尹傳紅

德國(guó)理論物理學(xué)家沃納·海森伯作為現(xiàn)代物理學(xué)的開(kāi)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(gè)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(zhǎng)過(guò)程中，他還時(shí)常受到過(guò)敏癥和其他疾病的困擾，身體不是太好。不過(guò)，這個(gè)瘦弱的孩子卻自信滿滿、爭(zhēng)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(gè)性和學(xué)術(shù)抱負(fù)的父親，對(duì)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(guó)的維爾茨堡，一個(gè)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(jí)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(wú)公薪講師（后來(lái)他成為德國(guó)唯一的中世紀(jì)及現(xiàn)代希臘語(yǔ)方面的正教授），這在當(dāng)時(shí)可謂社會(huì)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(gè)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(kāi)競(jìng)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(lái)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(wèn)題時(shí)……父親就用這些問(wèn)題當(dāng)作一種比賽，來(lái)看看誰(shuí)能很快地做出來(lái)……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(shí)起我對(duì)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(shí)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(zhǎng)的電動(dòng)戰(zhàn)艦，上面裝有遙控的槳片，可以電動(dòng)“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(jìng)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(kāi)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(shí)代的海森伯似乎從來(lái)也沒(méi)有被課堂作業(yè)難倒過(guò)。第二學(xué)年結(jié)束時(shí)，他的老師在他的年級(jí)報(bào)告上寫(xiě)道：“他像鬧著玩似的取得了優(yōu)異成績(jī)，根本就不費(fèi)勁?！边€有老師評(píng)價(jià)他說(shuō)：“他在理性方面的發(fā)展，要比幻想和想象力發(fā)展得更快?！?/p>

那時(shí)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(lè)、下棋之類。數(shù)學(xué)老師沃耳夫注意到了這個(gè)特別的孩子，就有意挑選一些特殊的問(wèn)題，拿給他說(shuō)：“試著解解這個(gè)和這個(gè)?！?/p>

然而，當(dāng)課程從算術(shù)轉(zhuǎn)向幾何學(xué)時(shí)，海森伯卻泄了氣，聲稱對(duì)枯燥的三角形和正方形毫無(wú)興趣。沃耳夫開(kāi)導(dǎo)他說(shuō)：“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(duì)應(yīng)的。”海森伯頓時(shí)領(lǐng)悟到了數(shù)理世界之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，感到既“奇特”，又“刺激”。此后不久，他弄到一本愛(ài)因斯坦專為中學(xué)生寫(xiě)的關(guān)于相對(duì)論的小冊(cè)子，并驚喜地看到，書(shū)中開(kāi)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(gè)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(lái)的期末考試中，演示了用微積分求解牛頓運(yùn)動(dòng)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(duì)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(jué)得在所有這一切中擔(dān)當(dāng)某一角色是很誘人的?！?/p>

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(dòng)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(lái)像是一個(gè)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(xiě)了《玻爾原子分子模型中的相位關(guān)系》一文。

這個(gè)時(shí)候，量子理論仍面臨許多問(wèn)題。海森伯決心建立一個(gè)數(shù)學(xué)模式來(lái)解釋原子結(jié)構(gòu)。當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道，不同元素可以根據(jù)它發(fā)出的光的頻率來(lái)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(shí)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(shí)，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(lái)的，那么，為什么不從那些光譜線著手，找出能說(shuō)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(lái)（矩陣是把數(shù)字按行和列排列起來(lái)的數(shù)學(xué)方法）。他發(fā)現(xiàn)，確實(shí)可以用公式的方式來(lái)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(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的量子力學(xué)解釋》，公布了計(jì)算結(jié)果。這個(gè)發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)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(guó)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(dòng)力學(xué)，都能導(dǎo)致同樣的結(jié)果。正如你無(wú)論是選擇以英里還是以千米為測(cè)量單位，都不會(huì)改變你所測(cè)量的距離。它們不過(guò)是迥異于日常世界所有事物的一個(gè)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(shí)候呈現(xiàn)為粒子——在空間上確定的點(diǎn)；有的時(shí)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(yǔ)來(lái)說(shuō)，那就是“統(tǒng)一的多樣性”。

測(cè)不準(zhǔn)與不確定性

“那是一個(gè)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(duì)稱性作為原始創(chuàng)作的原型，真是個(gè)奇跡。他談到了和諧，談到了簡(jiǎn)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^(guò)這樣一段美妙的回憶。

在那段日子里，當(dāng)有人問(wèn)海森伯是不是可以想象一下原子的模樣時(shí)，他回答說(shuō)：“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?！焙Ｉ砟陼r(shí)回憶說(shuō)。由于無(wú)法觀察到原子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)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(méi)有電子運(yùn)動(dòng)軌道的量子力學(xué)。其出發(fā)點(diǎn)是忽略原子的視覺(jué)觀念，只以數(shù)學(xué)方式來(lái)考慮，即對(duì)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(cè)。1927年年初，海森伯寫(xiě)信給泡利，用14頁(yè)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(dòng)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(cè)不準(zhǔn)原理”）。

不確定性原理表明，單個(gè)微觀粒子的某些物理量，不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值，我們只能計(jì)算出某些事件發(fā)生的概率。這并不是因?yàn)閮x器不夠精準(zhǔn)，所以無(wú)法同時(shí)給出確定的位置和動(dòng)量（質(zhì)量與速度的乘積）。海森伯?dāng)喽ǎＷ拥谋拘跃褪菬o(wú)法同時(shí)擁有確切的位置和動(dòng)量。在這樣一對(duì)參數(shù)中，一個(gè)越是被精確地確定，另一個(gè)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(gè)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?yuàn)W、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(lái)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(jiǎng)。

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(guó)理論物理學(xué)家，量子力學(xué)的主要?jiǎng)?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(jiǎng)。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(shí)間段里與他相遇。

由于索末菲的賞識(shí)，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?yàn)樵谝淮螌W(xué)術(shù)講演會(huì)上對(duì)玻爾關(guān)于塞曼效應(yīng)的解釋發(fā)表了不同的意見(jiàn)，海森伯引起了玻爾的注意，并受邀散步長(zhǎng)談，討論現(xiàn)代原子理論的基本物理學(xué)問(wèn)題和哲學(xué)問(wèn)題—海森伯坦承那次談話是他“真正的科學(xué)生涯的開(kāi)始”。