海森伯格 在人类认识物质秘密的道路上,有一位曾给我们以深刻启示的科学家,他就是 德国物理学家维尔纳·海森伯格(一译海森堡)。他是现代物理学界公认的权威之 一。 维尔纳·海森伯格能够成为一位著名的物理学家,用他自己的话来说,就是: 对自己所从事的学术,一定要酷爱,要有兴趣,这样,才能产生研究的动力,才不 会感到是被迫的,甚至是勉强的。 1910 年12 月5 日,在德国维尔次堡大学教职员宿舍里,有一位妇人忍受着 临产前的煎熬。那天夜里,天空阴沉沉的,飘拂着鹅毛大雪,道路被大雪覆盖了, 医生没法来,产妇也无法送往医院,正当人们焦急万分的时刻,一个男婴的啼哭声 驱走了黑夜的沉寂,给焦急的父亲带来了极大的安慰:小海森伯格诞生了。 海森伯格从小就有着得天独厚的学习环境。父亲是一个历史学权威,舅舅们也 都是当时德国数一数二的科学家,他的家又居住在腾斯堡大学里。那是一所文史、 自然科学并重的大学,在德国很有名气。但是,海森伯格并没有继承父业,他从小 对理化有着天生的爱好和浓厚的兴趣。据说在十岁那年,一天,天色已黑,学校早 就放学了,孩子们都回了家。他的父亲正在等待着儿子回来,但是左等右等都不见 他的影子,父母亲着急了,到处寻找,一直寻到掌灯时分才松了口气。原来学校实 验室的玻璃窗上映出了一张圆圆的小脸。这不是小海森伯格又是谁呢?他被一个物 理现象给迷住了,忘记了回家。 由于天才和优良的学习环境,这位年轻人很快成了一名科学家。他中学毕业以 后,就顺利地进人了慕尼黑大学。1923 年,当他第一次获得科学博士学位时,年 仅22 岁。他的成长引起了人们的钦佩,他的导师——著名物理学家安诺德·索末 菲老教授更是赞叹不已。他说:“这几年来,眼看着海森伯格轻易地完成了他的学 业和研究,真令人产生‘智者不难’的感觉,在理论的造诣上,我们都自愧不如。” 海森伯格虽然年轻有为,却十分谦逊好学。他对前辈的理论勇于提出自己的看法, 这一独立思考的长处深为权威学者们所赏识,他们把他当作不可多得的朋友。有一 次,哥丁根大学物理研究所权威学者马克斯·玻恩在慕尼黑大学讲学,课后,海森 伯格给他递上了一张纸条,并且谦虚地说:“这是我对先生研究的学理提供的一点 心得。”玻恩先生当时没有把这个“毛孩子”放在眼里,只是默默地把纸片折起来 装进口袋里,连道谢的话也没有说一句。 当马克斯·玻恩回到哥丁根以后,有一天,无意中掏口袋,翻出了海森伯格递 给他的纸片。这一看,使他十分吃惊,没想到这个“毛孩子”竟能提出那么深刻的 见解,他这才后悔不已,深感在慕尼黑未能与海森伯格当面切磋。 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。看了这张纸条, 使他对这位青年人简直佩服得五体投地。后来,他打听到海森伯格已经荣获博士学 位,于是在1923 年秋天,坚决邀请他到哥丁根大学去担任自己的助教。玻恩教授 手下有一大批助教,按照哥丁根大学的老规矩,助教至少要当三年才具有升任讲师 的资格,而海森伯格到哥丁根大学不到三个月,就被破格提升为讲师。 海森伯格对原子论和核子论的创新见解引起了学术界的瞩目。不久,他获得了 洛克菲勒基金会的助学金,到丹麦哥本哈根大学进修。他的导师是丹麦著名的物理 学家尼尔斯·波尔。他们既是师生又是忘年之交。在哥本哈根的三年里,他们经常 通宵达旦地讨论问题,这使海森伯格在学术上又大大地向前迈进了一步。在海森伯 格六十寿辰时,波尔回忆当年的情景时说:“那时候,我们继续进行着在哥丁根大 学开始的探讨,无论是在研究所里,还是在散步中,我们都热烈地展开讨论,他那 少有的天赋和才能给我留下了强烈的印象。”1924 年,海森伯格和荷兰物理学家 克拉摩斯进一步发展了色散理论,提出了克拉摩斯- 海森伯格色散公式。这一理论 后来成为海森伯格创立一种量子力学的阶梯。海森伯格23 岁就提出了这样高难度 的理论,不能不使人对他深为尊敬。 不久,他在物理学上又有了新的重大突破。他在1925 年引入了一种最为巧妙 的形式体系:将力学量表示成厄密矩阵,各矩阵元对应着定态间一切可能的跃迁过 程,他发现了可以导出这些定态的能量和相应的跃迁过程的几率。这就是海森伯格 创立的矩阵量子力学,它同施罗丁格于次年创立的波动力学都是人们研究微观世界 必不可少的强大工具。 1926 年,海森伯格关于氦光谱的奇特双线的解释,对处理电子原子作出了个 具有决定意义的贡献。多年来,这种双线性一直是原子构造量子论的主要障碍之一, 海森伯格探索了波函数在位形空间中的对称性质,成功地证实了这样一个事实:氦 原子的定态分为两类,分别与两组不相并合的谱项相对应,并且分别以和反向电子 自旋、平行电子自旋相关联的对称的与反对称的空间波函数来表示。 当时,正是原子物理学迅速发展的时期,人们的兴趣越来越集中在整理丰富的 实验数据上。海森伯格在哥本哈根的最后一年中,在长期考察和反复论证的基础上, 发表了著名论文《量子论中运动学和力学的形象化内容》,第一次提出了测不准关 系,这对阐明量子力学的物理内容作出了重要贡献。 测不准关系指出:如果同时测量两个正则共轭变量,例如位置和动量,则其测 量值的不准确度之乘积不能小于大致为普朗克恒量除以2 π的数。测不准关系也反 映了被观察体系和测量工具之间的相互作用。海森伯格的测不准原理成为量子力学 的重要原理,他因此于1932 年荣获诺贝尔物理学奖金。后来,在这一原理的基础 上,尼尔斯·波尔又提出了波粒两种观点之间互相补充的“并协原理”,这种原理 后来成为哥本哈根学派的基本观点。 1927 年到1941 年,海森伯格担任了莱比锡大学的教授,并且开办理论讲座。 这个讲座对于推动德国物理学的研究起了重要作用。当时,德国研究理论物理学中 心在普朗克研究院,这个研究院的两个重要研究所分别设在柏林和哥本哈根。他曾 先后担任过这两个研究所的所长。在这期间,他又提出了关于韦斯铁磁性理论的量 子力学解释,并且把电磁场看作动力学体系,与奥地利物理学家泡利(1900~1958) 共同提出了电子和电磁场相互作用的相对论量子力学,这成为后来发展起来的量子 场论的先驱。1932 年,海森伯格又提出了两核子间的吸力是“交换力”,并引入 同位旋概念,用以强调这种交换力和电荷无关。 1941 年到1945 年,海森伯格在柏林大学任教授,并兼任马克斯·普朗克物 理研究所所长。在这期间,他的理论又有了新的发展,1943 年时,提出了粒子相 互作用的散射矩阵理论。 从1946 年到1958 年,海森伯格又受聘于哥丁根大学,担任教授,同时兼任 哥丁根的马克斯·普朗克物理学和天体物理学研究所所长。在这期间,他提出了大 雷诺数湍流的统计理论,并且对于在1951 年到1953 年期间反对哥本哈根学派量 子论解释的各种意见进行了反驳。 1976 年2 月1 日,著名的理论物理学家维尔纳·海森伯格在慕尼黑逝世,终 年75 岁。 为了探索物质结构的秘密,成千上万名物理学家、化学家进行了精确而有说服 力的实验。如果说过去这些实验是在黑暗中进行的话,那么自从有了相对论和量子 力学以后,现代物理学就有了强大的探照灯,这强大的物理学理论的灯光照亮了科 学向前发展的道路。 -------- 泉石书库