但是難題來了,我們現在有一個變量p,代表電子的動量;還有一個變量q,代表電子的位置。本來,這是兩個經典變量,我們應該把它們相乘,大家都沒有對此表示任何疑問。可現在,海森堡把它們改成了矩陣的表格形式,這就給我們的運算帶來了麻煩。p和q變成了兩個“表格”!請問,你如何把兩個“表格”乘起來呢?
或者我們不妨先問自己這樣一個問題:把兩個表格乘起來,這代表了什麼意義呢?
為了容易理解,我想讓大家做一道小學生水平的數學練習:乘法運算。隻不過這次乘的不是普通的數字,而是兩張表格:I和II。它們的內容見下:
I: II:
那麼,各位同學,I×II等於幾?這道題就當是今天的回家作業,現在我們暫時下課。
飯後閑話:男孩物理學
1925年,當海森堡做出他那突破性的貢獻的時候,他剛剛24歲。盡管在物理上有著極為驚人的天才,但海森堡在別的方麵無疑還隻是一個稚氣未脫的大孩子。他興致勃勃地跟著青年團去各地旅行,在哥本哈根逗留期間,他抽空去巴伐利亞滑雪,結果摔傷了膝蓋,躺了好幾個禮拜。在山穀田野間暢遊的時候,他高興得不能自已,甚至說“我連一秒種的物理都不願想了”。這種政治和為人處世上的天真在後來的歲月裏也一再地顯露出來。
量子論的發展幾乎就是年輕人的天下。愛因斯坦1905年提出光量子假說的時候,也才26歲。玻爾1913年提出他的原子結構的時候,28歲。德布羅意1923年提出相波的時候,31歲(還應該考慮到他並非科班出身)。而1925年,當量子力學在海森堡的手裏得到突破的時候,後來在曆史上閃閃發光的那些主要人物也幾乎都和海森堡一樣年輕:泡利25歲,狄拉克23歲,烏侖貝克25歲,古德施密特23歲,約爾當23歲。和他們比起來,36歲的薛定諤和43歲的波恩簡直算是老爺爺了。量子力學被人們戲稱為“男孩物理學”,波恩在哥廷根的理論班,也被人叫做“波恩幼兒園”。
不過,這隻說明量子論的銳氣和朝氣。在那個神話般的年代,象征了科學永遠不知畏懼的前進步伐,開創出一個前所未有的大時代來。“男孩物理學”這個帶有傳奇色彩的名詞,也將在物理史上鐫刻出永恒的光芒。
好了各位同學,我們又見麵了。上次我們布置了一道練習題,不知大家有沒有按時交作業呢?不管怎樣都好,現在我們一起來把它的答案求出來。
× =?
出於寓教於樂的目的,我們還是承接上一節,用比喻的方式來解答這個問題。大家還記得,每張表格代表了一種海森堡式的車費表,那麼現在我們的I和II就分別成了兩條路線的旅遊巴士,在兩個城市之間來往,隻不過收費有所不同而已。我們把它們稱為巴士I號線和巴士II號線。為了再形象化一點,我們假設這兩個城市是隔著羅湖橋比鄰的深圳和香港。
這樣的話,我們的表格就有了具體的現實意義。如前麵已經說明的那樣,表的橫坐標是出發站,縱坐標是終點站。所以對於巴士I號線來說,在深圳市內遊玩需要1塊車費,從深圳出發到香港則要8塊錢。反過來,從香港出發回深圳要7塊錢,而在香港市內觀光則需3塊 。II號表格裏的數字與此類似。
巴士I號線→深圳→香港
深圳→17
香港→83
巴士II號線→深圳→香港
深圳→25
香港→64
好吧,到目前為止一切都不錯,可是,這到底有什麼意思呢?I×II到底是多少呢?這種運算代表什麼意義呢?和我們的巴士旅遊線又有什麼關係呢?暫且不急,讓我們一步一步地來解決這個問題。
首先要把握大方向。I是一個2×2的表格,II也是一個2×2的表格。那麼,我們有理由去猜測,它們的乘積應該也是一個2×2的表格。
× =
位於左上角的a是多少呢?是不是簡單地把I號表左上角的1乘以II號表左上角的2,1×2=2就行了呢?我們要時時牢記車費表的現實意義:左上角代表了從深圳出發,還在深圳下車的總車費。1×2的確符合要求:先乘I號線在深圳遊玩一陣,隨後原地下車再搭II號線再次市內遊!總的路線是:深圳→深圳→深圳。起點和終點都在深圳,坐標在左上角,沒錯!
但是,我們忽略了另一條路線!左上角的a要求從深圳出發,最後在深圳下車,卻沒有規定整個過程全都在深圳市內!實際上,很容易想象另一條路線:深圳→香港→深圳,它依然符合起點和終點都在深圳的要求。這樣一來,我們必須先搭I號線去香港(收費7元),在香港轉搭II號線回深圳(收費6元),它們的乘積是7×6=42!
a最終的數值,應該是所有可能路線的疊加(深圳→?→深圳)。在本例中,隻有上述兩條路線,沒有第三種可能了。所以a=1×2+7×6=44。
很奇妙,是不是?我們再來看右上角的b。深圳出發香港下車,同樣也有兩種可能的路線:深圳→深圳→香港,或者深圳→香港→香港。要麼先乘I號線深圳市內遊再搭II號線到香港(1×5),要麼先乘I號線到香港然後轉II號線香港市內遊(7×4)。所以綜合來說,b=1×5+7×4=33。
大家可以先別偷看答案,自己試著求c和d。最後應該是這樣的:c=8×2+3×6=34,d=8×5+3×4=52。所以:
× =
很抱歉,我們處在一個非常奇幻的世界裏,雖然隻是小學水平的數字運算,可能也已經讓有些人痛苦不堪。不過大家必須承認,我們的確學到了一些新的事物,如果你覺得這種乘法十分陌生的話,那麼我們很快就要給你更大的驚奇,但首先我們還是要熟悉這種新的運算規則才是。聖人說,溫故而知新,我們不必為了自己新學到的東西而沾沾自喜,還是鞏固鞏固我們的基礎吧,讓我們把上麵這道題目驗算一遍。哦,不要昏倒,不要昏倒,其實沒有那麼乏味,我們可以把乘法的次序倒一倒,現在驗算一遍II×I: