沃納·海森堡

沃納·卡爾·海森， 沃納·卡爾·海森堡（德文原名：Werner Karl Heisenberg，1901年12月5日—1976年2月1日），德國著名物理學家，量子力學的主要創始人，哥本哈根學派的代表人物，1932年諾貝爾物理學獎獲得者 。量子力學是整個科學史上最重要的成就之一，他的《量子論的物理學基礎》是量子力學領域的一部經典著作。鑑於他的重要影響，在美國學者麥克·哈特所著的《影響人類歷史進程的100名人排行榜》，海森堡名列第43位。

沃納·卡爾·海森
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原文名	Werner Karl Heisenberg
出生	(1901-12-05) 1901年12月5日 德國維爾茨堡
逝世	1976年2月1日(1976-02-01)（74歲）
國籍	德國
別名	沃納·卡爾·海森伯格
職業	學者、物理學家 畢業院校慕尼黑大學（學士），哥廷根大學（碩士，博士） 主要成就不確定性原理、矩陣力學

目錄

人物生平

海森堡是繼愛因斯坦之後最有作為的科學家之一。與愛因斯坦受普朗克的量子理論的啟發而提出了光量子假設一樣，海森堡也是得益於愛因斯坦的相對論的思路而於1925年創立起了矩陣力學，並提出不確定性原理及矩陣理論。 [3] 量子力學是人們研究微觀世界必不可少的有力工具。由於對量子理論的新貢獻，他於1932年獲得了諾貝爾物理學獎。海森堡還完成了核反應堆理論。由於他取得的上述巨大成就，使他成了20世紀最重要的理論物理和原子物理學家。公元1901～公元1976，德國物理學家維爾納·卡爾·海森堡由於在取得整個科學史上的最重要的成就之一——量子力學的創立中所起的作用，於1932年獲得諾貝爾物理獎。 力學是研究物體運動普遍規律的物理學分支。它是物理學的最基本分支，又是最基礎學科。在20世紀初的年月里，人們逐漸認識到公認的力學定律不能描寫極其微小物體如原子和亞原子粒子的行為；他們對此感到迷惑不解，忐忑不安，因為公認的定律應用於宏觀物體（即比個體原子大得多的物體）時是白璧無瑕，完美無缺的。 第二次世界大戰開始後，迫於納粹德國的威脅，丹麥的大物理學家玻爾離開了心愛的哥本哈根理論物理研究所，離開了朝夕相處的來自世界各地的同事，遠赴美國。德國的許多科學家也紛紛背井離鄉，堅決不與納粹勢力妥協。然而，有一位同樣優秀的物理學家卻留下來了，並被納粹德國委以重任，負責領導研製原子彈的技術工作，遠在異鄉的玻爾憤怒了，他與這位過去的同事產生了尖銳的矛盾，並與他形成了終生未能化解的隔閡。有趣的是，這位一直未能被玻爾諒解的科學家卻在1970年獲得了「玻爾國際獎章」，而這一獎章是用以表彰「在原子能和平利用方面做出了巨大貢獻的科學家或工程師」的。歷史在此開了個巨大的玩笑，這玩笑的主人公就像他發現的「不確定性原理」一樣，一直讓人感到困惑和不解。他就是量子力學的創始人——海森堡。 1976年2月1日逝世，享年75歲。

成長之路

20世紀初，以愛因斯坦的相對論和玻爾的原子模型為基礎而形成的理論物理學吸引着年輕的研究者們。丹麥的理論物理研究所成了年輕的物理學家嚮往的地方；在慕尼黑，玻爾的早期學說被人們廣泛接受，玻爾研究所工作的基礎正是玻爾一索末菲原子模型。1924年7月，海森堡的關於反常塞曼效應的論文通過審核，從而使他晉身為講師，獲得德國大學的任意級別中講學的資格。而波爾--他對這位出色的年輕人顯然有着明顯的好感--也來信告訴海森堡，他已經獲得了由洛克菲勒（Rockerfeller）財團資助的國際教育基金會（IEB）的獎金，為數1000美元，從而讓他有機會遠赴哥本哈根，與波爾和他的同事共同工作一年。當時，雲集在玻爾研究所的來自世界各國的理論物理學家，正試圖用這種模型來探索光譜線及其在電場和磁場的分裂，以便創立沒有邏輯矛盾的原子過程理論，同時，玻爾本人認為，只有堅決背離傳統的觀點，問題才能獲得進展。但究竟從何入手的問題卻一直困擾着他。這是一個棘手的問題，因為它事關從傳統的經典力學向一種更合乎自然的科學過渡。新事物的產生總要衝破重重阻礙，該怎麼辦呢?整個研究所陷入了沉思和不斷的實驗之中。1925年，當所有的努力都顯得徒勞無益時，人們似乎覺得物理學已經走進了一條死胡同。 然而，海森堡的思想讓玻爾長期的困惑迎刃而解。海森堡在大學時就對各種原子模型持懷疑態度。他感到玻爾的理論不可能在實驗中得到理想的證實。因為玻爾的理論建立在一些不可直接觀察或不可測量的量上，如電子運動的速度和軌跡等。海森堡認為，在實驗中，我們不能期望找到像電子在原子中的位置，電子的速度和軌跡等一些根本無法觀察到的原子特徵，而應該只探索那些可以通過實驗來確定的數值，如固定狀態的原子的能量、原子輻射的頻率和強度等。因此，在計算某個數值時，只需要利用原則上可以觀察到的數值之間的相互比值，即只有依靠數學抽象才能解決問題。因此，海森堡首先從玻爾的對應原理出發，從中找到充分的數學根據，使這一原理由經驗原則變為研究原子內部過程的一種科學方法。 海森堡沒有就此止步不前。1925年6月，他又解決了物理學上的另一個重要問題——如何解釋一個非簡諧原子的穩定能態，從而奠定了量子力學發展的綱領。幾個月後，他在物理學雜誌上發表了題為《關於運動學和力學關係的量子論新釋》的論文，將一類新的數學量引入了物理學領域，從而創立了量子理論。海森堡的理論基礎是可以觀察的事物或可以測量到的量。他認為，我們不是總能準確地確定某一時間電子在空間上的位置，也不可能在它的軌道上跟蹤它，因而玻爾假定的行星軌道是不是真的存在還不能確定。因此，像位置．速度等力學量，需要用線性代數中的「矩陣」這種抽象的數學體系來表示，而不應該用一般的數來表示。作為一種數學體系，矩陣是指複數在矩形中排列成的行列，每個數字在矩形中的位置由兩個指標來表示，一個相當於數學位置上的行，另一個相當於數學位置上的列的理論。「矩陣」被提出後，玻恩很快注意到了這個問題的重要性，他與約爾丹共同合作對矩陣力學原理進行了進一步的研究。1925年9月，他倆一起發表了《論量子力學》一文，將海森堡的思想發展成為量子力學的一種系統理論。11月，海森堡在與玻恩和約爾丹協作下，發表《關於運動學和力學關係的量子淪的重新解釋》的論文，創立了量子力學中的一種形式體系——矩陣力學。從此，人們找到了原子微觀結構的自然規律。愛因斯坦評價道：「海森堡下了一個巨大的量子蛋。」 海森堡的矩陣力學所採用的方法是一種代數方法，它從所觀測到的光譜線的分立性入手，強調不連續性。幾個月後的1926年初，奧地利物理學家薛定諤採用解微分方程的方法，從推廣經典理論人手，強調連續性，從而創立了量子力學的第二種理論——波動力學。由於兩個理論的創始人都只對自己的理淪深信不疑，而較少領會對方的思想，因而一場爭論就不可避免了，他們都對對方的理論提出了批評。後來，薛定諤在認真研究了海森堡的矩陣力學之後，與諾依曼一起證明了波動力學和矩陣力學在數學上的等價性。這兩種理論的成功結合，大大豐富和拓展了量子理論體系。這樣，解決原子物理任務的方法在1926年就正式創立起來了。 後來，在解釋氫分子光譜中強弱譜線交替出現的現象時，海森堡運用矩陣力學將氫分子分成兩種形式：正氫和伸氫，即發現了同素異形氫。這可是個了不起的發現。1933年，為了表彰他創立的量子力學，尤其是運用量子力學理論發現了同素異形氫，瑞典皇家科學院給他頒發了諾貝爾物理學獎。幸運之神降落到了年輕的海森堡身上。

人物履歷

維爾納·卡爾·海森堡(Wener Karl Heisenberg)是德國著名的理論物理學家、哲學家，量子力學的創始人之一。1901年12月5日，他出生於德國的維爾茨堡。他的父親A．海森堡博士是名噪一時的語言學家和東羅馬史學家，曾經在慕尼黑大學擔任中世紀和現代希臘語教授。受其影響，年幼的海森堡學到了一定的語言知識，其父對此引以為豪。 1920年以前，海森堡在著名的慕尼黑麥克西米學校讀書。麥克西米學校培養了不少未來的科學家，如量子思想的創始人普朗克40年前就在此求學。中學時，海森堡迷上了數學，並且很快掌握了微分學和積分學。那時的他，一直憧憬着在未來成為一名數學家。可是，後來的大學生涯卻改變了這個年輕人的命運。 1920年中學畢業後，海森堡考入慕尼黑大學，在索末菲、維恩等指導下攻讀物理學。後來，他又前往哥廷根大學，在玻恩和希爾伯特的指導下學習物理。1923年，海森堡寫出了題為《關於流體流動的穩定和湍流》這篇流體力學的博士論文，詳細研究了非線性理論的近似性，年終取得了慕尼黑大學的哲學博士學位。 1923年10月回到哥廷根，由馬克思· 玻恩私人出資聘請為助教。 1924年6月7日在哥廷根第一次遇見愛因斯坦。 1924年至1927年間，他得到洛克菲勒基金會的贊助，來到哥本哈根的理論物理研究所與玻爾一起工作。從此，海森堡置身於長期激烈的學術爭鳴的氛圍中，開始卓有成效的學術研究工作。 1933年12月11日獲得1932年度的諾貝爾物理學獎。 1934年6月21日提出正子理論。

主要成就

量子力學

1925年，維爾納·海森堡提出了一個新的物理學說，一個在基本概念上與經典牛頓學說有着根本不同的學說。這個新學說──在海森堡的繼承人做了某些修正後──取得了光輝的成果，今天被公認為可以應用於所有的物理體系，而不管其類型如何或規模大小。 用數學能演證出：在只涉及宏觀體系的情況下，量子力學的預測不同於經典力學的預測，不過由於兩者在量上差別太小而無法度量出來（由於這種原因，經典力學──在數學上比量子力學簡單得多──仍可用於大多數的科學運算）。但是在涉及原子量綱體系的情況下，量子力學的預測與經典力學的預測迥然各異；實驗表明在這樣的情況下，量子力學的預測是正確的。 海森堡學說所得出的成果之一是著名的「不確定性原理」。這條原理由他在1927親自提出，被一般認為是科學中所有道理最深奧、意義最深遠的原理之一。測不準原理所起的作用就在於它說明了我們的科學度量的能力在理論上存在的某些局限性，具有巨大的意義。如果一個科學家用物理學基本定律甚至在最理想的情況下也不能獲得有關他正在研究的體系的準確知識，那麼就顯然表明該體系的將來行為是不能完全預測出來的。根據測不準原理，不管對測量儀器做出何種改進都不可能會使我們克服這個困難！ 不確定性原理表明從本質上來講物理學不能做出超越統計學範圍的預測（例如，一位研究放射的科學家可能會預測出在三兆個原子中將會有兩百萬個在翌日放射Υ射線，但是他卻無法預測出任何一個具體的鐳原子將會是如此）。在許多實際情況中，這並不構成一種嚴重的限制。在牽涉到巨大數目的情況下，統計方法經常可以為行動提供十分可靠的依據；但是在牽涉到小數目的情況下，統計預測就確實靠不住了。事實上在微觀體系里，測不準原理迫使我們不得不拋棄我們的嚴格的物質因果觀念。這就表明了科學基本觀發生了非常深刻的變化；的確是非常深刻的變化以致於象愛因斯坦這樣的一位偉大的科學家都不願意接受。愛因斯坦曾經說過：「我不相信上帝在和宇宙投骰子。」然而這卻基本上是大多數現代物理學家感到必須得採納的觀點。 顯而易見，從某種理論觀點來看，量子學說改變了我們對物質世界的基本觀念，其改變的程度也許甚至比相對論還要大。然而量子學說帶來的結果並不僅僅是人生觀的變化。 在量子學說的實際應用的行列之中，有諸如電子顯微鏡、激光器和半導體等現代儀器。它在核物理學和原子能領域裡也有着許許多多的應用；它構成了我們的光譜學知識的基礎，廣泛地用於天文學和化學領域；它還用於對各種不同論題的理論研究，諸如液態氦的特性、星體的內部構造、鐵磁性和放射性等等。 維爾納·海森堡於1901年出生在德國，1923年在慕尼黑大學獲得理論物理學博士學位。從1924年到1927年他在哥本哈根與偉大的丹麥物理學家尼爾斯·玻爾共事。他的關於量子力學的第一篇重要論文發表於1925年，他對測不準原理論述的結果於1927年問世。海森堡1976年溘然長逝，享年七十四歲，他留下了妻子和七個兒女。 就量子力學的重要性而論，讀者可能要問為什麼不把海森堡的名次在本冊中排得更加高些。然而海森堡並不是量子力學創立中的唯一重要的科學家，為此做出了有深遠意義貢獻的有他的前輩馬克斯·普朗克、阿爾伯特·愛因斯坦、尼爾斯·玻爾和法國科學家路易·德布羅意。此外，在海森堡的那篇具有獨創性的論文發表不久以後的年月里，許多其他科學家其中包括奧地利人歐文·施羅丁格和英國人P·A·M狄拉克都對量子學說做出了重要的貢獻。但是我認為海森堡是量子力學創立中的主要人物，即使按勞分功，他的貢獻也理應使他在本冊中名列高位。 學術貢獻

1927年至1941年期間，海森堡在萊比錫大學擔任理論物理學教授。 在學術上，海森堡不僅開拓了量子力學的發展道路，而且為物理學的其他分支(如量子電動力學、渦動力學、宇宙輻射性物理和鐵磁性理論等)都做出了傑出的貢獻。除此以外，他還是一個傑出的哲學家。 1927年，海森堡發表了《量子理論運動學和力學的直觀內容》一文，提出了深具影響力的「測不準原則」，奠定了從物理學上解釋量子力學的基礎。他認為，當我們的工作從宏觀領域進入微觀領域時，我們的宏觀儀器(觀測工具)必然會對微觀粒子(研究對象)產生干擾。平時．人們只能用反映宏觀世界的經典概念來描述宏觀儀器所測量到的結果，這樣，所測量到的結果就同粒子的原來狀態不完全相同。根據這個原理，海森堡宣稱，人們不可能同時準確地確定一個物理的位置和速度，其中一個量測定得越準確，則另一個量就越不準確。因此，在確定運動粒子的位置和速度時一定存在一些誤差。這些誤差對於普通人來說是微不足道的，但在原子研究中卻不容忽視。「測不準原則」原則上可以影響到物理學上或大或小的各種現象，但它的重要性在物理學上的微觀領域表現得更加明顯。通常，在實踐中，如果研究中涉及的數量很大，那麼統計的方法就為研究活動提供可靠的保障；然而如果涉及的數量很小時，那麼測不準原理會讓我們改變原有的物理因果關係的觀點，並且接受測不準原理。 在測不準原理髮現之前，很多人認為，如果能預先測量到自然界中每個粒子在任何時刻運動的位置和速度，那麼對於整個宇宙的歷史，無論是過去，還是將來，原則上來說都是可以計算出來的。然而，測不準原理卻否定了這種情況存在的可能性。因為事實上，人們並不能在同一時刻準確地測量到粒子運動的位置和速度。測不準原理在一定程度上說明了科學測量存在的局限性，它說明物理學上的基本定律有時也不能讓科學家在理想的狀況下正確認識研究體系，因而無法完全預測這一體系將要發生的變化。這一原理的提出具有巨大而深遠的意義，它是對科學上的基本哲學觀——決定論思想的一次重大革新：它告訴人們，測量儀器的不斷改進，也不可能克服實際存在的誤差。因而，在實踐中，這一原理被越來越多的科學家所接受。 在海森堡的一生中，他還撰寫了一系列物理學和哲學方面的著作，如《原子核科學的哲學問題》、《物理學與哲學》，《自然規律與物質結構》、《部分與全部》、《原子物理學的發展和社會》等等，為現代物理學和哲學做出了不可磨滅的貢獻。

人物評價

除了獲得馬克斯·普朗克獎章、德國聯邦十字勳章等獎章，諾貝爾物理學獎等獎項外，海森堡還被布魯塞爾大學、卡爾斯魯厄大學和布達佩斯大學授予榮譽博士頭銜。他是倫敦皇家學會的會員、以及哥廷根、巴伐利亞、薩克森、普魯士、瑞典、羅馬尼亞、挪威、西班牙、荷蘭、羅馬、美國等眾多科學學會的成員，德國科學院和意大利科學院的院士。1953年成為洪堡基金會的主席，歐洲核研究委員會德國代表團團長，日內瓦和平利用原子能會議上西德的代表。