上帝掷骰子吗-第18节

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切，方法就是通过傅立叶分析把一个混合的音波分解成一系列的简谐波。大家可能要感叹　
，人耳竟然能够在瞬间完成这样复杂的数学分析，不过这其实是自然的进化而已。譬如守　
门员抱住飞来的足球，从数学上说相当于解析了一大堆重力和空气动力学的微分方程并求　
出了球的轨迹，再比如人本能的趋利避害的反应，从基因的角度说也相当于进行了无数风　
险概率和未来获利的计算。但这都只是因为进化的力量使得生物体趋于具有这样的能力而　
已，这能力有利于自然选择，倒不是什么特殊的数学能力所导致。　
　
回到正题，在玻尔和索末菲的旧原子模型里，我们已经有了电子运动方程和量子化条件。　
这个运动同样可以利用傅立叶分析的手法，化作一系列简谐运动的叠加。在这个展开式里　
的每一项，都代表了一个特定频率。现在，海森堡准备对这个旧方程进行手术，把它彻底　
地改造成最新的矩阵版本。但是困难来了，我们现在有一个变量p，代表电子的动量，还　
有一个变量q，代表电子的位置。本来，在老方程里这两个变量应当乘起来，现在海森堡　
把p和q都变成了矩阵，那么，现在p和q应当如何再乘起来呢？　
　
这个问题问得好：你如何把两个“表格”乘起来呢？　
　
或者我们不妨先问自己这样一个问题：把两个表格乘起来，这代表了什么意义呢？　
　
为了容易理解，我们还是回到我们那个巴士车费的比喻。现在假设我们手里有两张海森堡　
制定的车费表：矩阵I和矩阵II，分别代表了巴士I号线和巴士II号线在某地的收费情况。　
为了简单起见，我们假设每条线都只有两个站，A和B。这两个表如下：　
　
I号线（矩阵I）：　
　　A　B　
A　1　2　
B　3　1　
　
II号线（矩阵II）：　
　　A　B　
A　1　3　
B　4　1　
　
好，我们再来回顾一下这两张表到底代表了什么意思。根据海森堡的规则，数字的横坐标　
代表了起点站，纵坐标代表了终点站。那么矩阵I第一行第一列的那个1就是说，你坐巴士　
I号线，从A地出发，在A地原地下车，车费要1块钱（啊？为什么原地不动也要付1块钱呢　
？这个……一方面是比喻而已，再说你可以把1块钱看成某种起步费。何况在大部分城市　
的地铁里，你进去又马上出来，的确是要在电子卡里扣掉一点钱的）。同样，矩阵I第一　
行第二列的那个2是说，你坐I号线从A地到B地，需要2块钱。但是，如果从B地回到A地，　
那么就要看横坐标是B而纵坐标是A的那个数字，也就是第二行第一列的那个3。矩阵II的　
情况同样如此。　
　
好，现在我们来做个小学生水平的数学练习：乘法运算。只不过这次乘的不是普通的数字　
，而是两张表格：I和II。I×II等于几？　
　
让我们把习题完整地写出来。现在，boys　and　girls，这道题目的答案是什么呢？　
　
┏　　　　　┓　　　　┏　　　　　┓　
┃　1　2　┃　　　　┃　1　3　┃　
┃　3　1　┃　×　　┃　4　1　┃　＝　？　
┗　　　　　┛　　　　┗　　　　　┛　
　
　
*********　
饭后闲话：男孩物理学　
　
1925年，当海森堡做出他那突破性的贡献的时候，他刚刚24岁。尽管在物理上有着极为惊　
人的天才，但海森堡在别的方面无疑还只是一个稚气未脱的大孩子。他兴致勃勃地跟着青　
年团去各地旅行，在哥本哈根逗留期间，他抽空去巴伐利亚滑雪，结果摔伤了膝盖，躺了　
好几个礼拜。在山谷田野间畅游的时候，他高兴得不能自已，甚至说“我连一秒种的物理　
都不愿想了”。　
　
量子论的发展几乎就是年轻人的天下。爱因斯坦1905年提出光量子假说的时候，也才26岁　
。玻尔1913年提出他的原子结构的时候，28岁。德布罗意1923年提出相波的时候，31岁。　
而1925年，当量子力学在海森堡的手里得到突破的时候，后来在历史上闪闪发光的那些主　
要人物也几乎都和海森堡一样年轻：泡利25岁，狄拉克23岁，乌仑贝克25岁，古德施密特　
23岁，约尔当23岁。和他们比起来，36岁的薛定谔和43岁的波恩简直算是老爷爷了。量子　
力学被人们戏称为“男孩物理学”，波恩在哥廷根的理论班，也被人叫做“波恩幼儿园”　
。　
　
不过，这只说明量子论的锐气和朝气。在那个神话般的年代，象征了科学永远不知畏惧的　
前进步伐，开创出一个前所未有的大时代来。“男孩物理学”这个带有传奇色彩的名词，　
也将在物理史上镌刻出永恒的光芒。　

三　
　
上次我们布置了一道练习题，现在我们一起来把它的答案求出来。　
　
　
┏　　　　　┓　　　　┏　　　　　┓　
┃　1　2　┃　　　　┃　1　3　┃　
┃　3　1　┃　×　　┃　4　1　┃　＝　？　
┗　　　　　┛　　　　┗　　　　　┛　
　
如果你还记得我们那个公共巴士的比喻，那么乘号左边的矩阵I代表了我们的巴士I号线的　
收费表，乘号右边的矩阵II代表了II号线的收费表。I是一个2×2的表格，II也是一个2×　
2的表格，我们有理由相信，它们的乘积也应该是类似的形式，也是一个2×2的表格。　
　
┏　　　　　┓　　　　┏　　　　　┓　　　　┏　　　　　┓　
┃　1　2　┃　　　　┃　1　3　┃　　　　┃　a　b　┃　
┃　3　1　┃　×　　┃　4　1　┃　＝　┃　c　d　┃　
┗　　　　　┛　　　　┗　　　　　┛　　　　┗　　　　　┛　
　
但是，那答案到底是什么？我们该怎么求出abcd这四个未知数？更重要的是，I×II的意　
义是什么呢？　
　
海森堡说，I×II，表示你先乘搭巴士I号线，然后转乘了II号线。答案中的a是什么呢？a　
处在第一行第一列，它也必定表示从A地出发到A地下车的某种收费情况。海森堡说，a，　
其实就是说，你搭乘I号线从A地出发，期间转乘II号线，最后又回到A地下车。因为是乘　
法，所以它表示“I号线收费”和“II号线收费”的乘积。但是，情况还不是那么简单，　
因为我们的路线可能不止有一种，a实际代表的是所有收费情况的“总和”。　
　
如果这不好理解，那么我们干脆把题目做出来。答案中的a，正如我们已经说明了的，表　
示我搭I号线从A地出发，然后转乘II号线，又回到A地下车的收费情况的总和。那么，我　
们如何具体地做到这一点呢？有两种方法：第一种，我们可以乘搭I号线从A地到B地，然　
后在B地转乘II号线，再从B地回到A地。此外，还有一种办法，就是我们在A地上了I号线　
，随即在原地下车。然后还是在A地再上II号线，同样在原地下车。这虽然听起来很不明　
智，但无疑也是一种途径。那么，我们答案中的a，其实就是这两种方法的收费情况的总　
和。　
　
现在我们看看具体数字应该是多少：第一种方法，我们先乘I号线从A地到B地，车费应该　
是多少呢？我们还记得海森堡的车费规则，那就看矩阵I横坐标为A纵坐标为B的那个数字　
，也就是第一行第二列的那个2，2块钱。好，随后我们又从B地转乘II号线回到了A地，这　
里的车费对应于矩阵II第二行第一列的那个4。所以第一种方法的“收费乘积”是2×4＝8　
。但是，我们提到，还有另一种可能，就是我们在A地原地不动地上了I号线再下来，又上　
II号线再下来，这同样符合我们A地出发A地结束的条件。这对应于两个矩阵第一行第一列　
的两个数字的乘积，1×1＝1。那么，我们的最终答案，a，就等于这两种可能的叠加，也　
就是说，a＝2×4＋1×1＝9。因为没有第三种可能性了。　
　
同样道理我们来求b。b代表先乘I号线然后转乘II号线，从A地出发最终抵达B地的收费情　
况总和。这同样有两种办法可以做到：先在A地上I号线随即下车，然后从A地坐II号线去B　
地。收费分别是1块（矩阵I第一行第一列）和3块（矩阵II第一行第二列），所以1×3＝3　
。还有一种办法就是先乘I号线从A地到B地，收费2块（矩阵I第一行第二列），然后在B地　
转II号线原地上下，收费1块（矩阵II第二行第二列），所以2×1＝1。所以最终答案：b　
＝1×3＋2×1＝5。　
　
大家可以先别偷看答案，自己试着求c和d。最后应该是这样的：c＝3×1＋1×4＝7，d＝3　
×3＋1×1＝10。所以：　
　
┏　　　　　┓　　　　┏　　　　　┓　　　　┏　　　　　┓　
┃　1　2　┃　　　　┃　1　3　┃　　　　┃　9　5　┃　
┃　3　1　┃　×　　┃　4　1　┃　＝　┃　7　10┃　
┗　　　　　┛　　　　┗　　　　　┛　　　　┗　　　　　┛　
　
很抱歉让大家如此痛苦不堪，不过我们的确在学习新的事物。如果你觉得这种乘法十分陌　
生的话，那么我们很快就要给你更大的惊奇，但首先我们还是要熟悉这种新的运算规则才　
是。圣人说，温故而知新，我们不必为了自己新学到的东西而沾沾自喜，还是巩固巩固我　
们的基础吧，让我们把上面这道题目验算一遍。哦，不要昏倒，不要昏倒，其实没有那么　
乏味，我们可以把乘法的次序倒一倒，现在验算一遍II×I：　
　
┏　　　　　┓　　　　┏　　　　　┓　　　　┏　　　　　┓　
┃　1　3　┃　　　　┃　1　2　┃　　　　┃　a　b　┃　
┃　4　1　┃　×　　┃　3　1　┃　＝　┃　c　d　┃　
┗　　　　　┛　　　　┗　　　　　┛　　　　┗　　　　　┛　
　
我知道大家都在唉声叹气，不过我还是坚持，复习功课是有益无害的。我们来看看a是什　
么，现在我们是先乘搭II号线，然后转I号线了，所以我们可以从A地上II号线，然后下来　
。再上I号线，然后又下来。对应的是1×1。另外，我们可以坐II号线去B地，在B地转I号　
线回到A地，所以是3×3＝9。所以a＝1×1＋3×3＝10。　
　
喂，打瞌睡的各位，快醒醒，我们遇到问题了。在我们的验算里，a＝10，不过我还记得　
，刚才我们的答案说a＝9。各位把笔记本往回翻几页，看看我有没有记错？嗯，虽然大家　
都没有记笔记，但我还是没有记错，刚才我们的a＝2×4＋1×1＝9。看来是我算错了，我　
们再算一遍，这次可要打起精神了：a代表A地上车A地下车。所以可能的情况是：我搭II　
号线在A地上车A地下车（矩阵II第一行第一列），1块。然后转I号线同样在A地上车A地下　
车（矩阵I第一行第一列），也是1块。1×1＝1。还有一种可能是，我搭II号线在A地上车　
B地下车（矩阵II第一行第二列），3块。然后在B地转I号线从B地回到A地（矩阵II第二行　
第一列），3块。3×3＝9。所以a＝1＋9＝10。　
　
嗯，奇怪，没错啊。那么难道前面算错了？我们再算一遍，好像也没错，前面a＝1＋8＝9　
。那么，那么……谁错了？哈哈，海森堡错了，他这次可丢脸了，他发明了一种什么样的　
表格乘法啊，居然导致如此荒唐的结果：I×II　≠　II×I。　
　
我们不妨把结果整个算出来：　
　
　
　　　　　　　　┏　　　　　┓　
　　　　　　　　┃　9　5　┃　
I×II＝　　┃　7　10┃　
　　　　　　　　┗　　　　　┛　
　　　　　　　　┏　　　　　┓　
　　　　　　　　┃　10　5┃　
II×I＝　　┃　7　9　┃　
　　　　　　　　┗　　　　　┛　
　
的确，I×II　≠　II×I。这可真让人惋惜，原来我们还以为这种表格式的运算至少有点创　
意的，现在看来浪费了大家不少时间，只好说声抱歉。但是，慢着，海森堡还有话要说，　
先别为我们死去的脑细胞默哀，它们的死也许不是完全没有意义的。　
　
大家冷静点，大家冷静点，海森堡摇晃着他那漂亮的头发说，我们必须学会面对现实。我　
们已经说过了，物理学，必须从唯一可以被实践的数据出发，而不是靠想象和常识习惯。　
我们要学会依赖于数学，而不是日常语言，因为只有数学才具有唯一的意义，才能告诉我　
们唯一的真实。我们必须认识到这一点：数学怎么说，我们就得接受什么。如果数学说I　
×II　≠　II×I，那么我们就得这么认为，哪怕世人用再嘲讽的口气来讥笑我们，我们也　
不能改变这一立场。何况，如果仔细审查这里面的意义，也并没有太大的荒谬：先搭乘I　
号线，再转II号线，这和先搭乘II号线，再转I号线，导致的结果可能是不同的，有什么　
问题吗？　
　
好吧，有人讽刺地说，那么牛顿第二定律究竟是F＝ma，还是F＝am呢？　
　
海森堡冷冷地说，牛顿力学是经典体系，我们讨论的是量子体系。永远不要对量子世界的　
任何奇特性质过分大惊小怪，那会让你发疯的。量子的规则，并不一定要受到乘法交换率　
的束缚。　
　
他无法做更多的口舌之争了，1925年夏天，他被一场热病所感染，不得不离开哥廷根，到　
北海的一个小岛赫尔格兰（Helgoland）去休养。但是他的大脑没有停滞，在远离喧嚣的　
小岛