前言：一场“看不见轨道”的赌局

1925年7月，德国北海上的一座孤岛--赫尔戈兰(Helgoland)，一名23岁的年轻人正发着高烧。他叫维尔纳·海森堡，此刻他脑中盘旋着一个疯狂的想法：“如果电子根本没有轨道呢?”

这个念头像一颗炸弹，炸开了经典物理的铜墙铁壁。一个月后，他提交的论文《论量子理论对运动学和力学的重新解释》，彻底改写了人类对微观世界的认知。这场量子革命的序幕，竟始于一场花粉过敏引发的头脑风暴。

图1 维尔纳·海森堡(Werner Karl Heisenberg)，摄于 1925 年。图片来源: Getty

第一章

旧量子论的董昏: 玻尔的“行星模型”，为何成了科学界的“花瓶”?

20世纪初，物理学家们痴迷于用经典力学“驯服”原子。玻尔和索未菲提出的“行星模型”一度风靡，“电子像行星绕太阳一样，在特定轨道上运行”。这套理论完美解释了气原子光谱，甚至预言了磁场下的光谱分裂(塞曼效应)，

但问题来了：

• 氢分子?算不准!

• 多电子原子?直接崩盘!

• 氦原子光谱?实验结果和理论偏差大到离谱!

1923年，海森堡和导师马克斯·玻恩埋头计算氨原子，结果被现实狠狠打脸。玻恩哀叹：“我们必须重建整个物理概念体系!”海森堡更毒舌：“所谓的电子轨道，既不真实也不存在。”

图2 电子像行星绕太阳一样，在特定轨道上运行

第二章

海森堡的“量子奥本海默时刻”: 只相信“看得见”的数据

在赫尔戈兰岛养病期间，海森堡做了一个大胆决定:放弃一切不可观测的概念。位置、轨道、连续运动?统统踢出理论!他转而用“能量跃迁概率”和“频率”构建数学方程--这就是矩阵力学的雏形。

他在给泡利的信中写道：“我要彻底杀死轨道概念!反正它们也观测不到。”这份“叛逆宣言”成了量子力学的出生证明。但问题还没完--矩阵力学的数学形式复杂到令人崩溃，连海森堡自己都嘀咕:“这些方程到底啥意思?”

图3 德国的赫尔戈兰岛，维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)在那里写下了关于量子理论的突破性论文。图片来源：Getty

第三章

薛定谔的绝地反击:  波 vs 矩阵的巅峰对决

1926年，奥地利物理学家薛定谔带着“波动力学"杀入战场。他怒斥矩阵力学是“数学杂技”，并宣称:“电子不是粒子，而是驻波!”

他的方程优雅简洁，能轻松算出氢原子能级，还符合科学家对“可视化”的执念。但海森堡立刻回怼:

• 光电效应?波动力学解释不了!

• 斯特恩-盖拉赫实验?波函数直接圈!

• 多粒子系统?得在抽象的高维空间写方程!

科学史上最戏剧性的一幕上演了:

• 矩阵派(哥廷根学派)：沉迷矩阵乘法，认为“可视化是古典时代的遗毒”

• 波动派(薛定谔)：坚信“物理必须能用三维空间描述”，甚至试图把波函数解释成电荷云。

最后，马克斯·玻恩一锤定音：波函数的模方代表概率! 量子世界的“骰子”从此被掷出。

图4 薛定谔：(Erwin Schr?dinger)。图片来源：Bettmann/Getty

第四章

爱因斯坦的倔强: 上帝不掷殷子!大佬们的“量子焦虑症”

1927年索尔维会议上，量子力学迎来终极审判。尽管矩阵和波动力学已被证明数学等价，但大佬们吵翻了天:

• 爱因斯坦(拍桌子)：“这不过是统计把戏!根本没说清单个过程！"

• 薛定谔(叹气)：“我的波函数明明该描述实在，怎么变成概率了?”

• 德布罗意(扶额)：“我提出物质波，可不是为了搞玄学!"

唯有海森堡昂首宣布：“量子力学已是完备理论!"他还扔出“不确定性原理”王炸：越精确知道位置，动量就越模糊--这不是技术限制，而是自然本质!

第五章

量子力学: 一场理论革命，如何重塑人类文明?

尽管哲学争议未消，量子力学已彻底改变世界:

• 化学键(1927)：海特勒-伦敦用量子力学解释原子为何“牵手”。

• 半导体(1931)：能带理论揭开硅晶体的导电奥秘，为晶体管奠基。

• 激光(1958)：爱因斯坦1916年提出的受激辐射，靠量子力学才实现。

• MRI核磁共振：依赖原子核的量子自旋特性。

正如海森堡的学生维克多·魏斯科普夫回忆："那些困扰学界几十年的难题--分子结构、金属导电、原子光谱--在是子力学面前土崩瓦解。”

终   章

未来已来: 量子2.0时代的人类狂想

站在2025年(联合国“量子科学与技术国际年”)回望，这场百年前的革命仍在发酵:

• 量子计算机：操纵叠加态，破解经典算法望尘莫及的问题。

• 量子加密：利用不可克隆原理，打造“黑客绝缘“通信。

• 量子引力：试图缝合广义相对论与量子力学的“最后一块拼图”。

但深层的哲学问题依然悬而未决:

• 波函数是数学工具还是物理实在?

• 多重世界是否存在?

• 观察者究竟扮演什么角色?

或许正如海森堡所言:“量子力学告诉我们，自然井非存在，而是‘显现’。”这场始于孤岛的思维革命，仍在挑战人类认知的边界。而我们，正站在下一个奇迹的门口。

彩   蛋

一次散步，开启量子之门

1922年，年轻的海森堡在哥廷根听完玻尔的演讲后，鼓起勇气提出了反对意见。玻尔不仅没有生气，反而邀请他一起去郊外散步，深入讨论量子理论的奥秘。这次散步，不仅让海森堡彻底折服，还开启了他通往量子力学峰的大门。

图5 海森堡(左)和玻尔(右)

关注《自然》杂志原文

DOI：https://doi.org/10.1038/d41586-024-04217-0

(本文基于澳大利亚墨尔本大学Kristian Camileri发表于《自然》的短文撰写，内容有增减。本栏目所有编译和统稿文章旨在科学传播和学习交流，非商业用途。)

编译|吉  勋

指导|刘玉龙

1925年7月，德国北海上的一座孤岛——赫尔戈兰（Helgoland），一名23岁的年轻人正发着高烧。他叫维尔纳·海森堡，此刻他脑中盘旋着一个疯狂的想法：“如果电子根本没有轨道呢？”

这个念头像一颗炸弹，炸开了经典物理的铜墙铁壁。一个月后，他提交的论文《论量子理论对运动学和力学的重新解释》，彻底改写了人类对微观世界的认知。这场量子革命的序幕，竟始于一场花粉过敏引发的头脑风暴。

1925年7月，德国北海上的一座岛——赫尔戈兰（Helgoland），一名23岁的年轻人正发着高烧。他叫维尔纳·海森堡，此刻他脑中盘旋着一个疯狂的想法：“如果电子根本没有轨道呢？”

这个念头像一颗炸弹，炸开了经典物理的铜墙铁壁。一个月后，他提交的论文《论量子理论对运动学和力学的重新解释》，彻底改写了人类对微观世界的认知。这场量子革命的序幕，竟始于一场花粉过敏引发的头脑风暴。