海森伯：把物理學(xué)帶入新世界

尹傳紅

德國理論物理學(xué)家沃納·海森伯作為現(xiàn)代物理學(xué)的開拓者之一，創(chuàng)立了量子力學(xué)的矩陣力學(xué)形式，提出了不確定性原理，把物理學(xué)帶入了一個全新的世界。

兄弟倆較勁

海森伯5歲那年，差點(diǎn)因肺炎死去。在成長過程中，他還時常受到過敏癥和其他疾病的困擾，身體不是太好。不過，這個瘦弱的孩子卻自信滿滿、爭強(qiáng)好勝，總想出人頭地。這，大概要?dú)w因于他那具有強(qiáng)烈個性和學(xué)術(shù)抱負(fù)的父親，對他及其哥哥施行的一種特殊的教育方式。

那是在20世紀(jì)最初的10年間，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前，德國的維爾茨堡，一個非常幽靜的、田園式的傳統(tǒng)城市，倫琴就是在那里發(fā)現(xiàn)了X射線。出生于中產(chǎn)階級手藝人家庭、任職于中學(xué)的海森伯的父親，被批準(zhǔn)在大學(xué)里擔(dān)任無公薪講師（后來他成為德國唯一的中世紀(jì)及現(xiàn)代希臘語方面的正教授），這在當(dāng)時可謂社會地位提升的一種標(biāo)志。這位父親的親身垂范激揚(yáng)了他兩個兒子的雄心壯志，而他常常也刻意“誘導(dǎo)”哥倆在學(xué)業(yè)方面展開競賽。

“我們的父親習(xí)慣于和我們進(jìn)行各種比賽……他是一位很好的教師，他發(fā)現(xiàn)比賽可以用來教育孩子們。因此，當(dāng)我哥哥在他的學(xué)校作業(yè)中遇到一些數(shù)學(xué)問題時……父親就用這些問題當(dāng)作一種比賽，來看看誰能很快地做出來……我發(fā)現(xiàn)我能相當(dāng)快地做出這些數(shù)學(xué)題，因此從那時起我對數(shù)學(xué)就有了一種特殊的興趣。”多年以后，海森伯回憶道。

那一時期，由于受做鎖匠的祖父的影響，海森伯兄弟倆十分喜歡擺弄和制造一些機(jī)械玩意。他們的“杰作”是一艘1.5米長的電動戰(zhàn)艦，上面裝有遙控的槳片，可以電動“發(fā)炮”。這或許算得上是兄弟倆在科學(xué)方面唯一的一次“合作”了。

遺憾的是，他倆的那種家庭競賽雖然產(chǎn)生了“比學(xué)趕幫”的效應(yīng)，但也造成了兄弟之間因較勁而導(dǎo)致的情感傷害，乃至終生不和。在海森伯成名之后的多次公開回憶中，他那位成了化學(xué)家的哥哥就好像不存在一樣。

“奇特”與“刺激”

中學(xué)時代的海森伯似乎從來也沒有被課堂作業(yè)難倒過。第二學(xué)年結(jié)束時，他的老師在他的年級報告上寫道：“他像鬧著玩似的取得了優(yōu)異成績，根本就不費(fèi)勁?！边€有老師評價他說：“他在理性方面的發(fā)展，要比幻想和想象力發(fā)展得更快。”

那時候，海森伯經(jīng)常是在精神高度集中的情況下快速完成家庭作業(yè)，然后就去干更有挑戰(zhàn)性和更有趣的事情，例如音樂、下棋之類。數(shù)學(xué)老師沃耳夫注意到了這個特別的孩子，就有意挑選一些特殊的問題，拿給他說：“試著解解這個和這個?！?/p>

然而，當(dāng)課程從算術(shù)轉(zhuǎn)向幾何學(xué)時，海森伯卻泄了氣，聲稱對枯燥的三角形和正方形毫無興趣。沃耳夫開導(dǎo)他說：“普遍成立的命題可以從幾何學(xué)得出，而這些命題是跟物理現(xiàn)象瞬變的‘實(shí)在世界相對應(yīng)的。”海森伯頓時領(lǐng)悟到了數(shù)理世界之間的對應(yīng)關(guān)系，感到既“奇特”，又“刺激”。此后不久，他弄到一本愛因斯坦專為中學(xué)生寫的關(guān)于相對論的小冊子，并驚喜地看到，書中開篇即談及“幾何命題的物理內(nèi)涵”。

差不多就在這當(dāng)口，他的父母交給他一個任務(wù)：幫助一位比他大8歲、正準(zhǔn)備化學(xué)方面博士考試的女大學(xué)生溫習(xí)數(shù)學(xué)。由此他提早熟悉了微積分，并在隨后到來的期末考試中，演示了用微積分求解牛頓運(yùn)動方程，令主考老師大為驚訝。

誘人的“角色”

1920年秋，海森伯進(jìn)入慕尼黑大學(xué)不久，即在一次與朋友的對談中展望了自己的職業(yè)理想：“在這兒，我們相信我是在未知的土地上，而且也許需要若干代的物理學(xué)家才能找到確定的答案。我覺得在所有這一切中擔(dān)當(dāng)某一角色是很誘人的。”

事實(shí)上確實(shí)如此。始于馬克斯·普朗克量子觀念的基礎(chǔ)物理學(xué)的偉大革命，以20世紀(jì)20年代令人驚嘆的突破達(dá)到了頂峰，而海森伯邁出的一大步具有決定性的意義，也使得年紀(jì)輕輕的他很快就攀登到了他的職業(yè)頂點(diǎn)。

1923年，海森伯以論文《流體動力學(xué)的基本方程》獲得博士學(xué)位。隨后他到哥廷根大學(xué)，在玻恩的指導(dǎo)下工作。在玻恩眼中，海森伯看起來像是一個單純的農(nóng)家子弟，有一頭金色的短發(fā)，還有一雙明澈的眼睛，表情迷人。他倆合作撰寫了《玻爾原子分子模型中的相位關(guān)系》一文。

這個時候，量子理論仍面臨許多問題。海森伯決心建立一個數(shù)學(xué)模式來解釋原子結(jié)構(gòu)。當(dāng)時已經(jīng)知道，不同元素可以根據(jù)它發(fā)出的光的頻率來進(jìn)行鑒定（頻率幾乎就像人的指紋一樣具有唯一性）。玻爾早前發(fā)現(xiàn)并意識到，氫光譜中的光譜線是由于電子在高能和低能軌道之間的躍遷產(chǎn)生的。當(dāng)電子躍遷時，它們發(fā)出特定頻率的光子，表現(xiàn)出某種顏色，在頻譜線上形成一條光譜。既然玻爾等人所設(shè)想的原子模型是為了揭示光譜線的位置而提出來的，那么，為什么不從那些光譜線著手，找出能說明這些譜線的數(shù)學(xué)關(guān)系呢？

海森伯另辟蹊徑，記下所觀察到的不同的氫原子的光譜頻率，并把它們按照矩陣的形式排列起來（矩陣是把數(shù)字按行和列排列起來的數(shù)學(xué)方法）。他發(fā)現(xiàn)，確實(shí)可以用公式的方式來表達(dá)頻譜線的頻率和其他觀察到的特性的關(guān)系。

1925年9月，24歲的海森伯發(fā)表論文《關(guān)于運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的量子力學(xué)解釋》，公布了計算結(jié)果。這個發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)的一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并奠定了不久后產(chǎn)生的“矩陣力學(xué)”的重要基礎(chǔ)。英國物理學(xué)家保羅·狄拉克最終證明，海森伯的矩陣力學(xué)與奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤稍后提出的波動力學(xué)，都能導(dǎo)致同樣的結(jié)果。正如你無論是選擇以英里還是以千米為測量單位，都不會改變你所測量的距離。它們不過是迥異于日常世界所有事物的一個整體的不同方面，并且只是在原子和亞原子粒子的小尺寸層面上才具有重要意義。這也正是基本粒子令人深感困惑的特性所在：有的時候呈現(xiàn)為粒子——在空間上確定的點(diǎn)；有的時候又呈現(xiàn)為波——分布在一定區(qū)域內(nèi)的能量。這兩種可能的形態(tài)竟能合于一“體”，用哲學(xué)術(shù)語來說，那就是“統(tǒng)一的多樣性”。

測不準(zhǔn)與不確定性

“那是一個月光皎潔的夜晚，我們走遍了（哥廷根附近的）海恩堡山。（海森伯）完全沉迷于自己的想法中，他試著給我解釋他的最新發(fā)現(xiàn)。他談到，對稱性作為原始創(chuàng)作的原型，真是個奇跡。他談到了和諧，談到了簡約之美及其內(nèi)在的真理。它是我們生活的最精彩之處?！焙Ｉ姆蛉艘聋惿子羞^這樣一段美妙的回憶。

在那段日子里，當(dāng)有人問海森伯是不是可以想象一下原子的模樣時，他回答說：“別這么干?！?/p>

原子微觀世界的規(guī)律，顯然不同于經(jīng)典的“宏觀”世界的規(guī)律，更多的奧秘還有待探索。

“我們整天談?wù)摿孔永碚?，滿腦子都是量子理論的成功和它的內(nèi)在矛盾。”海森伯晚年時回憶說。由于無法觀察到原子內(nèi)電子運(yùn)動的軌道，海森伯放棄了給原子以具體描繪的一切嘗試，轉(zhuǎn)而尋求闡釋一種沒有電子運(yùn)動軌道的量子力學(xué)。其出發(fā)點(diǎn)是忽略原子的視覺觀念，只以數(shù)學(xué)方式來考慮，即對任意給定瞬間電子的位置和地點(diǎn)的概率進(jìn)行一種數(shù)學(xué)預(yù)測。1927年年初，海森伯寫信給泡利，用14頁紙的篇幅描述了自己的新理論。同年3月22日，他向《物理學(xué)雜志》寄交論文《論量子理論的運(yùn)動學(xué)和力學(xué)的直觀內(nèi)容》，文中首次提出了不確定性原理（Uncertainty Principle，舊譯“測不準(zhǔn)原理”）。

不確定性原理表明，單個微觀粒子的某些物理量，不可能同時具有確定的數(shù)值，我們只能計算出某些事件發(fā)生的概率。這并不是因為儀器不夠精準(zhǔn)，所以無法同時給出確定的位置和動量（質(zhì)量與速度的乘積）。海森伯?dāng)喽?，粒子的本性就是無法同時擁有確切的位置和動量。在這樣一對參數(shù)中，一個越是被精確地確定，另一個就越不能被精確地確定。

不確定性原理如實(shí)反映了物質(zhì)的一個根本屬性，實(shí)際上也反映了基本粒子的雙重特性——粒子的特性和波的特性（波粒二象性）。這條原理，現(xiàn)在已被公認(rèn)為科學(xué)中道理極為深奧、意義極為深遠(yuǎn)的原理之一。

因創(chuàng)立量子力學(xué)，以及由此帶來的氫的同素異形體的發(fā)現(xiàn)，32歲的海森伯被授予1932年諾貝爾物理學(xué)獎。

1976年2月1日，海森伯因患癌癥去世，享年74歲。

海森伯小傳

沃納·卡爾·海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901—1976年），德國理論物理學(xué)家，量子力學(xué)的主要創(chuàng)始人，哥本哈根學(xué)派的代表人物。畢業(yè)于慕尼黑大學(xué)、哥廷根大學(xué)。曾任職于哥本哈根大學(xué)、萊比錫大學(xué)、威廉皇家物理研究所、柏林大學(xué)。創(chuàng)立了量子力學(xué)的矩陣力學(xué)形式，提出了不確定性原理，創(chuàng)建了關(guān)于原子核的中子-質(zhì)子模型。獲1932年諾貝爾物理學(xué)獎。著有《量子論的物理學(xué)基礎(chǔ)》《物理學(xué)家的自然觀》等。

人生有幸遇良師

海森伯科學(xué)生涯的幾位重要領(lǐng)路人，從阿諾德·索末菲、尼爾斯·玻爾，到馬克斯·玻恩、沃爾夫?qū)づ堇?，分別都是在相隔不遠(yuǎn)的時間段里與他相遇。

由于索末菲的賞識，海森伯入學(xué)不久就得以參與一些重要的研究工作，如分析原子光譜中有關(guān)塞曼效應(yīng)的新數(shù)據(jù)等，發(fā)表了3篇有關(guān)原子光譜學(xué)的論文。

因為在一次學(xué)術(shù)講演會上對玻爾關(guān)于塞曼效應(yīng)的解釋發(fā)表了不同的意見，海森伯引起了玻爾的注意，并受邀散步長談，討論現(xiàn)代原子理論的基本物理學(xué)問題和哲學(xué)問題—海森伯坦承那次談話是他“真正的科學(xué)生涯的開始”。