沃納·海森堡 - 概述
第二次世界大戰(zhàn)開始后，迫于納粹德國的淫威，丹麥的大物理學(xué)家玻爾離開了心愛的哥本哈根理論物理研究所，離開了朝夕相處的束自世界各地的同事，遠(yuǎn)赴美國。德國的許多科學(xué)家也紛紛背井離鄉(xiāng)，堅決不與納粹勢力妥 協(xié)。然而，有一位同樣優(yōu)秀的物理學(xué)家卻留下來了，并被納粹德國委以重任，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)研制原子彈的技術(shù)工作，遠(yuǎn)在異鄉(xiāng)的玻爾憤怒了，他與這位過去的同事產(chǎn)生了尖銳的矛盾，并與他形成了終生未能化解的隔閡。有趣的是，這位一直未能被玻爾析諒解的科學(xué)家卻在1970年獲得了“玻爾國際獎?wù)隆�，而這一獎?wù)率怯靡员碚谩霸谠幽芎推嚼梅矫孀龀隽司薮筘暙I(xiàn)的科學(xué)家或工程師”的。歷史在此開了個巨大的玩笑，這玩笑的主人公就像他發(fā)現(xiàn)的“測不準(zhǔn)原理”一樣，一直讓人感到困惑和不解。他就是量子力學(xué)的創(chuàng)始人——海森堡。沃納·海森堡 - 簡介
公元1901～公元1976德國物理學(xué)家沃納·卡爾·海森堡由于在取得整個科學(xué)史上的最重要的成就之──量子力學(xué)的創(chuàng)立中所起的作用，于1932年獲得諾貝爾物理獎。
力學(xué)是研究物體運(yùn)動普遍規(guī)律的物理學(xué)分支。它是物理學(xué)的最基本分支，又是最基礎(chǔ)學(xué)科。在20世紀(jì)初的年月里，人們逐漸認(rèn)識到公認(rèn)的力學(xué)定律不能描寫極其微小物體如原子和亞原子粒子的行為；他們對此感到迷惑不解，忐忑不安，因為公認(rèn)的定律應(yīng)用于宏觀物體（即比個體原子大得多的物體）時是白璧無瑕，完美無缺的。
沃納·海森堡 - 事跡
1925年，沃納·海森堡提出了一個新的物理學(xué)說，一個在基本概念上與經(jīng)典牛頓學(xué)說有著根本不同的學(xué)說。這個新學(xué)說──在海森堡的繼承人做了某些修正后──取得了光輝的成果，今天被公認(rèn)為可以應(yīng)用于所有的物理體系，而不管其類型如何或規(guī)模大小。
用數(shù)學(xué)能演證出：在只涉及宏觀體系的情況下，量子力學(xué)的預(yù)測不同于經(jīng)典力學(xué)的預(yù)測，不過由于兩者在量上差別太小而無法度量出來（由于這種原因，經(jīng)典力學(xué)──在數(shù)學(xué)上比量子力學(xué)簡單得多──仍可用于大多數(shù)的科學(xué)運(yùn)算）。但是在涉及原子量綱體系的情況下，量子力學(xué)的預(yù)測與經(jīng)典力學(xué)的預(yù)測迥然各異；實驗表明在這樣的情況下，量子力學(xué)的預(yù)測是正確的。
海森堡學(xué)說所得出的成果之一是著名的“測不準(zhǔn)原理”。這條原理由他在1927親自提出，被一般認(rèn)為是科學(xué)中所有道理最深奧、意義最深遠(yuǎn)的原理之一。測不準(zhǔn)原理所起的作用就在于它說明了我們的科學(xué)度量的能力在理論上存在的某些局限性，具有巨大的意義。如果一個科學(xué)家用物理學(xué)基本定律甚至在最理想的情況下也不能獲得有關(guān)他正在研究的體系的準(zhǔn)確知識，那么就顯然表明該體系的將來行為是不能完全預(yù)測出來的。根據(jù)測不準(zhǔn)原理，不管對測量儀器做出何種改進(jìn)都不可能會使我們克服這個困難！
測不準(zhǔn)原理表明從本質(zhì)上來講物理學(xué)不能做出超越統(tǒng)計學(xué)范圍的預(yù)測（例如，一位研究放射的科學(xué)家可能會預(yù)測出在三兆個原子中將會有兩百萬個在翌日放射Υ射線，但是他卻無法預(yù)測出任何一個具體的鐳原子將會是如此）。在許多實際情況中，這并不構(gòu)成一種嚴(yán)重的限制。在牽涉到巨大數(shù)目的情況下，統(tǒng)計方法經(jīng)�？梢詾樾袆犹峁┦挚煽康囊罁�(jù)；但是在牽涉到小數(shù)目的情況下，統(tǒng)計預(yù)測就確實靠不住了。事實上在微觀體系里，測不準(zhǔn)原理迫使我們不得不拋棄我們的嚴(yán)格的物質(zhì)因果觀念。這就表明了科學(xué)基本觀發(fā)生了非常深刻的變化；的確是非常深刻的變化以致于象愛因斯坦這樣的一位偉大的科學(xué)家都不愿意接受。愛因斯坦曾經(jīng)說過：“我不相信上帝在和宇宙投骰子。”然而這卻基本上是大多數(shù)現(xiàn)代物理學(xué)家感到必須得采納的觀點。
顯而易見，從某種理論觀點來看，量子學(xué)說改變了我們對物質(zhì)世界的基本觀念，其改變的程度也許甚至比相對論還要大。然而量子學(xué)說帶來的結(jié)果并不僅僅是人生觀的變化。
在量子學(xué)說的實際應(yīng)用的行列之中，有諸如電子顯微鏡、激光器和半導(dǎo)體等現(xiàn)代儀器。它在核物理學(xué)和原子能領(lǐng)域里也有著許許多多的應(yīng)用；它構(gòu)成了我們的光譜學(xué)知識的基礎(chǔ)，廣泛地用于天文學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域；它還用于對各種不同論題的理論研究，諸如液態(tài)氦的特性、星體的內(nèi)部構(gòu)造、鐵磁性和放射性等等。
沃納·海森堡于1901年出生在德國，1923年在慕尼黑大學(xué)獲得理論物理學(xué)博士學(xué)位。從1924年到1927年他在哥本哈根與偉大的丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾共事。他的關(guān)于量子力學(xué)的第一篇重要論文發(fā)表于1925年，他對測不準(zhǔn)原理論述的結(jié)果于1927年問世。海森堡1976年溘然長逝，享年七十四歲，他留下了妻子和七個兒女。
就量子力學(xué)的重要性而論，讀者可能要問為什么不把海森堡的名次在本冊中排得更加高些。然而海森堡并不是量子力學(xué)創(chuàng)立中的唯一重要的科學(xué)家，為此做出了有深遠(yuǎn)意義貢獻(xiàn)的有他的前輩馬克斯·普朗克、阿伯特·愛因斯坦、尼爾斯·玻爾和法國科學(xué)家路易·德·布羅格利。此外，在海森堡的那篇具有獨(dú)創(chuàng)性的論文發(fā)表不久以后的年月里，許多其他科學(xué)家其中包括奧地利人歐文·施羅丁格和英國人P·A·M迪拉克都對量子學(xué)說做出了重要的貢獻(xiàn)。但是我認(rèn)為海森堡是量子力學(xué)創(chuàng)立中的主要人物，即使按勞分功，他的貢獻(xiàn)也理應(yīng)使他在本冊中名列高位。
沃納·海森堡 - 陰差陽錯的選擇
他的父親A．海森堡博士是名噪一時的語言學(xué)家和東羅馬史學(xué)家，曾經(jīng)在慕尼黑大學(xué)擔(dān)任中世紀(jì)和現(xiàn)代希臘語教授．受其影響，年幼的海森堡學(xué)到了一定的語言知識，其父對此引以為豪。
1920年以前，海森堡在著名的慕尼黑麥克西米學(xué)校讀書。麥克西米學(xué)校培養(yǎng)了不少未來的科學(xué)家，如量子思想的
1920年中學(xué)畢業(yè)后，海森堡考入慕尼黑大學(xué)，在索末菲、維恩等指導(dǎo)下攻讀物理學(xué)。后來，他又前往哥廷根大學(xué)，在玻恩和希爾伯特的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)物理。1923年，海森堡寫出了題為《關(guān)于流體流動的穩(wěn)定和湍流》這篇流體力學(xué)的博士論文，洋細(xì)研究了非線性理論的近似性，年終取得了慕尼黑大學(xué)的哲學(xué)博士學(xué)位。
1924年至1927年間，他得到洛克菲勒基金會的贊助，來到哥本哈根的理論物理研究所與玻爾一起工作。從此，海森堡置身于長期激烈的學(xué)術(shù)爭鳴的氛圍中，開始卓有成效的學(xué)術(shù)研究工作�！ �
沃納·海森堡 - “下了個巨大的量子蛋”
20世紀(jì)初，以愛因斯坦的相對論和玻爾的原子模型為基礎(chǔ)而形成的理論物理學(xué)吸引著年輕的研究者們。丹麥的理論物理研究所成了年輕的物理學(xué)家向往的地方；在慕尼黑，玻爾的早期學(xué)說被人們廣泛接受，玻爾研究所工作的基礎(chǔ)正是玻爾一索末菲原子模型。當(dāng)時，云集在玻爾研究所的來自世界各國的理論物理學(xué)家，正試圖用這種模型來探索光譜線及其在電場和磁場的分裂，以便創(chuàng)立沒有邏輯矛盾的原子過程理論，同時，玻爾本人認(rèn)為，只有堅決背離傳統(tǒng)的觀點，問題才能獲得進(jìn)展。但究竟從何人手的問題卻一直困擾著他。這是一個棘手的問題，因為它事關(guān)從傳統(tǒng)的經(jīng)典力學(xué)向一種更合乎自然的科學(xué)過渡。新事物的產(chǎn)生總要沖破重重阻礙，該怎么辦呢?整個研究所陷入了沉思和不斷的實驗之中。1925年，當(dāng)所有的努力都顯得徒勞無益時，人們似乎覺得物理學(xué)已經(jīng)走進(jìn)了一條死胡同�！ �
然而，海森堡的思想讓玻爾長期的困惑迎刃而解。海森堡在大學(xué)寸就對各種原子模型持懷疑態(tài)度。他感到玻爾的理淪不可能在實驗中得到理想的證實。因為玻爾的理論建立在一些不可直接觀察或不可測量的量上，如電子運(yùn)動的速度和軌跡等。海森堡認(rèn)為，在實驗中，我們不能期望找到像電子在原子中的位置，電子的速度和軌跡等一些根本無法觀察到的原子特征，而應(yīng)該只探索那些可以通過實驗來確定的數(shù)值，如固定狀態(tài)的原子的能量、原子輻射的頻率和強(qiáng)度等。因此，在計算某個數(shù)值時，只需要利用原則上可以觀察到的數(shù)值之間的相互比值，即只有依靠數(shù)學(xué)抽象才能解決問題。因此，海森堡首先從玻爾的對應(yīng)原理出發(fā)，從中找到充分的數(shù)學(xué)根據(jù)，使這一原理由經(jīng)驗原則變?yōu)檠芯吭觾?nèi)部過程的一種科學(xué)方法�！ �
海森堡沒有就此止步不前。1925年6月，他又解決了物理學(xué)上的另一個重要問題——如何解釋一個非簡諧原子的穩(wěn)定能態(tài)，從而奠定了量子力學(xué)發(fā)展的綱領(lǐng)。幾個月后，他在物理學(xué)雜志上發(fā)表了題為《關(guān)于運(yùn)動學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子論新釋》的論文，將一類新的數(shù)學(xué)量引入了物理學(xué)領(lǐng)域，從而創(chuàng)立了量子理論。海森堡的理論基礎(chǔ)是可以觀察的事物或可以測量到的量。他認(rèn)為，我們不是總能準(zhǔn)確地確定某一時間電子在空間上的位置，也不可能在它的軌道上跟蹤它，因而玻爾假定的行星軌道是不是真的存在還不能確定。因此，像位置．速度等力學(xué)量，需要用線性代數(shù)中的“矩陣”這種抽象的數(shù)學(xué)體系來表示，而不應(yīng)該用一般的數(shù)來表示。作為一種數(shù)學(xué)體系，矩陣是指復(fù)數(shù)在矩形中排列成的行列，每個數(shù)字在矩形中的位置由兩個指標(biāo)來表示，一個相當(dāng)于數(shù)學(xué)位置上的行，另一個相當(dāng)于數(shù)學(xué)位置上的理論�！熬仃嚒北惶岢龊螅６骱芸熳⒁獾搅诉@個問題的重要性，他與約爾丹共同合作對矩陣力學(xué)原理進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。1925年9月，他倆一起發(fā)表了《論量子力學(xué)》一文，將海森堡的思想發(fā)展成為量子力學(xué)的一種系統(tǒng)理論。11月，海森堡在與玻恩和約爾丹協(xié)作下，發(fā)表《關(guān)于運(yùn)動學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子淪的重新解釋》的論文，創(chuàng)立了量子力學(xué)的一種形式體系——矩陣力學(xué)。從此，人們找到了原子微觀結(jié)構(gòu)的自然規(guī)律。愛因斯坦評價道：“海森堡下了一個巨大的量子蛋�！薄 �
海森堡的矩陣力學(xué)所采用的方法是一種代數(shù)方法，它從所觀測到的光譜線的分立性人手，強(qiáng)凋不連續(xù)性。幾個月后的1926年初，奧地利物理學(xué)家薛定諤采用解微分方程的方法，從推廣經(jīng)典理論人手，強(qiáng)調(diào)連續(xù)性，從而創(chuàng)立了量子力學(xué)的第二種理論——波動力學(xué)。由于兩個理論的創(chuàng)始人都只對自己的理淪深信不疑，而較少領(lǐng)會對方的思想，因而一場爭論就不可避免了，他們都對對方的理論提出了批評。后來，薛定諤在認(rèn)真研究了海森堡的矩陣力學(xué)之后，與諾依曼一起證明了波動力學(xué)和矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上的等價性。這兩種理論的成功結(jié)合，大大豐富和拓展了量子理論體系。這樣，解決原子物理任務(wù)的方法在1926年就正式創(chuàng)立起來了。
后來，在解釋氫分子光譜中強(qiáng)弱譜線交替出現(xiàn)的現(xiàn)象時，海森堡運(yùn)用矩陣力學(xué)將氫分子分成兩種形式：正氫和伸氫，即發(fā)現(xiàn)了同素異形氫。這可是個了不起的發(fā)現(xiàn)。1933年，為了表彰他創(chuàng)立的量子力學(xué)，尤其是運(yùn)用量子力學(xué)理論發(fā)現(xiàn)了同素異形氫，瑞典皇家科學(xué)院給他頒發(fā)了諾貝爾物理學(xué)獎。幸運(yùn)之神降落到了年輕的海森堡身上。
沃納·海森堡 - “測不準(zhǔn)原理”的發(fā)現(xiàn)
1927年至1941年期間，海森堡在萊比錫大學(xué)擔(dān)任理論物理學(xué)教授�！ �
在學(xué)術(shù)上，海森堡不僅開拓了量子力學(xué)的發(fā)展道路，而且為物理學(xué)的其他分支(如量子電動力學(xué)、渦動力學(xué)、宇宙輻射性物理和鐵磁性理論等)都做出了杰出的貢獻(xiàn)。除此以外，他還是一個杰出的哲學(xué)家�！ �
1927年，海森堡發(fā)表了《量子理論運(yùn)動學(xué)和力學(xué)的直觀內(nèi)容》一文，提出了深具影響力的“測不準(zhǔn)原則”，奠定了從物理學(xué)上解釋量子力學(xué)的基礎(chǔ)。他認(rèn)為，當(dāng)我們的工作從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域時，我們的宏觀儀器(觀測工具)必然會對微觀粒子(研究對象)產(chǎn)生千擾。平時．人們只能用反映宏觀世界的經(jīng)典概念來描述宏觀儀器所測量到的結(jié)果，這樣，所測量到的結(jié)果就同粒子的原來狀態(tài)不完全相同。根據(jù)這個原理，海森堡宣稱，人們不可能同時準(zhǔn)確地確定一個物理的位置和速度，其中一個量測定得越準(zhǔn)確，則另一個量就越不準(zhǔn)確。因此，在確定運(yùn)動粒子的位置和速度時一定存在一些誤差。這些誤差對于普通人來說是微不足道的，但在原于研究中卻不容忽視�！皽y不準(zhǔn)原則”原則上可以影響到物理學(xué)上或大或小的各種現(xiàn)象，但它的重要性在物理學(xué)上的微觀領(lǐng)域表現(xiàn)得更加明顯。通常，在實踐中，如果研究中涉及的數(shù)量很大，那么統(tǒng)計的方法就為研究活動提供可靠的保障；然而如果涉及的數(shù)量很小時，那么測不準(zhǔn)原理會讓我們改變原有的物理因果關(guān)系的觀點，并且接受測不準(zhǔn)原理。
在測不準(zhǔn)原理發(fā)現(xiàn)之前，很多人認(rèn)為，如果能預(yù)先測量到自然界中每個粒子在任何時刻運(yùn)動的位置和速度，那么對于整個宇宙的歷史，無論是過去，現(xiàn)在還是將來，原則上來說都是可以計算出來的。然而，測不準(zhǔn)原理卻否定了這種情況存在的可能性。因為事實上，人們并不能在同一時刻準(zhǔn)確地測量到粒子運(yùn)動的位置和速度。測不準(zhǔn)原理在一定程度上說明了科學(xué)測量存在的局限性，它說明物理學(xué)上的基本定律有時也不能讓科學(xué)家在理想的狀況下正確認(rèn)識研究體系，因而無法完全預(yù)測這一體系將要發(fā)生的變化。這一原理的提出具有巨大而深遠(yuǎn)的意義，它是對科學(xué)上的基本哲學(xué)觀——決定論思想的一次重大革新：它告訴人們，測量儀器的不斷改進(jìn)，也不可能克服實際存在的誤差。因而，在實踐中，這一原理被越來越多的科學(xué)家所接受�！ �
在海森堡的一生中，他還撰寫了一系列物理學(xué)和哲學(xué)方面的著作，如《原子核科學(xué)的哲學(xué)問題》、《物理學(xué)與哲學(xué)》，《自然規(guī)律與物質(zhì)結(jié)構(gòu)》、《部分與全部》、《原子物理學(xué)的發(fā)展和社會》等等，為現(xiàn)代物理學(xué)和哲學(xué)做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)�！ �
沃納·海森堡 - 不輟的學(xué)術(shù)征程
第二次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)愛因斯坦等科學(xué)家受到納粹迫害時，海森堡因其對德國的熱愛而留在德國，并盡可能地挽救德國的科學(xué)。1941年，他被任命為柏林大學(xué)物理學(xué)教授和凱澤·威廉皇家物理所所長，成為德國研制原子彈核武器的領(lǐng)導(dǎo)人，與核裂變的發(fā)現(xiàn)者之一哈恩一起研制核反應(yīng)堆。隨著戰(zhàn)爭進(jìn)程的推進(jìn)，海森堡很快發(fā)現(xiàn)自己陷入矛盾之中：他熱愛自己的祖國，但又對納粹的暴行非常仇恨。因此，他便采取實際行動來遏制德國核武器的發(fā)展�！ �
1946年，海森堡與同事一道在哥廷根重建了哥廷根大學(xué)物理研究所，從事物理學(xué)和天文物理學(xué)研究，并擔(dān)任所長。1948年，該研究所易名為馬克斯·普朗克物理研究所。10年以后，他又被聘為慕尼黑大學(xué)的物理教授，研究所也隨他遷入慕尼黑，并改名為馬克斯·普克物理及天文物理研究所�！ �
第二次世界大戰(zhàn)后，海森堡在促進(jìn)原子能和平應(yīng)用上做出了很大貢獻(xiàn)。1957年，他和其他德國科學(xué)家聯(lián)合反對用核武器武裝德國軍隊。他還與日內(nèi)瓦國際原子物理學(xué)研究所密切合作，并擔(dān)任了這個研究機(jī)構(gòu)的第一任委員會主席�！ �
這位天才的物理學(xué)家永遠(yuǎn)不會放棄學(xué)術(shù)上的不斷努力。自1953年后的20年中，海森堡把重點轉(zhuǎn)向基本粒子理論的研究。1958年4月，他提出了非線性旋量理論。這個理論的基礎(chǔ)是4個非線性微分方程及其包括引力子在內(nèi)的所謂“宇宙公式”。這些方程系運(yùn)用于自然界中，能體現(xiàn)出普遍對稱性的基本形式的微分系統(tǒng)，而且能解釋高能碰撞中產(chǎn)生的基本粒子的多樣性。海森堡以他的研究不斷推動現(xiàn)代物理向前發(fā)展�！ �
1976年2月1日，海森堡這位20世紀(jì)杰出的科學(xué)家與世長辭。作為量子力學(xué)的奠基者，人們永遠(yuǎn)不會忘記他改變了人們對客觀世界的基本觀點及其在實際遠(yuǎn)用中對激光、晶體管、電子顯微鏡等現(xiàn)代化設(shè)備中所產(chǎn)生的巨大影響。這位“永遠(yuǎn)以哥倫布為榜樣”的科學(xué)家，在物理學(xué)微觀世界中，開拓了新的途徑，成為量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一，在微觀粒子運(yùn)動學(xué)和力學(xué)領(lǐng)域中做出了卓越的貢獻(xiàn)。
