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海森伯格 在人类认识物质秘密的道路上，有一位曾给我们以深刻启示的科学家， 他就是德国物理学家维尔纳·海森伯格（一译海森堡）。他是现代物理学界 公认的权威之一。 维尔纳·海森伯格能够成为一位著名的物理学家，用他自己的话来说， 就是：对自己所从事的学术，一定要酷爱，要有兴趣，这样，才能产生研究 的动力，才不会感到是被迫的，甚至是勉强的。 1910 年12 月5 日，在德国维尔次堡大学教职员宿舍里，有一位妇人忍 受着临产前的煎熬。那天夜里，天空阴沉沉的，飘拂着鹅毛大雪，道路被大 雪覆盖了，医生没法来，产妇也无法送往医院，正当人们焦急万分的时刻， 一个男婴的啼哭声驱走了黑夜的沉寂，给焦急的父亲带来了极大的安慰：小 海森伯格诞生了。 海森伯格从小就有着得天独厚的学习环境。父亲是一个历史学权威，舅 舅们也都是当时德国数一数二的科学家，他的家又居住在腾斯堡大学里。那 是一所文史、自然科学并重的大学，在德国很有名气。但是，海森伯格并没 有继承父业，他从小对理化有着天生的爱好和浓厚的兴趣。据说在十岁那年， 一天，天色已黑，学校早就放学了，孩子们都回了家。他的父亲正在等待着 儿子回来，但是左等右等都不见他的影子，父母亲着急了，到处寻找，一直 寻到掌灯时分才松了口气。原来学校实验室的玻璃窗上映出了一张圆圆的小 脸。这不是小海森伯格又是谁呢？他被一个物理现象给迷住了，忘记了回家。 由于天才和优良的学习环境，这位年轻人很快成了一名科学家。他中学 毕业以后，就顺利地进人了慕尼黑大学。1923 年，当他第一次获得科学博士 学位时，年仅22 岁。他的成长引起了人们的钦佩，他的导师——著名物理学 家安诺德·索末菲老教授更是赞叹不已。他说：“这几年来，眼看着海森伯 格轻易地完成了他的学业和研究，真令人产生‘智者不难’的感觉，在理论 的造诣上，我们都自愧不如。” 海森伯格虽然年轻有为，却十分谦逊好学。他对前辈的理论勇于提出自 己的看法，这一独立思考的长处深为权威学者们所赏识，他们把他当作不可 多得的朋友。有一次，哥丁根大学物理研究所权威学者马克斯·玻恩在慕尼 黑大学讲学，课后，海森伯格给他递上了一张纸条，并且谦虚地说：“这是 我对先生研究的学理提供的一点心得。”玻恩先生当时没有把这个“毛孩子” 放在眼里，只是默默地把纸片折起来装进口袋里，连道谢的话也没有说一句。 当马克斯·玻恩回到哥丁根以后，有一天，无意中掏口袋，翻出了海森伯格 递给他的纸片。这一看，使他十分吃惊，没想到这个“毛孩子”竟能提出那 么深刻的见解，他这才后悔不已，深感在慕尼黑未能与海森伯格当面切磋。 海森伯格向他提供的正是他研究不深入，或者是疏忽了的原理。看了这张纸 条，使他对这位青年人简直佩服得五体投地。后来，他打听到海森伯格已经 荣获博士学位，于是在1923 年秋天，坚决邀请他到哥丁根大学去担任自己的 助教。玻恩教授手下有一大批助教，按照哥丁根大学的老规矩，助教至少要 当三年才具有升任讲师的资格，而海森伯格到哥丁根大学不到三个月，就被 破格提升为讲师。 海森伯格对原子论和核子论的创新见解引起了学术界的瞩目。不久，他 获得了洛克菲勒基金会的助学金，到丹麦哥本哈根大学进修。他的导师是丹 麦著名的物理学家尼尔斯·波尔。他们既是师生又是忘年之交。在哥本哈根 的三年里，他们经常通宵达旦地讨论问题，这使海森伯格在学术上又大大地 向前迈进了一步。在海森伯格六十寿辰时，波尔回忆当年的情景时说：“那 时候，我们继续进行着在哥丁根大学开始的探讨，无论是在研究所里，还是 在散步中，我们都热烈地展开讨论，他那少有的天赋和才能给我留下了强烈 的印象。” 1924 年，海森伯格和荷兰物理学家克拉摩斯进一步发展了色散理论，提 出了克拉摩斯-海森伯格色散公式。这一理论后来成为海森伯格创立一种量子 力学的阶梯。海森伯格23 岁就提出了这样高难度的理论，不能不使人对他深 为尊敬。 不久，他在物理学上又有了新的重大突破。他在1925 年引入了一种最为 巧妙的形式体系：将力学量表示成厄密矩阵，各矩阵元对应着定态间一切可 能的跃迁过程，他发现了可以导出这些定态的能量和相应的跃迁过程的几 率。这就是海森伯格创立的矩阵量子力学，它同施罗丁格于次年创立的波动 力学都是人们研究微观世界必不可少的强大工具。 1926 年，海森伯格关于氦光谱的奇特双线的解释，对处理电子原子作出 了个具有决定意义的贡献。多年来，这种双线性一直是原子构造量子论的主 要障碍之一，海森伯格探索了波函数在位形空间中的对称性质，成功地证实 了这样一个事实：氦原子的定态分为两类，分别与两组不相并合的谱项相对 应，并且分别以和反向电子自旋、平行电子自旋相关联的对称的与反对称的 空间波函数来表示。 当时，正是原子物理学迅速发展的时期，人们的兴趣越来越集中在整理 丰富的实验数据上。海森伯格在哥本哈根的最后一年中，在长期考察和反复 论证的基础上，发表了著名论文《量子论中运动学和力学的形象化内容》， 第一次提出了测不准关系，这对阐明量子力学的物理内容作出了重要贡献。 测不准关系指出：如果同时测量两个正则共轭变量，例如位置和动量，则其 测量值的不准确度之乘积不能小于大致为普朗克恒量除以2π的数。测不准 关系也反映了被观察体系和测量工具之间的相互作用。海森伯格的测不准原 理成为量子力学的重要原理，他因此于1932 年荣获诺贝尔物理学奖金。后 来，在这一原理的基础上，尼尔斯·波尔又提出了波粒两种观点之间互相补 充的“并协原理”，这种原理后来成为哥本哈根学派的基本观点。 1927 年到1941 年，海森伯格担任了莱比锡大学的教授，并且开办理论 讲座。这个讲座对于推动德国物理学的研究起了重要作用。当时，德国研究 理论物理学中心在普朗克研究院，这个研究院的两个重要研究所分别设在柏 林和哥本哈根。他曾先后担任过这两个研究所的所长。在这期间，他又提出 了关于韦斯铁磁性理论的量子力学解释，并且把电磁场看作动力学体系，与 奥地利物理学家泡利（1900～1958）共同提出了电子和电磁场相互作用的相 对论量子力学，这成为后来发展起来的量子场论的先驱。1932 年，海森伯格又提出了两核子间的吸力是“交换力”，并引入同位旋概念，用以强调这种 交换力和电荷无关。 1941 年到1945 年，海森伯格在柏林大学任教授，并兼任马克斯·普朗 克物理研究所所长。在这期间，他的理论又有了新的发展，1943 年时，提出了粒子相互作用的散射矩阵理论。 从1946 年到1958 年，海森伯格又受聘于哥丁根大学，担任教授，同时 兼任哥丁根的马克斯·普朗克物理学和天体物理学研究所所长。在这期间， 他提出了大雷诺数湍流的统计理论，并且对于在1951 年到1953 年期间反对 哥本哈根学派量子论解释的各种意见进行了反驳。 1976 年2 月1 日，著名的理论物理学家维尔纳·海森伯格在慕尼黑逝世， 终年75 岁。 为了探索物质结构的秘密，成千上万名物理学家、化学家进行了精确而 有说服力的实验。如果说过去这些实验是在黑暗中进行的话，那么自从有了 相对论和量子力学以后，现代物理学就有了强大的探照灯，这强大的物理学 理论的灯光照亮了科学向前发展的道路。
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