海森堡

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，1925年創立量子力學，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。

吾愛吾師，更愛真理

海森堡對量子力學的建立作出過重大貢獻，三十一歲就獲得了諾貝爾獎。他在青年時代非常崇拜愛因斯坦，曾奉為自己的學術思想導師。玻爾等人提出量子力學的統計解釋以後，愛因斯坦竭力反對，海森堡不顧愛因斯坦的反對，毅然加入了以玻爾為首的「哥本哈根學派」，竭力宣揚統計解釋，他提出的「測不準原理」進一步揭示了量子力學的統計性質，終於成為物理學界所公認的量子力學正統。這種「吾愛吾師，更愛真理」的精神，充分表現了海森堡纔識過人，在學術上很有主見。

為希特勒製造原子彈的苦衷

海森堡厭惡納粹，並不認同希特勒。但他自認為非常愛國，希望德國強大。德國當時持這種心態者不僅是海森堡，還有在他周圍的一群非猶太裔知識分子精英，都自以為是民族主義者和愛國主義者而感到自豪。第二次世界大戰初期，德軍以閃電戰橫掃歐洲大陸，所向披靡。海森堡他們為前線傳來的捷報而歡欣鼓舞，過分樂觀地以為最後勝利在望。這些德國的精英們是為了「真正的德國」–––德意志文化而希望德國勝利，但這並不意味著他們希望希特勒的納粹統治勝利。他們天真地設想：德國取得勝利後，就可以將那些「納粹惡棍」趕下臺。後來當德國的侵略軍遭到歐洲各國人民的抵抗，戰局逆轉時，這些德國的精英分子就開始行動，於1944年在幕後籌劃了一次未成功的對希特勒的行刺。他們的目的是希望使世界知道在「希特勒的德國」之外還存在「另一個德國」。就是在這種「民族主義」和「愛國主義」情結的驅使下，海森堡早在1936年就志願加入了德國的山地步兵部隊，成為一名後備役下士，並差一點應征去進攻捷克。了解到這些歷史背景，後來他為希特勒製造原子彈效勞，就不那麼太費解了。

其實海森堡為希特勒效勞並非完全出於自願，也有身不由己的苦衷。早在戰前，希特勒就開始迫害猶太人，導致大批猶太裔科學家逃亡，其中不乏與海森堡交好的朋友、同事和學生。1937年納粹的反猶太運動持續升溫，矛頭竟指向非猶太裔的海森堡，胡說海森堡從事研究和講授的量子力學和相對論等理論物理學是什麼「猶太物理學」！而海森堡本人則被誣為「白色猶太人」和「愛因斯坦精神在新德國的代理人」。納粹發行的刊物曾暗示海森堡是叛徒，集中營是他應該去的地方。納粹特務機關「蓋世太保」對他進行了長達一年的審查，經過特務頭子希姆萊的親自過問，海森堡雖然被宣告無罪，但對他心靈的傷害已經造成。

從此海森堡為了撇清自己，處處向官方表現「積極」。例如，除了1941年9月去哥本哈根會見玻爾的那次著名的訪問以外，在1941年至1944年間，海森堡對被德軍占領的歐洲各國至少進行過十次類似的訪問。他積極參加各種官方的活動，並被任命為原子彈計劃的負責人。對此海森堡為自己辯解道：「官方的口號是利用物理學為戰爭服務，我們的口號是利用戰爭為物理學服務。」他曾對另一位德國物理學家貝特說：「我的真正目的是藉此為德國保存一批優秀的青年物理學家，使他們免於被徵召上前線，為戰後德國物理學復興作準備。」這是他的真心話還是粉飾之詞？現在已是死無對證了。

老天讓他在原子彈手裡拯救了全世界

海森堡除了在量子理論領域有很突出的成就之外，在和反應堆理論上也有很高深的造詣。德國人在核反應的研究上向來就有優秀的傳統。德國人奧托哈恩（世界上最出色的放射化學家，獲諾貝爾化學獎，也是德國鈾俱樂部的一員）發現了鈾的裂變。之後，又是兩個德國人Paul Harteck和Georg Joos，意識到了這種能量在軍事上的價值，分別上書德國軍事部和教育部，指出這種核爆炸物的價值。經過大量德國人之間的討論，德國的原子彈研發機構「鈾俱樂部」正式成立了，而時間才剛剛走到1939年。也就在這一年，偉大的海森堡也受邀加入了鈾俱樂部，在他的天才和學界威望的指導下，這個計畫初期執行的異常順利。

在德國人的核計畫已經萬事俱備的時候，如果能在1942年，哪怕1944年以前製造出原子彈，那麼對二戰有什麼影響就不用多說了，起碼倫敦和莫斯科肯定會淪陷。如果德國和美國都成功研製出原子彈，恐怕當時就世界末日了。但是，德國人在原子彈製造計畫開始的三年後，停止了這個計畫，直到戰爭快結束才匆匆重啟，卻為時已晚。究竟是什麼原因讓瘋狂的納粹停止了原子彈研發的計畫呢？原因是這樣的：海森堡無意中犯了一個致命的錯誤，他將臨界質量算錯了整整三個數量。為了維持鏈式反應，裂變材料需要一個最小的品質，這個品質就是臨界值量。簡單地說，海森堡認為至少需要以噸來計算的鈾235，而事實上，幾十公斤就已經足夠了。

在當年的條件下，分離出如此多的鈾235是不可能完成的工作，海森堡充分相信德國和競爭對手們都無法得到如此多的原材料，並將這一結果告知了軍部。因為海森堡的巨大聲望和在鈾俱樂部中的領導地位，德國隨後基本放棄了製造原子彈的計畫。後來有些戲劇家把這個故事改編成了話劇《哥本哈根》。在這個話劇中，海森堡變成了一位死都要阻止納粹陰謀的偉大領袖。於是，對待海森堡問題，世人有著兩種截然相反的觀點。 不過有這些爭議也是很正常的。在德國投降之後，海森堡曾發表過一個聲明，大概意思是，我們偉大的德意志在技術上其實一直領先（至少是不落後）於盟軍。最重要的原因是我們偉大的德意志科學家愛好和平、道德高尚、多年經受八榮八恥的薰陶、為了全人類的全面協調可持續發展，有意放水，放棄了這個計畫。盟軍們不用太感謝我。不過，後來的一些史料卻告訴我們，海森堡真的是「無意中」拯救了世界。

戰後德國參與鈾俱樂部的科學家被轉移到了英國的一座莊園內，而機智的英國秘密安全局對他們的談話進行了全天候的竊聽並將內容記錄在案，這些記錄在上個世紀90年代被公開。記錄中德國科學家在得知廣島原子彈爆炸後震驚的對話，和他們對臨界質量的推算過程統統被記錄了下來。海森堡剛開始甚至以為這是個假消息，可見他有多麼確信自己的判斷。

不過無論如何，因為這位帥氣的科學家，我們的地球才沒有被原子彈毀滅。

量子力學

量子力學的基礎早由普朗克提出（1918年諾貝爾物理獎），愛因斯坦後來用以解釋光電效應（1921年諾貝爾物理獎）；這表明光波帶有粒子特性。波耳提出了原子能階模型（1922年諾貝爾物理獎），德布羅意也提出了粒子波假說去解釋波耳的原子模型（1929年諾貝爾物理獎）；這表明粒子帶有波動特性。

基於以上「波粒二象性（wave-particle duality）」，上世紀初科學家們迎來了一場修改經典力學的物理革命。物理學家渴望尋找新的基本方程去計算量子世界發生的現象，這追尋終被兩位物理學家所解決。其中一位是埃爾溫．薛丁格（Erwin Schrödinger），我們將在下一章介紹他的理論；另一位就是海森堡。

量子力學與經典力學不同，並不描述物件的位置和速度。量子力學之中，物件位置並不能夠被肯定。相反，在量子力學方程之中，每個位置都被賦予機率，這個機率會隨時間而改變。因此，一個物件或物理系統的演化只能夠以求計算這個機率來描述。

海森堡和薛丁格各自發展出計算這個機率演化的方程。薛丁格利用比較「直觀」的波動方式去計算，而海森堡則利用數學概念「矩陣（matrix）」去計算，因此他們兩者也被稱為「波動力學（wave mechanics）」和「矩陣力學（matrix mechanics）」。後來，物理學家和數學家們都證明，這兩種方程都是等價的，只不過表達方式不同而且。某些情況下，利用波動方程去計算會比較方便，而另一些情況下則可能用矩陣去計算會比較簡單。

海森堡對量子力學最著名的貢獻，莫過於發現『測不準原理』（uncertainty principle）。測不準原理充分表現出量子世界的奇異特性：如果我們精確測量一個粒子的位置，我們就不可能精確測量它的動量；反之亦然。數學上，測不準原理說∆x∆p≥h/4π，其中∆x是位置的誤差，∆p是動量的誤差，h是普朗克常數。