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维尔纳·海森堡

海森堡

维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg,1901年12月5日-1976年2月1日),德国物理学家,量子力学的创始人之一,“哥本哈根学派”代表性人物,1932年获得了诺贝尔物理学奖。海森堡对物理学的主要贡献是给出了量子力学的矩阵形式(矩阵力学),提出了“测不准原理”(又称“不确定性原理”)和S矩阵理论等。他的《量子论的物理学基础》是量子力学领域的一部经典著作。

 

简介

 

1924年,海森伯到哥本哈根在N.玻尔指导下研究原子的行星模型。1925年解决了非谐振子的定态能量问题,提出量子力学基本概念的新解释。矩阵力学就是M.玻恩和E.P.约旦后来又同海森伯一道在此基础上加以发展而成的。海森伯于1927年提出“不确定性”,阐明了量子力学诠释的理论局限性,对某些成对的物理变量,例如位置和动量,能量和时间等,永远是互相影响的;虽然都可以测量,但不可能同时得出精确值。“不确定性”适用于一切宏观和微观现象,但它的有效性通常只明显地表现在微观领域。1929年,他同W.E.泡利一道曾为量子场论的建立打下基础 ,首先提出基本粒子中同位旋的概念。1932年获诺贝尔物理学奖。

在第二次世界大战期间,海森伯曾和核裂变发现者之一O.哈恩一起,为纳粹发展核反应堆。他虽然不公开反对纳粹统治,但阻止原子武器的发展。战后在格丁根他和其他科学家18人发表公告,反对德意志联邦共和国政府发展核武器。著有《量子论的物理原理》、《原子核物理学》等。

海森堡出生于德国的维尔茨堡,在慕尼黑长大,父亲是一名普通的希腊语教师。早在中学时海森堡就已展现出了他的天赋,老师曾评价说:他能看到事物的本质,而不仅仅拘泥于表象和细节。后来,海森堡成为慕尼黑的马克斯米里扬天才基金会成员。“世界只在两件事情上还会想到我:一是我于1941年到哥本哈根拜访过尼尔斯·玻尔,二是我的测不准原理”。这是海森堡经常挂在嘴边的话。的确,由海森堡创立的理论奠定了现代量子物理的基础,它可通过数学计算将每个物理问题转化成实实在在的、可以测量的量;它阐明了由量子力学解释的理论局限性;它指出某些成双的物理变量如位置和动量永远是相互影响的,虽可测量,但其有效性不可能同时测出精确值等。他的主要贡献,是帮助科学家更深入地了解世界。

海森堡

海森堡曾在自传中说,1925年5月,他在哥廷根给马克斯伯尔恩当助手时,开始酝酿他的理论。当时,这位23岁的年轻科学家正患枯草热,医生建议他到赫尔戈兰岛休息两周,他就是利用这段时间完成了自己的事业。他说,那时他根本就不想睡觉,每天用1/3的时间来计算量子力学、1/3的时间攀岩,余下的时间背诵近东国家的诗集。他当时的想法,就是要让旧理论完全让位于新理论。除散步外,他一直在思考解决问题的数学方式,几天后他终于搞明白,在物理中所观察到的量应当起作用,它可取代传统理论中的量子条件。

海森堡的理论公布之后,曾遭到纳粹的猛烈批判。当时的德国结束了其科学黄金时代,最为惨烈的是大批犹太科学家被迫害,致使德国的科学和文化从一流下降到了五流水平,因此海森堡的理论也不断遭到攻击。纳粹把犹太人赶出德国还不算,还要对付“白色犹太人”,即“精神犹太”和同情犹太人的人,即像海森堡之流的名人。正如他的一名同事所说的,只要是他们不懂的东西都是犹太的东西。“很遗憾,当时正是物理将要取得重大突破的大好时机,可惜被政治断送了”。海森堡对此感到痛心。希特勒发动波兰战争时,命令海森堡来柏林,并要他写出核裂变可利用报告。他花了半个月的时间写了出来,但是,他本人虽然不公开反纳粹,却反对使用原子武器。二战结束后,他积极促进和平利用核能。1957年,他和其他科学家一道极力反对德国装备核武器,受到了德国人的爱戴。

海森堡

海森堡不仅对量子力学感兴趣,对艺术和音乐也十分在行。他的研究风格与达·芬奇作画时尽量利用素描、色彩和光线的明暗等手段相似,力求达到客观与主观的协调一致。海森堡对音乐的解释是,音乐如同语言,极具个性化;而物理研究也如同作曲,古典物理犹如巴赫的交响曲。

海森堡把物理当成了作曲。不同的时,作曲家使用的是音符,海森堡则使用数学符号。他了解的是物理的自然法则,在其理论的声音里没有游离“音”,在他的证明空间里发出的“音调”是原子法则,其目的是为了完善原子理论。

 

量子力学之父

 

力学是研究物体运动普遍规律的物理学分支。它是物理学的最基本分支,又是最基础学科。在20世纪初的年月里,人们逐渐认识到公认的力学定律不能描写极其微小物体如原子和亚原子粒子的行为;他们对此感到迷惑不解,忐忑不安,因为公认的定律应用于宏观物体(即比个体原子大得多的物体)时是白壁无瑕,完美无缺的。

1925年,维尔纳·海森堡提出了一个新的物理学说,一个在基本概念上与经典牛顿学说有着根本不同的学说。这个新学说——在海森堡的继承人做了某些修正后——取得了光辉的成果,今天被公认为可以应用于所有的物理体系,而不管其类型如何或规模大小。

用数学能演证出:在只涉及宏观体系的情况下,量子力学的预测不同于经典力学的预测,不过由于两者在量上差别太小而无法度量出来(由于这种原因,经典力学——在数学上比量子力学简单得多——仍可用于大多数的科学运算)。但是在涉及原子量纲体系的情况下,量子力学的预测与经典力学的预测迥然各异;实验表明在这样的情况下,量子力学的预测是正确的。

海森堡学说所得出的成果之一是著名的“测不准原理”。这条原理由他在1927亲自提出,被一般认为是科学中所有道理最深奥、意义最深远的原理之一。测不准原理所起的作用就在于它说明了我们的科学度量的能力在理论上存在的某些局限性,具有巨大的意义。如果一个科学家用物理学基本定律甚至在最理想的情况下也不能获得有关他正在研究的体系的准确知识,那么就显然表明该体系的将来行为是不能完全预测出来的。根据测不准原理,不管对测量仪器做出何种改进都不可能会使我们克服这个困难!

海森堡

测不准原理表明从本质上来讲物理学不能做出超越统计学范围的预测(例如,一位研究放射的科学家可能会预测出在三兆个原子中将会有两百万个在翌日放射Υ射线,但是他却无法预测出任何一个具体的镭原子将会是如此)。在许多实际情况中,这并不构成一种严重的限制。在牵涉到巨大数目的情况下,统计方法经常可以为行动提供十分可靠的依据;但是在牵涉到小数目的情况下,统计预测就确实靠不住了。事实上在微观体系里,测不准原理迫使我们不得不抛弃我们的严格的物质因果观念。这就表明了科学基本观发生了非常深刻的变化;的确是非常深刻的变化以致于象爱因斯坦这样的一位伟大的科学家都不愿意接受。爱因斯坦曾经说过:“我不相信上帝在和宇宙投骰子。”然而这却基本上是大多数现代物理学家感到必须得采纳的观点。

显而易见,从某种理论观点来看,量子学说改变了我们对物质世界的基本观念,其改变的程度也许甚至比相对论还要大。然而量子学说带来的结果并不仅仅是人生观的变化。

在量子学说的实际应用的行列之中,有诸如电子显微镜、激光器和半导体等现代仪器。它在核物理学和原子能领域里也有着许许多多的应用;它构成了我们的光谱学知识的基础,广泛地用于天文学和化学领域;它还用于对各种不同论题的理论研究,诸如液态氦的特性、星体的内部构造、铁磁性和放射性等等。

海森堡

维尔纳·海森堡于1901年出生在德国,1923年在慕尼黑大学获得理论物理学博士学位。从1924年到1927年他在哥本哈根与伟大的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔共事。他的关于量子力学的第一篇重要论文发表于1925年,他对测不准原理论述的结果于1927年问世。海森堡1976年溘然长逝,享年七十五岁,他留下了妻子和七个儿女。

 

详细介绍

 

青少年时代 (1901–1924年)

 

W.K.海森堡1901年12月5日出生于巴伐利亚州小城乌尔兹堡。1910年海森堡一家迁居巴伐利亚州首府慕尼黑市。他的父亲A.海森堡在慕尼黑大学担任中世纪及现代希腊语言学终身教授。

1911年海森堡进入久负盛名的慕尼黑马克希米廉斯中学,并获得巴伐利亚州马克希米廉斯基金会颁发的奖学金。他的外祖父曾任该校校长。海森堡的中学时代恰逢第一次世界大战。1917年至1919年间他作为志愿者服务于战争后方从事救助工作。1920年海森堡以优异成绩完成了中学学业,转入路易.马克希米廉斯大学(即慕尼黑大学)开始学习物理,数学,化学和天文学。

海森堡离开哥廷根,以洛克菲勒基金会研究员的身份奔赴他向往已久的理论物理学圣地—哥本哈根大学玻尔研究所。这是他人生的一个重要转折点。

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量子力学的诞生 (1924 – 1927年)

 

在哥本哈根访问工作数月后,海森堡于1925年5月返回德国,暂时任教于哥廷根大学。

1926年5月他再次访问哥本哈根大学,担任理论物理学讲师和玻尔的主要研究助手。作为量子力学的创始人之一,1924至1927年是年轻的海森堡学术生涯的第一个颠峰期。

玻尔与索末菲的半经典原子理论假设电子在围绕原子核的固定轨道上转动。这一理论取得了很大成功,但在解释几个关键实验结果(如光谱的反常拉曼效应和辐射性质)时却彻底失败了。为了克服玻尔-索末菲模型的缺陷,玻恩、海森堡和W.泡利在德国以及玻尔等在丹麦分别展开了深入细致的研究工作。1925年6月在海格兰岛养病期间,海森堡的研究有了突破性进展,从而导致了全新自洽的原子理论—量子力学的诞生。之后不久,玻恩、P.约丹和海森堡在哥廷根大学建立了量子力学的完备数学体系,称为矩阵力学。

当时量子力学有五种不同的数学体系:(1)矩阵力学,由玻恩、约丹和海森堡在哥廷根建立;(2)Q-代数,由P.狄拉克在剑桥建立;(3)积分方程理论,由K.兰酋斯在法兰克福建立;(4)算符力学,由玻恩和N.维也纳合作完成;(5)波动力学,由苏黎世大学的E.薛定谔于1926年根据L.德布勒意在1923年提出的物质波思想推导建立。在这五种不同表述中,薛定谔的波动力学最为实用,因为它的数学形式直观简洁,可以计算当时所有的原子问题。

如何诠释量子力学波函数的概念是1926年理论物理学界的一大焦点。经过一番辩论,薛定谔的“连续诠释”观点被玻恩的“统计诠释”观点和狄拉克-约丹的“统计变换理论”驳倒了。1927年海森堡首次提出并证明了量子力学的“测不准原理”。紧接着玻尔发展了“互补性原理”。至此量子力学的基本概念得到了完备自洽的物理解释。

 

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莱比锡—原子理论(1927 – 1933年)

 

早在1926年春天海森堡就收到邀请,莱比锡大学有意提供给他一个特聘教授职位。但是他放弃了这个难得的机会,赴哥本哈根访问并同玻尔一起工作。莱比锡大学的教授职位后来给了索末菲的另一个得意门生G.温奇尔。1927年年关前后,莱比锡大学的两位物理学终身教授T.德司考蒂意斯和O.维也纳相继去世。他们空出的实验物理学教授职位由索末菲的第一个博士生P.德拜填补上,而理论物理学教授职位则给了海森堡。

海森堡于1927年10月到莱比锡任职后,立即吸引了许多天才后生前来求学。海森堡带领学生们开始了凝聚态量子力学的研究工作,并同其它原子理论研究中心(比如哥本哈根,哥廷根,慕尼黑和苏黎世)一直保持密切的学术交流。他与苏黎世的关系尤其特殊,因为他的密友泡利在苏黎世高等工业大学工作。泡利于1928年获得了理论物理学终身教授职位。

在大学第一学期海森堡想加入数学家F.林德曼的研讨班,却被拒绝了。他转而选择物理学家A.索末菲作为导师。索末菲教授精通原子理论,引导海森堡进入了新兴的量子论最前沿领域。1922年冬季索末菲带领海森堡来到哥廷根大学聆听物理学大师N.玻尔关于原子结构的系列讲座。年轻的海森堡给玻尔留下了深刻印象,两人的师生友谊也从此开始。

索末菲为海森堡选定的博士学位研究课题是一个经典难题—湍流。经过深入研究,海森堡提出了一种巧妙独到的解决湍流问题的方案。索末菲对海森堡的才能青睐有加,曾写信给他的父亲A.海森堡称赞道,“你的家庭出了一位物理学与数学奇才”。尽管受到实验物理学家W.韦恩的刁难,海森堡还是通过了博士论文答辩,于1923年夏天毕业。

获得博士学位后,海森堡受聘于哥廷根大学,担任物理学家M.玻恩的助手。 这时他的主要研究兴趣转到了量子理论。经过一年的努力,海森堡在哥廷根顺利通过了申请终身教授职位的资格考试。1924年9月当1928年夏天温奇尔离开莱比锡去苏黎世大学接替薛定谔时(后者已于早些时候赴柏林大学就任以量子论的创始人M.普朗克命名的终身教授职位),罗斯道克大学的F.洪特加盟海森堡的研究所并担任数学物理终身教授。洪特与海森堡早在哥廷根就是好朋友,两人在为人与教学等方面相得益彰,吸引了大批年轻学生和著名学者从世界各地前来莱比锡参加他们的讲座与研讨会。此外,与数学家们的密切合作使海森堡进一步巩固了量子力学的数学基础。

名噪一时的“莱比锡大学周”是由德拜组织的。这一活动促进了现代物理和化学的理论与实验方法的广泛交流。在第一次大学周活动中,狄拉克做了关于相对论电子的全新量子理论的讲演。

 

周游世界及荣获诺贝尔奖 (1929 – 1933年)

 

1929年3月初海森堡完成了一篇重要的研究手稿,概括了他两年来推导相对论性量子场论的尝试和结果。之后他开始访问美国,首先到达东海岸的麻省理工学院(波士顿)和哥伦比亚大学(纽约),接着来到芝加哥大学并做了题为“量子理论的物理原理”的系列讲座。

当时海森堡的朋友狄拉克正在威斯康星大学访问工作。两人相约一道去了美国西部,游览了著名的黄石国家公园和加州大学。后来他们经由夏威夷访问日本。海森堡和狄拉克向

汤川秀树等日本同行介绍了他们各自在量子力学方面的最新研究工作。最后海森堡取道中国和印度返回了莱比锡,而狄拉克则穿越了苏联经由莫斯科回到剑桥。

这趟世界之旅大大提高了海森堡本人和量子力学的知名度。1932年他再次应邀访问美国。许多美国和日本学生及学者频繁来莱比锡求学或讲学。国际著名的物理学大会(如1930年和1933年在布鲁塞尔召开的索尔维会议和1931年在罗马召开的核物理大会)也纷纷邀请海森堡参加并作报告。这些国际大会以及玻尔研究所举办的精英荟萃的小型研讨会激发了海森堡的物理思想也同时传播了他的最新研究成果,其中包括关于原子核结构的理论和关于宇宙线中的高能基本粒子过程的理论。

1933年底海森堡实至名归,荣获1932年度的诺贝尔物理学奖—该奖项肯定了他对量子力学理论及其应用的创造性贡献。与此同时,诺贝尔奖评委会宣布将1933年度的物理学奖颁发给狄拉克和薛定谔,以表彰他们对新的原子理论的杰出贡献。

“犹太物理学”与“德意志家庭”(1933 – 1939年) 1933年初由新纳粹政府蓄意煽动的第一波种族歧视浪潮对德国各大学造成严重冲击。海森堡在哥廷根的老师玻恩和J.弗兰克不得不移居国外,他的助手F.布劳赫离开了莱比锡,原先的学生如R.佩尔斯和E.泰勒以及原来的助手G.贝克等都无法在德国的大学保留原职。1933年11月,首次针对海森堡的人身攻击开始了,原因是他拒绝在一篇向A.希特勒献媚的致词中签名。然而海森堡依旧公开反对政府强行解雇更多的犹太同事,尽管他和他的朋友们的这种努力在残酷的现实面前是徒劳的。

在犹太学者被驱逐出德国各大学和研究所之后,科学界的纳粹帮凶们加强了他们反对普朗克、M.冯劳厄和索末菲的活动。更有甚者,他们把矛头指向年轻的海森堡,因为在这些人眼中海森堡是“犹太物理学”(特别是相对论和量子力学)的主要代表人物之一。海森堡成功地抵制了用心险恶的诽谤,但最终他没有被当局允许去接任他的导师索末菲在慕尼黑大学的终身教授职位。此后,现代物理学的研究环境在德国急剧恶化,而美国则在许多方面取代德国处于领先地位。

许多莱比锡的同事在这段困难时期给予了海森堡巨大帮助和安慰。1937年4月,海森堡与E.苏玛赫结婚,组成了一个典型的“德意志家庭”。两人共生育了七个孩子。有限的国外旅行以及那仍旧具有国际水准的莱比锡理论物理研讨会使得海森堡能够和世界范围的量子物理学家们保持一定程度的联系和交流。尽管战争的阴云笼罩欧洲,尽管收到名声卓著的美国大学的高薪聘请,海森堡经过一个夏天在巴伐利亚的阿尔卑斯山避难之后依然于1939年8月返回莱比锡。

 

核物理与核能源 (1935 – 1945年)

 

在三十年代海森堡继续探索一个能够满足相对论的量子场理论。他为此与泡利和其他苏黎世的同行开展了合作研究。海森堡和他的学生在高能宇宙线和介子理论方面也做了大量工作,并和日本著名物理学家汤川秀树就有关问题通过书信进行探讨。他成功地创立了莱比锡理论核物理讲习班, 在国际上久负盛誉。这个讲习班直到第二次世界大战爆发后才被迫停办。

海森堡

1938年12月O.哈恩和F.思特拉斯曼发现了铀裂变。这一发现使得原子能的开发和利用成为可能。1939年9月战争在欧洲爆发,德国军械局把利用铀裂变制造核武器的研究立项,并招海森堡来领导这个项目。海森堡首先在理论上分析了“铀裂变机器”的工作原理,然后和他的莱比锡同事进行了实验研究。1942年春天他们相当肯定地得出结论, 建立以天然铀为燃料和以重水为缓冲剂的核反应堆是现实可行的。

到了1942年年中,纳粹军械局将上述铀裂变项目转交民用部门负责。海森堡被任命为凯萨-威海姆物理研究所所长兼柏林大学教授,计划在柏林进行核武器的具体研制和大规模实验。由于战争条件的限制,该计划直到1945年初才在德国南部小城海格劳赫实施并近乎取得成功。

尽管海森堡肩负战时秘密使命,他仍被允许数次出访国外,其中包括1941年9月的哥本哈根之行。海森堡是否在哥本哈根将德国的核武器计划泄露给了玻尔已成为一个历史谜团。就海森堡本人而言,他希望访问交流能使自己与丹麦、荷兰、匈牙利以及瑞士的同事和朋友保持学术联系。

在欧洲战事即将结束时,一个美国特别分队逮捕了海森堡和其他九位德国原子物理学家。他们被拘留在英国将近一年,接受盟军的秘密审讯。在拘留所里,海森堡等人获悉了日本广岛和长琦被美军原子弹摧毁的消息。第二次世界大战以核武器的研制成功和毁灭性使用后果而告终。

 

战后重建 (1945 – 1957年)

 

1945年10月,和海森堡一同被拘留在英国的德国物理学家哈恩荣获1944年度的诺贝尔化学奖—该奖项肯定了他率先发现铀裂变的科学意义。在这之前,英国物理学家及政府科学顾问P.布拉克特已经同哈恩,海森堡和冯劳厄讨论了重建德国科学事业的可能性。

重建工作是在盟军的严格监督和限制下展开的。由于饱受战火的摧残,德国当时一片废墟。几个前凯撒-威海姆学会所属的研究所迁到英美控制区,由马克思-普朗克学会统一领导。这样海森堡将他的物理研究所从柏林迁至哥廷根,并增加了基本粒子物理和天体物理等新学科。不久以后海森堡与英国、意大利、瑞士和西班牙的同行恢复了密切的学术交流。日益广泛的国际交流慢慢冲淡了盟军原定的对德国科学家从事原子和原子核物理研究的种种限制。

在重振西德的科学事业过程中,海森堡和时任马普学会主席的哈恩起了关键作用。1949至1951年间,海森堡担任德意志研究院院长。他同时是西德政府处理核问题的科学顾问。到了五十年代中期,西德也参加了一些开发利用核能的项目。然而海森堡、哈恩、冯魏茨塞克和其他科学家坚决反对政府生产制造任何核武器。他们为此于1957年4月发表了著名的哥廷根限制核武器宣言。

1952年6月,由海森堡等人倡议的西欧核子研究中心(CERN)在日内瓦正式创建。这是一个以研究基本粒子和原子核的性质与相互作用为目标的国际物理中心,海森堡是该中心的首任科学政策委员会主席。德国的许多科研机构(如海森堡任所长的哥廷根物理研究所)都参加了西欧核子中心的合作项目。

1953年海森堡担任战后重建的A.冯洪堡基金会主席,邀请世界各国的优秀青年学者到西德的大学和研究所从事科学研究和交流。他担当这一职务达二十七年之久,直到去世。如今冯洪堡基金会名声显赫,受它资助过的学者遍布全世界。

 

科学、政治、哲学和艺术 (1955 – 1976年)

 

通过战后的各种活动,海森堡逐步规划和重组了德国的基础科学研究。特别是在马普学会内部和涉及所谓“大规模科学研究”计划方面,海森堡起的作用影响深远。1958年9月海森堡回到慕尼黑,将他原先的研究所扩展为国际著名的马克思-普朗克物理和天体物理研究所,并与L.比尔曼共同担任所长。以此为模式,海森堡又在慕尼黑附近的伽兴市推动成立了马普等离子体研究所和马普大气物理所,在斯坦堡市推动成立了马普生态环境研究所。

对于海森堡来说,一个关于物质的最基本组份的理论应该基于对称性、简单性和完整性。这不仅反映了他作为物理学家的深邃洞察力,也是他的世界观的思想基础。他认为对称性、简单性和完整性是概括物质世界的普遍规律的出发点,可以从物理学、化学和生物学延伸到人类意识、社会秩序、宗教行为和艺术活动的各个方面。

海森堡晚年致力于建立一个描述基本粒子及其相互作用的统一量子场论。他的研究工作最初得到了泡利的支持,但是后来泡利开始怀疑海森堡的物理想法并最终退出了合作。海森堡的有关研究结果虽然在1959年后陆续发表,却没有被物理学界广泛接受。这种情况是他以往不曾遇到的,也很令他失望。尽管如此,海森堡的所谓非线性旋量场理论包含了许多具有创新意义的物理思想,启发后人最终成功地建立了电磁和弱相互作用的统一量子理论。

虽然战后德国分裂成东西两个不同的政治实体,这并没有影响海森堡偶尔从西德造访属于东德的莱比锡。他于1958年在莱比锡物理研究所和1967年在萨克逊科学院的讲演吸引了大批听众,造成了广泛的影响。

1976年2月1日,一代物理学宗师海森堡在慕尼黑逝世,享年七十五岁。

 

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