物理群星
维尔纳·海森堡 肖像

图:德国联邦档案馆 Bundesarchiv, Bild 183-R57262 / CC BY-SA 3.0 DE

维尔纳·海森堡

Werner Heisenberg

1901–1976 · 生于德国维尔茨堡 · 德国

量子力学

在花粉症的孤岛上一夜重写力学的人

诺贝尔物理学奖 1932 创立量子力学,并由此发现氢的同素异形体

「我们观察到的并不是自然本身,而是自然对我们提问方式所呈现的样子。」

—— 《物理学与哲学》(1958)

人生时间线

  1. 1901

    生于德国维尔茨堡,父亲后来成为慕尼黑大学的希腊语教授

  2. 1920

    进入慕尼黑大学,投入索末菲门下学习理论物理

  3. 1922

    在哥廷根「玻尔节」上当众质疑玻尔的计算,被邀去散步长谈,从此结缘

  4. 1925

    因花粉症避居黑尔戈兰岛,一夜之间算出新力学的雏形;随后与玻恩、约尔当合著「三人论文」

  5. 1927

    发表不确定性原理;同年出任莱比锡大学教授,是当时德国最年轻的正教授

  6. 1932

    获诺贝尔物理学奖(1933 年秋才正式揭晓补授)

  7. 1941

    在德占哥本哈根与玻尔进行了那次著名而成谜的会面

  8. 1945

    作为德国铀计划核心成员被盟军拘押于英国农庄厅(Farm Hall)

  9. 1976

    在慕尼黑家中逝世

伟大发现

代表方程

不确定性原理

ΔxΔp/2\Delta x \, \Delta p \geq \hbar/2

把粒子的位置测得越准,它的动量就必然越模糊——这不是仪器不够好,而是自然允许我们知道的极限。

如果说爱因斯坦告诉我们时空不是绝对的,那么海森堡告诉我们:连「知道」本身都有极限。他二十三岁重写了力学,二十五岁给人类的认知划下一道再也擦不掉的边界——而他的一生,也像他的原理一样,位置越清晰的地方,评价就越模糊。

从慕尼黑到哥廷根

海森堡在慕尼黑大学师从索末菲,是那种让老师又爱又头疼的学生:理论直觉惊人,实验课却差点让他博士答辩不及格。1922 年,索末菲带他去哥廷根听玻尔系列讲座,史称「玻尔节」。这个二十岁的学生当众指出玻尔一处计算的问题,玻尔没有恼怒,反而在会后约他去山上散步,一谈三小时。海森堡后来说,他真正的科学生涯是从那次散步开始的。此后他往返于哥廷根的玻恩与哥本哈根的玻尔之间,站在了旧量子论崩塌的最前线。

黑尔戈兰岛的一夜

1925 年初夏,旧量子论已经千疮百孔:玻尔的轨道模型算得出氢原子,却算不动更复杂的东西。恰在此时,海森堡的花粉症严重发作,脸肿得变了形,只好请假去北海上几乎寸草不生的黑尔戈兰岛休养。

在岛上,他做了一个激进的决定:既然没有人见过电子的轨道,那就把「轨道」从理论里彻底扔出去,只留下能观测的东西——光谱线的频率和强度。他把这些量排成数表来运算,却发现一个怪事:这种乘法竟然不满足交换律,A×BA \times B 不等于 B×AB \times A。某天凌晨三点,能量守恒在他的新算法下严丝合缝地成立了。他激动得无法入睡,爬上岛边的岩石等日出。回到哥廷根后,玻恩认出那些数表正是数学家早已研究过的「矩阵」,随即与他和约尔当合写了系统化的「三人论文」——矩阵力学,第一个逻辑自洽的量子力学,就此诞生。

为知道划出边界

1927 年冬春之交,海森堡在哥本哈根玻尔研究所的阁楼里反复琢磨一个问题:既然理论里没有轨道,为什么云室照片里能看到电子的径迹?某个深夜他在公园散步时豁然开朗:问题应该反过来问——理论允许我们知道什么?

他设想用伽马射线显微镜去看电子:波长越短看得越准,但光子越硬,撞击电子就越狠,动量就被搅得越乱。位置与动量的不确定度相乘,永远不小于一个由普朗克常数决定的下限。这不是技术缺陷,而是自然的深层语法。拉普拉斯的决定论之梦——知道现在就能算出未来——从根子上被拆掉了。这条原理与玻尔的互补性一起,构成了后来所谓的「哥本哈根诠释」。

1941 年的哥本哈根

海森堡与玻尔情同父子,而战争把他们隔在了两岸。1941 年秋,海森堡赴德占的哥本哈根,与玻尔进行了一次私下谈话——谈了什么,两人事后的回忆截然相左:海森堡说他试图暗示物理学家可以默契地拖延原子弹;玻尔记得的却是海森堡在为德国的核计划工作,并似乎相信德国会赢。可以确定的只有结果:谈话不欢而散,几十年的情谊出现了无法弥合的裂缝。这团历史迷雾后来被剧作家弗雷恩写成话剧《哥本哈根》,让三种可能的真相在舞台上反复重演。战时海森堡确实是德国铀计划的学术领袖;德国最终远未造出原子弹——是不能、不愿,还是兼而有之,至今仍是科学史上争论最激烈的公案之一。

废墟上的重建

1945 年,海森堡与九名德国核科学家被拘押在英国的农庄厅,隐藏的麦克风录下了他们听到广岛消息时的震惊与混乱。获释回国后,他把后半生投入另一件事:在废墟上重建德国科学。他主持哥廷根(后迁慕尼黑)的马克斯·普朗克物理研究所,参与创建欧洲核子研究中心(CERN),执掌洪堡基金会资助各国青年学者,同时公开反对联邦德国拥有核武器。1976 年他在慕尼黑去世。同事魏茨泽克的评价也许最接近盖棺之论:他首先是一个自发的物理学家,其次才是天才——而那道以他命名的不等式,已经写进了每一本量子力学教科书的第一章。

思想的传承

曾受影响于

深刻影响了

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