以最简单的氢原子为例。
先是原子吸收和射光谱的频率。
假设氢原子中的电子一共有4个不同的能级。
即能级为1、2、3、4。
那么它一共能出多少种不同频率的电磁波呢?
海森堡开始用记账的方式,用顺序写下来:
从低能级跃迁到高能级的电磁波,属于吸收光谱。】
v12、v13、v14;
v23、v24;
v34;
从高能级跃迁到低能级的电磁波,属于射光谱。】
v21、v31、v41;
v32、v42;
v43;
若氢原子一共有n个轨道,则它的所有频率可以写成一个数组:vmn。
同理,根据光谱强度,得到的所有频率电磁波出现的概率,也可以写成一个数组。
用g表示概率,则该数组为gmn。
且,vmn和gmn是一一对应的关系。
此刻,海森堡的大脑无比轻灵。
布鲁斯教授提出的唯二可观测的量,被他整理成两个对应的数组。
这样看起来就非常整齐。
下一步,就是研究两个数组之间的关系。
这时,他想到了当初布鲁斯教授现量子概念时,最重要的一个过程:
简谐振子!
这是物理学中的一个完美模型,有点像后世的“质点”概念。
简谐振子就是把质点挂在弹簧上,做正弦或者余弦曲线的往复运动的物理模型。
当时李奇维就是用这个概念,解释了热能的辐射和吸收,提出量子。
物理学领域,有很多现象都可以描述成大量简谐振子的组合。
比如构成晶体的粒子的振动等。
形象地理解,可以类比成数学中的傅里叶变换。
它能把任意复杂的函数,最终都变成sin、cos这种简单的函数组合。
而简谐振子是把复杂的物理过程,变换成简谐振子的运动。
这样处理起来就非常简单了。
海森堡越想越激动,他的思维运转的也越来越快。
他先假设:不同频率的电磁波,都是由不同频率的简谐振子出的。
简谐振子具有两个重要的物理量:动量p】和偏离原点的位移d】。
由于简谐振子是电磁波,所以它们的物理量也就变成了数组的形式。
即p是一个数组,d也是一个数组。
很快,海森堡就写出了一个奇怪的东西。
一个大框内,整齐地排列着vmn和gmn的数据。
他开始尝试各种运算,来研究p和d之间的关系。
忽然,他现了一个极其匪夷所思的现象:
p乘以d】竟然不等于d乘以p】!
用数学语言表示就是:pxd≠dxp!
哗!