指出，哲学家和量子物理学家一直在就量子力学的诠释和基础问题展开激烈辩论，但这些讨论的结果并不明确。

“黑尔戈兰2025”有望改变这一切。实验技术的进步使我们能够提出关于量子力学新类型的基础性问题。“你有机会在完全不同的尺度上研究量子物理，” Pikovsky说。“你可以搭造类似薛定谔猫的宏观量子系统，或者非常庞大的量子系统进行测试。你不需要再就是否存在测量问题或经典与量子之间的界限进行哲学上的辩论——你可以通过实验来研究这些问题。”

量子力学难题中的一个基本现象是纠缠，它使得一个系统的量子状态无法独立于其他系统的状态来描述。由于爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）论文，吴健雄（Chien-Shiung Wu，1912-1997）和欧文·沙克诺夫（Irving Shaknov）在1949年实现了纠缠的实验演示，以及约翰·贝尔（John Bell，1928-1990）于1964年提出的定理，物理学家们知道，系统中的纠缠是量子力学如此奇怪的重要组成部分。

理解这些纠缠现象，反过来使得物理学家们意识到信息在量子力学中是一个基本的物理概念。Harris 表示，“即使是一个基本的物理量子系统，其行为也取决于它在其他系统中存储的信息。这不仅是深入了解量子力学告诉我们世界本质的起点，也是应用它的起点。”

因此，“黑尔戈兰2025”会议将聚焦于量子力学基础与应用之间的双向交流，这场活动将成为一次独特的盛会。Harris补充道：“这次会议的目的是起到一种催化剂的作用。有些人可能没有意识到其他领域中有研究类似问题的人，还有许多人从未见过面。”会议还将通过学生的参与和海报展示环节等进一步丰富学科多样性，涵盖更广泛的研究主题。

理论物理学家Ana Maria Rey对这样的交流充满期待，她是科罗拉多大学博尔德分校的教授，同时也是美国天体物理联合实验室（JILA）的研究员，她研究量子现象，改进了原子钟并推动了量子计算的进步。“将会有研究黑洞的人参会，我很熟悉他们的研究，但我们从未见过面，”她说。在这里相遇应该很容易：这个岛非常小，而且只有一小群人受邀参会。

黑尔戈兰会议的另一特别之处在于，应用研究与理论研究的参与者数量几乎相当。但这并没有让瑞典斯德哥尔摩大学的物理学家Magdalena Zych感到意外。“我偏向这种模式，因为我的学术生涯在维也纳起步，Anton Zeilinger的研究团队一直致力将理论与应用相结合，”她说。

Zych的团队最近发现了一种利用不确定性原理更好地理解复合粒子的半经典时空轨迹的方法。她计划在黑尔戈兰会议上讨论，该研究在特定情况下依赖于海森堡的理论，是具体理论工作的产物，同时具有更普遍的适用性。“这与会议的主题呼应，既回顾过去又展望未来，同时涵盖从理论到应用的广泛领域。”

遗憾的是，参会者无法参观海森堡的旧居，也无法参观他可能去过的地方。在第二次世界大战期间，德国再次将黑尔戈兰的居民迁出，并将岛屿变成军事基地。战后，盟军在岛上引爆了曾堆放在这里的炸药，据说这是历史上最大的常规爆炸之一。随后，被夷为平地的家园被归还给了它的居民。

黑尔戈兰岛南端还有伸向大海的岩石，其中之一可能是海森堡清晨攀登并获得灵感的地方。即使他的故事有着浓厚的神话色彩，“黑尔戈兰2025”会议的参与者并没被要求预示另一个黎明。Harris说，“我们不会变成 300 个海森堡去徒步旅行。当然我们也不会逃避彼此。”

科学史学家Mario Biagioli曾撰写了一篇题为“科学革命不朽”的文章，强调科学的关键发展多么的随心所欲——无论其影响力或持续时间如何，还是在特定时间地点开始和结束，每一代科学家都会在前人全新的发现中挖掘出更多东西。许多人致力于解决即将在“黑尔戈兰2025”会议上讨论的基础性问题，新的曙光必将出现。

一百年后，量子革命依然充满活力。

“黑尔戈兰2025”会议将于 2025 年 6 月 9 日至 14 举行，量子物理领域的盛会正待召开。五位量子基础领域的诺贝尔奖得主将出席：2012 年因测量和操纵单个量子系统而获奖的戴维·温利兰（David Wineland）和塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）；2022 年因量子信息科学工作而获奖的阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·克劳瑟（John Clauser）和安东·泽林格（Anton Zeilinger）。

量子密码学、量子传输以及其他应用领域的先驱查尔斯·贝内特（Charles Bennett）和吉勒斯·布拉萨德（Gilles Brassard）也将出席。此外，还有量子传感领域的专家卡尔顿·凯夫斯（Carlton Caves）。产业界的研究人员也计划参加，包括微软量子部门副总裁克里斯塔·斯沃尔（Krysta Svore）。其他与会者则来自基础研究与应用的交叉领域，其中一些研究人员专注于引力研究，主要是量子引力唯象学（Quantum gravity phenomenology），目标是寻找这种效应的实验迹象。还有学者致力于量子时钟、光控制的新方法，例如利用LIGO中的压缩光来探测引力波。

活动将于6月9日在汉堡拉开帷幕，届时将举办一场宴会和几场演讲。次日早晨，参会者将乘渡轮前往黑尔戈兰岛，开始为期一周的会议，举行讲座、专题讨论和海报展示等活动。所有演讲均为全体大会形式，而在晚上，大约六人组成的小组将讨论每位量子物理学家都熟悉却很少在研究论文中涉及的更大问题。例如，究竟是什么使得量子力学能够与如此多的诠释兼容？

如果你打算参加，恐怕机会渺茫。注册已于2024年4月截止，并且住宿方面几乎被订满。参与者们不得不共用双人房，或者被邀请自带装备在海滩上露营。

本文基于知识共享许可协议（CC BY-NC）译自Robert P Crease, Return to Helgoland: celebrating 100 years of quantum mechanics. 原文地址：https://physicsworld.com/a/return-to-helgoland-celebrating-100-years-of-quantum-mechanics/

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