海森堡

海森堡 海森堡,量子力学的创立者之一,德国物理学家。

海森堡 - 简介

海森堡,量子力学的创立者之一。德国物理学家。1901年12月5日生于维尔兹堡,1976年2月1日卒于慕尼黑。享年75岁。

海森堡 - 生平

海森堡,德国物理学家、哲学家和社会活动家。他帮助建立了量子力学的现代科学,从中提出了著名的不确定性原理。他对流体力学的湍流理论、原子核理论、铁磁性、宇宙线和基本粒子理论都有重要贡献;第二次世界大战后,他是设在卡尔斯鲁厄的西德第一台核反应堆的规划者。 

在海森堡的哲学著作和方法论著作中可以看到,他深受N.玻尔和A.爱因斯坦的影响。从前者,他导出了科学发明的社会和对话性质的概念;宏观物理学和微观物理学之间的对应原理(实用主义和模型—理论的连续性);经典物理学的永恒性,但不一定有普适性;在微观物理学中,科学观测者的作用是相互的而不是被动的,因而微观物理学的定理有按照上下文而定的特点。从爱因斯坦那里,他导出自然界的中心规律的准则一定是简单的这一概念;科学的唯实论(即科学描写自然本身,而不仅是自然怎样可以被利用);还有理论应载满科学的各种观测。他也是玻尔的互补性哲学的合著者。在后期工作中,他构想自然界的中心规律包含一组普适的对称素,这些对称素对于各种不同的微粒物质系统而言,可以用一个数学方程来表达。作为社会活动家,在第二次世界大战后,他积极促进和平利用核能。1957年,他带领其他德国科学家反对用核武器武装西德军队。1954年,他曾是日内瓦欧洲核研究委员会(CERN,以后改称欧洲核研究组织)的组织者之一。 

海森堡早年在慕尼黑大学A.索末菲指导下攻读物理学。他和他的同班同学 W.泡利是终身好友,也是合作者。他在1923年完成了关于流体流动中的湍流的博士论文。其后,海森堡跟着泡利到了格丁根大学,在M.玻恩指导下进行研究工作。1924年秋,他到了哥本哈根的理论物理研究所,在玻尔指导下工作。 

海森堡对于原子的玻尔行星式模型很感兴趣,他对于这一模型的局限性的理解,促使他为建立一个新模型而寻找理论基础。玻尔的概念,在1913年以后被认为是旧量子论的核心部分,这一概念认定各电子在确定的绕核轨道上作经典的运动,并把量子的约束视为外加的;用此模型后,可使计算所得结果符合实验数据。作为已有实验的总结,和作为刺激进一步研究而言,玻尔的原子模型是很成功的,而且得到了高度评价,但新的研究结果越来越难以和这一简单模型计算所得相符。 

1925年6月,海森堡由于害了花粉热病而在北海的黑尔戈兰岛休养。他在岛上解决了一个重要的物理问题,即如何求解非谐振荡器的稳定(离散)能态。由于这一问题和简单行星型原子问题相类似,所以,他所用的解法必然可以用来指导发展原子系统的量子力学(量子力学是处理有离散能态——如原子光谱所显示的离散能态——和其他形式的量子化能量,以及原子系统所显示的稳定现象的科学)。海森堡的这些结果是在几个月后以《量子论关于动力学和力学关系的新解释》为题发表在《物理学时报》上的。在这篇论文中他提出了对力学基础概念的一种最新解释的建议。 

海森堡处理这一问题的观点和玻尔处理同一问题的观点相差很大,甚至与玻尔观点和19世纪信条的差别基本相仿。在原子中,粒子与粒子运动的路线都是测不出来的,海森堡情愿放弃这种离散的粒子在预定的路线上运动的思想,改用直接处理实验事实的理论,使量子条件不再是事先特设的约定,而是理论的结论。物理变量应该用一组数字来表示;在爱因斯坦关于相对论(1905)的论文影响下,他使这些变量不再代表隐藏、不可接近的结构,而代表可以观测(或可以测定)的量。玻恩看到这组数字服从矩阵代数的运算规律,玻恩、P.约旦和海森堡就把这一新理论用矩阵分析这一数学分支来表达,而新量子论就变成了矩阵力学。量子论的每一个矩阵 (一般是无限维度)是一个物理变量的一组可能的特定值,矩阵的每一项都能导出有关能态的发生概率和有关能态间的跃迁概率。海森堡利用了新的矩阵力学来解释氦原子的二重性光谱(亦即把两种形式的光谱叠加起来,其中一种光谱的两个电子的自旋平行,而另一种则是反平行的)。用这种方法,氢分子的光谱也应有类似的双重性。他和其他人在一起研究了不少原子光谱和分子光谱、铁磁现象和电磁性态。新量子论还有各种不同的重要形式,它们分别是由E.薛定谔在1926年提出的波动力学和P.A.M.狄拉克提出的变换论。 

1927年,海森堡发表了不确定性原理。他在论文上发表的不确定性原理的形式,是为了说明矩阵力学如何能用经典力学大家直觉所能知道的概念来解释。如果g为电子在某一特定状态中的位置坐标,而"则为其动量,假定g和P可以在许多电子上独立测定,则海森堡证明:式中4Q为Q的测定的标准偏差,p为p的测定的标准偏差,而h为普朗克常量(等于 6.626176x10—21尔格·秒)。不确定性原理是量子物理学的特性;这些原理说明,对任何一对不能对易的(即共轭的)变量而言,这是一个强加的和必须服从的理论限制条件。例如,分别代表位置和动量的两个矩阵就是这样一对共轭变量;在这种情况下,一种量的测量精度一定影响另一种量的测量精度。所有科学家都认识到不确定性原理的巨大意义;但怎样从物理学上理解它还无定论:它是不是为了使用直觉的经典的(或互补的)图像来解释量子系统而产生的?它是不是另外一种新的量子统计学的原理?从某种意义上讲,它是不是还通过所选用数学模型的一些特殊性质,来描写某些个别量子系统的特性?这些到现在还是争论不休的问题。玻尔认为,这一原理是用来说明一个量子系统的互补图像的,这些量子系统在经典的直觉空间内可以是一个粒子,也可以是一个波包;海森堡原来是用这原理说明量子系统的非直觉性质的,这种量子系统当然有别于经典系统。 

玻尔和海森堡曾详尽描述了一种并协性哲学,一方面使用新的各种物理变量,一方面提出测量那些新变量的合适方法。这种物理学中新的测量方法的概念,重视科学家的主动作用,在科学家进行测量时,他一定干扰了被测的对象,于是测得的结果不仅反映了对象本身,而且一定也反映了测量的作用。许多物理学家,包括爱因斯坦、薛定谔、L.德布罗意等,都拒绝接受并协性哲学。 

从1927到1941年,海森堡任莱比锡大学教授。此后4年,他任柏林的威廉皇家物理研究所所长。虽然他并没有公开反对纳粹统治,但他对于纳粹政治并无好感。在第二次世界大战中,他和核裂变发明者之一的O.哈恩一起工作,发展了核反应堆。他没有制定发展核武器的有效计划,可能是由于缺乏技术资源,也可能由于不想这样做。战后,他组织了格丁根的马克斯·普朗克物理和天文物理研究所,自任所长,并于1958年把研究所移到慕尼黑。从1954年起,他也是欧洲核研究组织的德国代表。 

在战后期间,海森堡开始致力于研究一个基本旋量方程(用一些旋量表示一个非线性微分方程,这些旋量是复矢量似的量,可用来表示物质一切微粒状态)。他直觉地假定这样一个方程式可以表达自然界中全体的“对称”的基本集。(“对称”是一种数学式,在正则时空群和其他代表元素的变换中保持不变)。它可以用来解释在高能碰撞中发生的各种基本粒子。在这一工作中,他在H.-P.迪尔和C.F.冯·魏茨泽克的合作和支持下,发现旋量有“柏拉图”式的特性。 

虽然他早期曾间接受到E.马赫的影响,但他在关于量子力学的哲学著作中,极力反对维也纳科学学派所发展的逻辑实证论。按照海森堡的意见,主动观测到的并不反映绝对的数据,而是载满了理论的数据;亦即,它们是相对于理论的,而且和观测的情况有上下文的关系。他认为经典力学和电磁学是联系着时空中物体的客观运动,是永远有效的,但它们不能用来处理量子力学系统;他也认为因果律一般说来不能用以处理单个的量子力学系统,但可用以处理数学表示,因为微粒子的行为只能按照概率的基础来处理。 

海森堡在1937年和伊丽莎白·舒马赫尔结婚,他们有七个孩子。他除了物理外还喜欢音乐,而且在两种嗜好之间有很好的融合。他也写一些哲学论文,相信在哲学的老问题如部分与整体以及单一和许多之间输入新的观点,可以有助于微观物理学的发现。海森堡被广泛公认为20世纪的创新思想家之一。海森堡在1932年获得了诺贝尔物理学奖,也曾获得马克斯·普朗克奖章、马泰乌奇奖章,以及哥伦比亚大学的巴纳德学院奖章。 

海森堡 - 拒绝追随希特勒受尽屈辱

1933年11月3日,在德国物理学会全体会议上,海森堡从普朗克手中,接过了马科斯·普朗克奖章。这是德国物理学家在国内所能获得的最高荣誉。 

6天之后,他又收到瑞典皇家科学院的电报——诺贝尔评奖委员会决定将推迟一年公布的1932年诺贝尔物理学奖,授予海森堡,以表彰他“创立了量子力学”。 

获奖的消息令德国人激动不已,但他们随即被泼了一盆冷水。31岁的诺奖得主通知物理学家斯塔克,他不会参加11月11日在莱比锡举办的群众大会。  

这次大会由国家社会主义教师同盟主办,支持德国退出国际联盟,被视为“德国学术界的示威”。追随希特勒的1919年诺贝尔物理学奖得主斯塔克是组织者,著名哲学家海德格尔等人都将参加大会。 

此刻,他们都无法掩盖海森堡的光芒。海森堡的缺席,不仅造成一次混乱,还在大学生中引发了热议。 

斯塔克指责海森堡,拒绝参加“教授们对阿道夫·希特勒的致谢”。这是个非同小可的罪名。因为新上台的大学领导在第一学年便宣称:“新德国中的大学是政治性的,是培养政治人才的大学机关,培养出来的人将用他们的知识和能力为国家服务。”不少教授和学生已经携手成为“希特勒统治下的同志”。 

海森堡暂时还不在“同志”之列,虽然他和许多“同志”有同样的经历。他需要向国家机关上交父母出生证和结婚证,以确定种族根源。他出国旅行,开始需要政府批准。他还需要在效忠誓词上签名,宣称为领袖和祖国不惜牺牲生命。 

在莱比锡大学,有青年人警告海森堡,要去扰乱他的课堂。但也有人在夜晚,为这位诺贝尔奖得主举行火炬游行,他们按照冲锋队的队形一排接一排地向海森堡的住宅前进。 

在敬意和敌意的交锋中,海森堡带着母亲悄悄去了斯德哥尔摩,从瑞典国王手中领取了诺贝尔奖。在那里,他见到了以前曾一起工作过的狄拉克和薛定谔,他们是来共同领取1933年诺贝尔物理学奖。 

“关于诺贝尔奖,我觉得很对不起薛定谔、狄拉克和玻恩。”在给老师玻尔的信中,海森堡写道。在他看来,自己的奖应该和玻恩分享,而薛定谔和狄拉克不应该分享一个奖,“他们都配得上得一个完整的奖”。 

海森堡的想法,对刚刚逃离德国的薛定谔等犹太科学家来说,更像是一种奢望。他们能从希特勒的清洗政策中逃亡,已属万幸。在这种环境中,留守德国的海森堡也无法置身事外。他不仅要应对学界同行的论争,还要应付一些人的政治攻讦,这差不多耗费了他同等的精力。尽管如此,他依然试图“在新德国中保持一种头等的、不受政治污染的物理学”。 

可惜这个目标终成空想。1934年8月,总统兴登堡去世,希特勒自封国家领袖。斯塔克向德国的诺贝尔奖得主发电报,邀请他们参加一份支持希特勒的公开宣言。海森堡和普朗克等物理学家拒绝了,理由是“科学和政治不应该混合”。 

但政治很快渗透到科学中。在讲授物理时,海森堡在指名道姓地提到爱因斯坦等犹太物理学家时,必须同时提到纳粹物理学家的名字。 

他不久发现这样也行不通。一个纳粹官员直接向组织建议,“集中营无疑是对海森堡先生合适的地方”。考虑到海森堡的国际声誉,组织最终只是给他发来了一个申斥文件。 

更恶毒的攻击发生在1937年。纳粹分子声称,海森堡为了掩盖自己是同性恋才在半年前匆忙结婚。根据当时的法律,男同性恋被视为犯罪,一旦被判定有罪,将立即送进集中营。 

这些指控和调查,让海森堡受尽屈辱。甚至在近40年后,幻觉中纳粹皮靴的声音,常常将这个即将去世的老人从沉睡中惊醒,然后浑身冒冷汗。 

虽然在祖国的遭遇痛苦不堪,海森堡依然拒绝了诸多邀请。1939年夏天,海森堡到美国讲学时,物理学家费米和高德斯密特问他“你为什么不到这里来?” 

“不,我不能,因为德国需要我。”海森堡回答说。当纳粹政权提出“科学要为战争服务”,要求海森堡负责研制核武器时,他并没有拒绝。他告诉同事,也“可以用战争为科学服务”。这段如今已很难说清楚的历史,也让海森堡饱受争议。 

德国战败后,海森堡被捕。负责审讯的高德斯密特问他,“你现在愿不愿意到美国和我们一起工作?” 

海森堡给出了同样的回答。在他看来,这不是政治原因,也不仅仅是爱国。同为量子力学奠基人的玻恩在流亡英国后,海森堡给他写信说,自己之所以拒绝国外那么多诱人的邀请,是因为“我们是为世人托付给我们的科学而活着”。 

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