海森伯格

　　在人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)秘密的道路上，有一位曾給我們以深刻啟示的科學(xué)家，他就是德國物理學(xué)家維爾納·海森伯格 （一譯海森堡）。他是現(xiàn)代物理學(xué)界公認(rèn)的權(quán)威之一。

　　維爾納·海森伯格能夠成為一位著名的物理學(xué)家，用他自己的話來說，就是：對(duì)自己所從事的學(xué)術(shù)，一定要酷愛，要有興趣，這樣，才能產(chǎn)生研究的動(dòng)力，才不會(huì)感到是被迫的，甚至是勉強(qiáng)的。

　　1901年 12月5 日，在德國維爾次堡大學(xué)教職員宿舍里，有一位婦人忍受著臨產(chǎn)前的煎熬。那天夜里，天空陰沉沉的，飄拂著鵝毛大雪，道路被大雪覆蓋了，醫(yī)生沒法來，產(chǎn)婦也無法送往醫(yī)院，正當(dāng)人們焦急萬分的時(shí)刻，一個(gè)男嬰的啼哭聲驅(qū)走了黑夜的沉寂，給焦急的父親帶來了極大的安慰：小海森伯格誕生了。

　　海森伯格從小就有著得天獨(dú)厚的學(xué)習(xí)環(huán)境。父親是一個(gè)歷史學(xué)權(quán)威，舅舅們也都是當(dāng)時(shí)德國數(shù)一數(shù)二的科學(xué)家，他的家又居住在騰斯堡大學(xué)里。那是一所文史、自然科學(xué)并重的大學(xué)，在德國很有名氣。但是，海森伯格并沒有繼承父業(yè)，他從小對(duì)理化有著天生的愛好和濃厚的興趣。據(jù)說在十歲那年，一天，天色已黑，學(xué)校早就放學(xué)了，孩子們都回了家。他的父親正在等待著兒子回來，但是左等右等都不見他的影子，父母親著急了，到處尋找，一直尋到掌燈時(shí)分才松了口氣。原來學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的玻璃窗上映出了一張圓圓的小臉。這不是小海森伯格又是誰呢？他被一個(gè)物理現(xiàn)象給迷住了，忘記了回家。

　　由于天才和優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境，這位年輕人很快成了一名科學(xué)家。他中學(xué)畢業(yè)以后，就順利地進(jìn)入了慕尼黑大學(xué)。1923年，當(dāng)他第一次獲得科學(xué)博士學(xué)位時(shí)，年僅22 歲。他的成長引起了人們的欽佩，他的導(dǎo)師——著名物理學(xué)家安諾德·索末菲老教授更是贊嘆不已。他說： “這幾年來，眼看著海森伯格輕易地完成了他的學(xué)業(yè)和研究，真令人產(chǎn)生 u2018智者不難u2019的感覺，在理論的造詣上，我們都自愧不如�！�

　　海森伯格雖然年輕有為，卻十分謙遜好學(xué)。他對(duì)前輩的理論勇于提出自己的看法，這一獨(dú)立思考的長處深為權(quán)威學(xué)者們所賞識(shí)，他們把他當(dāng)作不可多得的朋友。有一次，哥丁根大學(xué)物理研究所權(quán)威學(xué)者馬克斯·玻恩在慕尼黑大學(xué)講學(xué)，課后，海森伯格給他遞上了一張紙條，并且謙虛地說： “這是我對(duì)先生研究的學(xué)理提供的一點(diǎn)心得�！辈６飨壬�當(dāng)時(shí)沒有把這個(gè)“毛孩子”放在眼里，只是默默地把紙片折起來裝進(jìn)口袋里，連道謝的話也沒有說一句。當(dāng)馬克斯·玻恩回到哥丁根以后，有一天，無意中掏口袋，翻出了海森伯格遞給他的紙片。這一看，使他十分吃驚，沒想到這個(gè) “毛孩子”竟能提出那么深刻的見解，他這才后悔不已，深感在慕尼黑未能與海森伯格當(dāng)面切磋。海森伯格向他提供的正是他研究不深入，或者是疏忽了的原理�？戳诉@張紙條，使他對(duì)這位青年人簡直佩服得五體投地。后來，他打聽到海森伯格已經(jīng)榮獲博士學(xué)位，于是在 1923年秋天，堅(jiān)決邀請(qǐng)他到哥丁根大學(xué)去擔(dān)任自己的助教。玻恩教授手下有一大批助教，按照哥丁根大學(xué)的老規(guī)矩，助教至少要當(dāng)三年才具有升任講師的資格，而海森伯格到哥丁根大學(xué)不到三個(gè)月，就被破格提升為講師。

　　海森伯格對(duì)原子論和核子論的創(chuàng)新見解引起了學(xué)術(shù)界的矚目。不久，他獲得了洛克菲勒基金會(huì)的助學(xué)金，到丹麥哥本哈根大學(xué)進(jìn)修。他的導(dǎo)師是丹麥著名的物理學(xué)家尼爾斯·波爾。他們既是師生又是忘年之交。在哥本哈根的三年里，他們經(jīng)常通宵達(dá)旦地討論問題，這使海森伯格在學(xué)術(shù)上又大大地向前邁進(jìn)了一步。在海森伯格六十壽辰時(shí)，波爾回憶當(dāng)年的情景時(shí)說： “那時(shí)候，我們繼續(xù)進(jìn)行著在哥丁根大學(xué)開始的探討，無論是在研究所里，還是在散步中，我們都熱烈地展開討論，他那少有的天賦和才能給我留下了強(qiáng)烈的印象。”

　　1924年，海森伯格和荷蘭物理學(xué)家克拉摩斯進(jìn)一步發(fā)展了色散理論，提出了克拉摩斯-海森伯格色散公式。這一理論后來成為海森伯格創(chuàng)立一種量子力學(xué)的階梯。海森伯格23 歲就提出了這樣高難度的理論，不能不使人對(duì)他深為尊敬。

　　不久，他在物理學(xué)上又有了新的重大突破。他在 1925年引入了一種最為巧妙的形式體系：將力學(xué)量表示成厄密矩陣，各矩陣元對(duì)應(yīng)著定態(tài)間一切可能的躍遷過程，他發(fā)現(xiàn)了可以導(dǎo)出這些定態(tài)的能量和相應(yīng)的躍遷過程的幾率。這就是海森伯格創(chuàng)立的矩陣量子力學(xué)，它同施羅丁格于次年創(chuàng)立的波動(dòng)力學(xué)都是人們研究微觀世界必不可少的強(qiáng)大工具。

　　1926年，海森伯格關(guān)于氦光譜的奇特雙線的解釋，對(duì)處理電子原子作出了個(gè)具有決定意義的貢獻(xiàn)。多年來，這種雙線性一直是原子構(gòu)造量子論的主要障礙之一，海森伯格探索了波函數(shù)在位形空間中的對(duì)稱性質(zhì)，成功地證實(shí)了這樣一個(gè)事實(shí)：氦原子的定態(tài)分為兩類，分別與兩組不相并合的譜項(xiàng)相對(duì)應(yīng)，并且分別以和反向電子自旋、平行電子自旋相關(guān)聯(lián)的對(duì)稱的與反對(duì)稱的空間波函數(shù)來表示。

　　當(dāng)時(shí)，正是原子物理學(xué)迅速發(fā)展的時(shí)期，人們的興趣越來越集中在整理豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上。海森伯格在哥本哈根的最后一年中，在長期考察和反復(fù)論證的基礎(chǔ)上，發(fā)表了著名論文 《量子論中運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)的形象化內(nèi)容》，第一次提出了測不準(zhǔn)關(guān)系，這對(duì)闡明量子力學(xué)的物理內(nèi)容作出了重要貢獻(xiàn)。測不準(zhǔn)關(guān)系指出：如果同時(shí)測量兩個(gè)正則共軛變量，例如位置和動(dòng)量，則其測量值的不準(zhǔn)確度之乘積不能小于大致為普朗克恒量除以2π的數(shù)。測不準(zhǔn)6關(guān)系也反映了被觀察體系和測量工具之間的相互作用。海森伯格的測不準(zhǔn)原理成為量子力學(xué)的重要原理，他因此于 1932年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。后來，在這一原理的基礎(chǔ)上，尼爾斯·波爾又提出了波粒兩種觀點(diǎn)之間互相補(bǔ)充的 “并協(xié)原理”，這種原理后來成為哥本哈根學(xué)派的基本觀點(diǎn)。

　　1927年到 1941年，海森伯格擔(dān)任了萊比錫大學(xué)的教授，并且開辦理論講座。這個(gè)講座對(duì)于推動(dòng)德國物理學(xué)的研究起了重要作用。當(dāng)時(shí)，德國研究理論物理學(xué)中心在普朗克研究院，這個(gè)研究院的兩個(gè)重要研究所分別設(shè)在柏林和哥本哈根。他曾先后擔(dān)任過這兩個(gè)研究所的所長。在這期間，他又提出了關(guān)于韋斯鐵磁性理論的量子力學(xué)解釋，并且把電磁場看作動(dòng)力學(xué)體系，與奧地利物理學(xué)家泡利 （1900～1958）共同提出了電子和電磁場相互作用的相對(duì)論量子力學(xué)，這成為后來發(fā)展起來的量子場論的先驅(qū)。1932年，海森伯格又提出了兩核子間的吸力是 “交換力”，并引入同位旋概念，用以強(qiáng)調(diào)這種交換力和電荷無關(guān)。

　　1941年到 1945年，海森伯格在柏林大學(xué)任教授，并兼任馬克斯·普朗克物理研究所所長。在這期間，他的理論又有了新的發(fā)展，1943年時(shí)，提出了粒子相互作用的散射矩陣?yán)碚摗?

　　從 1946年到 1958年，海森伯格又受聘于哥丁根大學(xué)，擔(dān)任教授，同時(shí)兼任哥丁根的馬克斯·普朗克物理學(xué)和天體物理學(xué)研究所所長。在這期間，他提出了大雷諾數(shù)湍流的統(tǒng)計(jì)理論，并且對(duì)于在 1951年到 1953年期間反對(duì)哥本哈根學(xué)派量子論解釋的各種意見進(jìn)行了反駁。

　　1976年2 月1 日，著名的理論物理學(xué)家維爾納 ·海森伯格在慕尼黑逝世，終年 75 歲。

　　為了探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的秘密，成千上萬名物理學(xué)家、化學(xué)家進(jìn)行了精確而有說服力的實(shí)驗(yàn)。如果說過去這些實(shí)驗(yàn)是在黑暗中進(jìn)行的話，那么自從有了相對(duì)論和量子力學(xué)以后，現(xiàn)代物理學(xué)就有了強(qiáng)大的探照燈，這強(qiáng)大的物理學(xué)理論的燈光照亮了科學(xué)向前發(fā)展的道路。