海森堡 - 簡介
海森堡，量子力學(xué)的創(chuàng)立者之一。德國物理學(xué)家。1901年12月5日生于維爾茲堡，1976年2月1日卒于慕尼黑。享年75歲。
海森堡 - 生平
海森堡，德國物理學(xué)家、哲學(xué)家和社會活動家。他幫助建立了量子力學(xué)的現(xiàn)代科學(xué)，從中提出了著名的不確定性原理。他對流體力學(xué)的湍流理論、原子核理論、鐵磁性、宇宙線和基本粒子理論都有重要貢獻(xiàn)；第二次世界大戰(zhàn)后，他是設(shè)在卡爾斯魯厄的西德第一臺核反應(yīng)堆的規(guī)劃者。
在海森堡的哲學(xué)著作和方法論著作中可以看到，他深受N．玻爾和A．愛因斯坦的影響。從前者，他導(dǎo)出了科學(xué)發(fā)明的社會和對話性質(zhì)的概念；宏觀物理學(xué)和微觀物理學(xué)之間的對應(yīng)原理(實用主義和模型—理論的連續(xù)性)；經(jīng)典物理學(xué)的永恒性，但不一定有普適性；在微觀物理學(xué)中，科學(xué)觀測者的作用是相互的而不是被動的，因而微觀物理學(xué)的定理有按照上下文而定的特點。從愛因斯坦那里，他導(dǎo)出自然界的中心規(guī)律的準(zhǔn)則一定是簡單的這一概念；科學(xué)的唯實論(即科學(xué)描寫自然本身，而不僅是自然怎樣可以被利用)；還有理論應(yīng)載滿科學(xué)的各種觀測。他也是玻爾的互補性哲學(xué)的合著者。在后期工作中，他構(gòu)想自然界的中心規(guī)律包含一組普適的對稱素，這些對稱素對于各種不同的微粒物質(zhì)系統(tǒng)而言，可以用一個數(shù)學(xué)方程來表達(dá)。作為社會活動家，在第二次世界大戰(zhàn)后，他積極促進(jìn)和平利用核能。1957年，他帶領(lǐng)其他德國科學(xué)家反對用核武器武裝西德軍隊。1954年，他曾是日內(nèi)瓦歐洲核研究委員會(CERN，以后改稱歐洲核研究組織)的組織者之一。
海森堡早年在慕尼黑大學(xué)A．索末菲指導(dǎo)下攻讀物理學(xué)。他和他的同班同學(xué) W．泡利是終身好友，也是合作者。他在1923年完成了關(guān)于流體流動中的湍流的博士論文。其后，海森堡跟著泡利到了格丁根大學(xué)，在M．玻恩指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作。1924年秋，他到了哥本哈根的理論物理研究所，在玻爾指導(dǎo)下工作。
海森堡對于原子的玻爾行星式模型很感興趣，他對于這一模型的局限性的理解，促使他為建立一個新模型而尋找理論基礎(chǔ)。玻爾的概念，在1913年以后被認(rèn)為是舊量子論的核心部分，這一概念認(rèn)定各電子在確定的繞核軌道上作經(jīng)典的運動，并把量子的約束視為外加的；用此模型后，可使計算所得結(jié)果符合實驗數(shù)據(jù)。作為已有實驗的總結(jié)，和作為刺激進(jìn)一步研究而言，玻爾的原子模型是很成功的，而且得到了高度評價，但新的研究結(jié)果越來越難以和這一簡單模型計算所得相符。
1925年6月，海森堡由于害了花粉熱病而在北海的黑爾戈蘭島休養(yǎng)。他在島上解決了一個重要的物理問題，即如何求解非諧振蕩器的穩(wěn)定(離散)能態(tài)。由于這一問題和簡單行星型原子問題相類似，所以，他所用的解法必然可以用來指導(dǎo)發(fā)展原子系統(tǒng)的量子力學(xué)(量子力學(xué)是處理有離散能態(tài)——如原子光譜所顯示的離散能態(tài)——和其他形式的量子化能量，以及原子系統(tǒng)所顯示的穩(wěn)定現(xiàn)象的科學(xué))。海森堡的這些結(jié)果是在幾個月后以《量子論關(guān)于動力學(xué)和力學(xué)關(guān)系的新解釋》為題發(fā)表在《物理學(xué)時報》上的。在這篇論文中他提出了對力學(xué)基礎(chǔ)概念的一種最新解釋的建議。
海森堡處理這一問題的觀點和玻爾處理同一問題的觀點相差很大，甚至與玻爾觀點和19世紀(jì)信條的差別基本相仿。在原子中，粒子與粒子運動的路線都是測不出來的，海森堡情愿放棄這種離散的粒子在預(yù)定的路線上運動的思想，改用直接處理實驗事實的理論，使量子條件不再是事先特設(shè)的約定，而是理論的結(jié)論。物理變量應(yīng)該用一組數(shù)字來表示；在愛因斯坦關(guān)于相對論(1905)的論文影響下，他使這些變量不再代表隱藏、不可接近的結(jié)構(gòu)，而代表可以觀測(或可以測定)的量。玻恩看到這組數(shù)字服從矩陣代數(shù)的運算規(guī)律，玻恩、P．約旦和海森堡就把這一新理論用矩陣分析這一數(shù)學(xué)分支來表達(dá)，而新量子論就變成了矩陣力學(xué)。量子論的每一個矩陣 (一般是無限維度)是一個物理變量的一組可能的特定值，矩陣的每一項都能導(dǎo)出有關(guān)能態(tài)的發(fā)生概率和有關(guān)能態(tài)間的躍遷概率。海森堡利用了新的矩陣力學(xué)來解釋氦原子的二重性光譜(亦即把兩種形式的光譜疊加起來，其中一種光譜的兩個電子的自旋平行，而另一種則是反平行的)。用這種方法，氫分子的光譜也應(yīng)有類似的雙重性。他和其他人在一起研究了不少原子光譜和分子光譜、鐵磁現(xiàn)象和電磁性態(tài)。新量子論還有各種不同的重要形式，它們分別是由E．薛定諤在1926年提出的波動力學(xué)和P．A．M．狄拉克提出的變換論。
1927年，海森堡發(fā)表了不確定性原理。他在論文上發(fā)表的不確定性原理的形式，是為了說明矩陣力學(xué)如何能用經(jīng)典力學(xué)大家直覺所能知道的概念來解釋。如果g為電子在某一特定狀態(tài)中的位置坐標(biāo)，而"則為其動量，假定g和P可以在許多電子上獨立測定，則海森堡證明：式中4Q為Q的測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差，p為p的測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差，而h為普朗克常量(等于 6．626176x10—21爾格·秒)。不確定性原理是量子物理學(xué)的特性；這些原理說明，對任何一對不能對易的(即共軛的)變量而言，這是一個強加的和必須服從的理論限制條件。例如，分別代表位置和動量的兩個矩陣就是這樣一對共軛變量；在這種情況下，一種量的測量精度一定影響另一種量的測量精度。所有科學(xué)家都認(rèn)識到不確定性原理的巨大意義；但怎樣從物理學(xué)上理解它還無定論：它是不是為了使用直覺的經(jīng)典的(或互補的)圖像來解釋量子系統(tǒng)而產(chǎn)生的?它是不是另外一種新的量子統(tǒng)計學(xué)的原理?從某種意義上講，它是不是還通過所選用數(shù)學(xué)模型的一些特殊性質(zhì)，來描寫某些個別量子系統(tǒng)的特性?這些到現(xiàn)在還是爭論不休的問題。玻爾認(rèn)為，這一原理是用來說明一個量子系統(tǒng)的互補圖像的，這些量子系統(tǒng)在經(jīng)典的直覺空間內(nèi)可以是一個粒子，也可以是一個波包；海森堡原來是用這原理說明量子系統(tǒng)的非直覺性質(zhì)的，這種量子系統(tǒng)當(dāng)然有別于經(jīng)典系統(tǒng)。
玻爾和海森堡曾詳盡描述了一種并協(xié)性哲學(xué)，一方面使用新的各種物理變量，一方面提出測量那些新變量的合適方法。這種物理學(xué)中新的測量方法的概念，重視科學(xué)家的主動作用，在科學(xué)家進(jìn)行測量時，他一定干擾了被測的對象，于是測得的結(jié)果不僅反映了對象本身，而且一定也反映了測量的作用。許多物理學(xué)家，包括愛因斯坦、薛定諤、L．德布羅意等，都拒絕接受并協(xié)性哲學(xué)。
從1927到1941年，海森堡任萊比錫大學(xué)教授。此后4年，他任柏林的威廉皇家物理研究所所長。雖然他并沒有公開反對納粹統(tǒng)治，但他對于納粹政治并無好感。在第二次世界大戰(zhàn)中，他和核裂變發(fā)明者之一的O．哈恩一起工作，發(fā)展了核反應(yīng)堆。他沒有制定發(fā)展核武器的有效計劃，可能是由于缺乏技術(shù)資源，也可能由于不想這樣做。戰(zhàn)后，他組織了格丁根的馬克斯·普朗克物理和天文物理研究所，自任所長，并于1958年把研究所移到慕尼黑。從1954年起，他也是歐洲核研究組織的德國代表。
在戰(zhàn)后期間，海森堡開始致力于研究一個基本旋量方程(用一些旋量表示一個非線性微分方程，這些旋量是復(fù)矢量似的量，可用來表示物質(zhì)一切微粒狀態(tài))。他直覺地假定這樣一個方程式可以表達(dá)自然界中全體的“對稱”的基本集。(“對稱”是一種數(shù)學(xué)式，在正則時空群和其他代表元素的變換中保持不變)。它可以用來解釋在高能碰撞中發(fā)生的各種基本粒子。在這一工作中，他在H．-P．迪爾和C．F．馮·魏茨澤克的合作和支持下，發(fā)現(xiàn)旋量有“柏拉圖”式的特性。
雖然他早期曾間接受到E．馬赫的影響，但他在關(guān)于量子力學(xué)的哲學(xué)著作中，極力反對維也納科學(xué)學(xué)派所發(fā)展的邏輯實證論。按照海森堡的意見，主動觀測到的并不反映絕對的數(shù)據(jù)，而是載滿了理論的數(shù)據(jù)；亦即，它們是相對于理論的，而且和觀測的情況有上下文的關(guān)系。他認(rèn)為經(jīng)典力學(xué)和電磁學(xué)是聯(lián)系著時空中物體的客觀運動，是永遠(yuǎn)有效的，但它們不能用來處理量子力學(xué)系統(tǒng)；他也認(rèn)為因果律一般說來不能用以處理單個的量子力學(xué)系統(tǒng)，但可用以處理數(shù)學(xué)表示，因為微粒子的行為只能按照概率的基礎(chǔ)來處理。
海森堡在1937年和伊麗莎白·舒馬赫爾結(jié)婚，他們有七個孩子。他除了物理外還喜歡音樂，而且在兩種嗜好之間有很好的融合。他也寫一些哲學(xué)論文，相信在哲學(xué)的老問題如部分與整體以及單一和許多之間輸入新的觀點，可以有助于微觀物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)。海森堡被廣泛公認(rèn)為20世紀(jì)的創(chuàng)新思想家之一。海森堡在1932年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，也曾獲得馬克斯·普朗克獎?wù)�、馬泰烏奇獎?wù)�，以及哥倫比亞大學(xué)的巴納德學(xué)院獎?wù)隆?nbsp;
海森堡 - 拒絕追隨希特勒受盡屈辱
1933年11月3日，在德國物理學(xué)會全體會議上，海森堡從普朗克手中，接過了馬科斯·普朗克獎?wù)�。這是德國物理學(xué)家在國內(nèi)所能獲得的最高榮譽。
6天之后，他又收到瑞典皇家科學(xué)院的電報——諾貝爾評獎委員會決定將推遲一年公布的1932年諾貝爾物理學(xué)獎，授予海森堡，以表彰他“創(chuàng)立了量子力學(xué)”。
獲獎的消息令德國人激動不已，但他們隨即被潑了一盆冷水。31歲的諾獎得主通知物理學(xué)家斯塔克，他不會參加11月11日在萊比錫舉辦的群眾大會。
這次大會由國家社會主義教師同盟主辦，支持德國退出國際聯(lián)盟，被視為“德國學(xué)術(shù)界的示威”。追隨希特勒的1919年諾貝爾物理學(xué)獎得主斯塔克是組織者，著名哲學(xué)家海德格爾等人都將參加大會。
此刻，他們都無法掩蓋海森堡的光芒。海森堡的缺席，不僅造成一次混亂，還在大學(xué)生中引發(fā)了熱議。
斯塔克指責(zé)海森堡，拒絕參加“教授們對阿道夫·希特勒的致謝”。這是個非同小可的罪名。因為新上臺的大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)在第一學(xué)年便宣稱：“新德國中的大學(xué)是政治性的，是培養(yǎng)政治人才的大學(xué)機關(guān)，培養(yǎng)出來的人將用他們的知識和能力為國家服務(wù)。”不少教授和學(xué)生已經(jīng)攜手成為“希特勒統(tǒng)治下的同志”。
海森堡暫時還不在“同志”之列，雖然他和許多“同志”有同樣的經(jīng)歷。他需要向國家機關(guān)上交父母出生證和結(jié)婚證，以確定種族根源。他出國旅行，開始需要政府批準(zhǔn)。他還需要在效忠誓詞上簽名，宣稱為領(lǐng)袖和祖國不惜犧牲生命。
在萊比錫大學(xué)，有青年人警告海森堡，要去擾亂他的課堂。但也有人在夜晚，為這位諾貝爾獎得主舉行火炬游行，他們按照沖鋒隊的隊形一排接一排地向海森堡的住宅前進(jìn)。
在敬意和敵意的交鋒中，海森堡帶著母親悄悄去了斯德哥爾摩，從瑞典國王手中領(lǐng)取了諾貝爾獎。在那里，他見到了以前曾一起工作過的狄拉克和薛定諤，他們是來共同領(lǐng)取1933年諾貝爾物理學(xué)獎。
“關(guān)于諾貝爾獎，我覺得很對不起薛定諤、狄拉克和玻恩�！痹诮o老師玻爾的信中，海森堡寫道。在他看來，自己的獎應(yīng)該和玻恩分享，而薛定諤和狄拉克不應(yīng)該分享一個獎，“他們都配得上得一個完整的獎”。
海森堡的想法，對剛剛逃離德國的薛定諤等猶太科學(xué)家來說，更像是一種奢望。他們能從希特勒的清洗政策中逃亡，已屬萬幸。在這種環(huán)境中，留守德國的海森堡也無法置身事外。他不僅要應(yīng)對學(xué)界同行的論爭，還要應(yīng)付一些人的政治攻訐，這差不多耗費了他同等的精力。盡管如此，他依然試圖“在新德國中保持一種頭等的、不受政治污染的物理學(xué)”。
可惜這個目標(biāo)終成空想。1934年8月，總統(tǒng)興登堡去世，希特勒自封國家領(lǐng)袖。斯塔克向德國的諾貝爾獎得主發(fā)電報，邀請他們參加一份支持希特勒的公開宣言。海森堡和普朗克等物理學(xué)家拒絕了，理由是“科學(xué)和政治不應(yīng)該混合”。
但政治很快滲透到科學(xué)中。在講授物理時，海森堡在指名道姓地提到愛因斯坦等猶太物理學(xué)家時，必須同時提到納粹物理學(xué)家的名字。
他不久發(fā)現(xiàn)這樣也行不通。一個納粹官員直接向組織建議，“集中營無疑是對海森堡先生合適的地方”�？紤]到海森堡的國際聲譽，組織最終只是給他發(fā)來了一個申斥文件。
更惡毒的攻擊發(fā)生在1937年。納粹分子聲稱，海森堡為了掩蓋自己是同性戀才在半年前匆忙結(jié)婚。根據(jù)當(dāng)時的法律，男同性戀被視為犯罪，一旦被判定有罪，將立即送進(jìn)集中營。
這些指控和調(diào)查，讓海森堡受盡屈辱。甚至在近40年后，幻覺中納粹皮靴的聲音，常常將這個即將去世的老人從沉睡中驚醒，然后渾身冒冷汗。
雖然在祖國的遭遇痛苦不堪，海森堡依然拒絕了諸多邀請。1939年夏天，海森堡到美國講學(xué)時，物理學(xué)家費米和高德斯密特問他“你為什么不到這里來？”
“不，我不能，因為德國需要我�！焙Ｉせ卮鹫f。當(dāng)納粹政權(quán)提出“科學(xué)要為戰(zhàn)爭服務(wù)”，要求海森堡負(fù)責(zé)研制核武器時，他并沒有拒絕。他告訴同事，也“可以用戰(zhàn)爭為科學(xué)服務(wù)”。這段如今已很難說清楚的歷史，也讓海森堡飽受爭議。
德國戰(zhàn)敗后，海森堡被捕。負(fù)責(zé)審訊的高德斯密特問他，“你現(xiàn)在愿不愿意到美國和我們一起工作？”
海森堡給出了同樣的回答。在他看來，這不是政治原因，也不僅僅是愛國。同為量子力學(xué)奠基人的玻恩在流亡英國后，海森堡給他寫信說，自己之所以拒絕國外那么多誘人的邀請，是因為“我們是為世人托付給我們的科學(xué)而活著”。
