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W.K.海森伯Werner Karl Heisenberg (1901~1976)

  德国理论物理学家,量子力学第一种有效形式(矩阵力学)的创建者。1901年12月5日生于维尔兹堡,出身于一位教古希腊语言的中学教师家庭,从小就受到家庭在古代文学方面的熏陶。1920年中学毕业,进慕尼黑大学学习理论物理学,在名师A.索末菲指导下,第一学期就在解释反常塞曼效应的谱线中首先引进了半量子数,而当时人们都认为量子数应该是整数。第二学期他结合听流体力学课,写出了一篇关于“卡门”涡流的绝对大小的论文,深得索末菲赞誉。索末菲决定要他在原子物理学和流体力学两方面有所建树。

  当时原子物理的理论中心是哥本哈根和慕尼黑,自1921年起还有格丁根。1922年6月格丁根大学的 M.玻恩J.夫兰克邀请哥本哈根的N.玻尔作一系列关于原子物理和元素周期表的演讲。索末菲应邀参加,也带海森伯一同前去。每次演讲后都进行热烈的讨论,而在一次讨论中,当时年仅20岁的海森伯竟站起来对玻尔的某些论点提出异议,并勇敢地进行辩论。讨论结束时玻尔约他当日下午一同去散步,以便继续讨论。这次与玻尔在散步中的长时间谈话,对海森伯启发很大,无怪乎他说,这次散步是他科学上成长的起点。

  从1922年起,海森伯除1923年夏季一个学期回慕尼黑以《关于流体流动的稳定性和湍流》一文考取博士学位,和1924年冬一个学期在哥本哈根玻尔那里工作外,到1926年夏一直在格丁根跟玻恩工作,并在1924年 7月以《关于量子论的形式规律在反常塞曼效应问题上的更改》一文升为讲师。1925年初夏海森伯从哥本哈根回格丁根后,试图用实验所能观察的光谱线的频率和强度(即振幅)的整体来代替看不见的电子轨道,以计算氢原子谱线的强度。但对氢原子这方法在数学上过于复杂,而改用一个比较简单的非谐振子进行计算。正在这时候,他患了枯草热病,告假去北海赫耳戈兰岛休养。这就给了他专心计算的机会。结果证明,这种只用可观察量的处理方法是可行的。回格丁根后就写成了奠定量子力学基础的《关于运动学和力学关系的量子论新释》一文发表。继而玻恩和E.P.约旦后来又同海森伯一道在此基础上加以发展而成为“矩阵力学”。

  量子力学问世不久,E.薛定谔L.V.德布罗意的物质波假设出发的另一种量子力学形式也相继出现,并且他还证明,这种所谓波动力学内容上与矩阵力学完全相同。量子力学的数学形式虽已找到,但其物理意义尚不清楚。1927年海森伯终于从他坚信是正确的量子力学数学形式中得出了测不准关系。它和玻恩的波函数几率解释一起,奠定了量子力学诠释的物理基础。

  1927年海森伯被莱比锡大学聘为理论物理教授。他以后的工作除将量子力学应用于具体问题如解释许多原子和分子光谱、铁磁现象等外,总是在物理学的前沿作新探索。他同W.泡利一道曾为量子场论的建立打下基础(1929);发现中子后(1932),他就提出原子核由质子和中子构成,并把它们看作是同一种粒子(核子)的两种不同状态,这是基本粒子特性同位旋概念的先驱;接着又研究宇宙射线以探索什么是基本粒子。海森伯后来从宇宙射线和高能加速器发现的许多新的基本粒子,其中没有可以看作一般基本粒子的组成部分的更小的碎片这一事实出发,认为凡是符合能量和动量守恒定律以及有关粒子的“耦合”对称性的这些粒子,总是能够互相转变,它们不过是同一“物质”层次的不同特殊状态。于是他为这一层次设想了一个非线性数学方程(1958),据说它的解应该给出这些基本粒子的质量、耦合强度和对称性等。然而这个所谓“宇宙方程”(这名称不是出于海森伯自已)由于数学上很难解以及其他物理原因并没有成功。

  为了表彰他在科学上的重大贡献──建立量子力学,海森伯获得1932年诺贝尔物理学奖,并获得马克斯•普朗克奖章。

  1933年纳粹攫取德国政权后,疯狂排斥犹太人,大学里的犹太裔教授全被解职,纷纷逃亡国外,海森伯对此颇为愤慨,也想离开德国,M.普朗克则劝他不要出走,留在国内培养一批年轻人,为将来复兴国家的科学事业作好准备。1933年11月11日在莱比锡举行了德国科学家拥护纳粹政权的示威集会,他拒不出席;纳粹政权要求德国诺贝尔奖获得者在1934年8月 19日表示“民意”的宣言上签名,他同普朗克和M.von劳厄也都拒绝。第二次世界大战前夕,海森伯接到服役命令,要他到国防部军械局报到,任务是同一个小组(其中有W.G.博特、C.F.von魏茨泽克、W.革拉赫等物理学家)研究原子能的利用问题。这项工作引起国外科学家对海森伯的责难。这个小组的部分成员包括海森伯、魏茨泽克在内在德军崩溃时先后被美军俘虏。他们连同核裂变发现者O.哈恩和劳厄共10人监禁在英国,约一年后才被遣返回德国。德意志联邦共和国成立后,海森伯在格丁根和其他著名科学家18人发表公告,反对联邦政府发展核武器,还与政府协议成立德国科学研究委员会作为政府的科学顾问,以协调政府与科学家之间的矛盾。这些主张都得到实现。

  从1942年 4月起他任当时威廉皇帝协会在柏林的物理研究所所长,战后在格丁根继续领导并重建了这个现已改为马克斯•普朗克协会的物理和天体物理研究所,并于1958年与所一同迁到慕尼黑。他主张国际间学术交往,以互促科学的发展,因而曾担任联邦德国为国外学者提供资助的洪堡基金会主席多年;也曾担任过德国科学研究委员会主席。

  海森伯的治学之道是直觉。他善于抓住现象的本质,认为数学的严格性则在其次,他又能机巧地绕之而过。在他看来重要的是,对于所发现的现象也应该用非同一般的语言来加以阐述,并且非常认真地对待他自己的这种看法。他好谈哲学,但不是一个专业哲学家。他的哲学研究是同现代物理学的研究结合起来的,因而显得生动而富有活力。

  科学产生于交谈之中,是海森伯坚信不移的信念之一。他也试图同思想不同的人,同其他学科的代表人物,同宗教信仰者,同哲学家交谈。他深感人与人之间因精神生活的不同而愈趋隔阂,因而试图用一种共同语言将自然科学和人文科学、艺术和宗教联系起来。在这方面他以N.玻尔为榜样是有经验的,因为在他看来,即使在严密的自然科学中,当人们踏进一个新的领域时,也往往能用图像和譬喻来作解释。

  在海森伯看来,科学研究和生活是一体。这可从他的公开演讲和面对广大群众的文章中感觉得到。我们还可以感觉到他在自然界事物的背后寻找一个中心秩序。他在基本粒子行为的对称性中像2500年前柏拉图那样看到了这种秩序的体现。他很想知道他的基本粒子统一场论是否像他所期望的那样,真的描绘了微观世界的实际情况。可惜他的这个最后愿望未及实现。1976年2月1日他在慕尼黑家中逝世。

  他为人善良、活泼、乐观,和蔼可亲,容易接近,喜欢运动,青年时常和同伴作徒步旅行,他爱好音乐,经常与音乐爱好者举行家庭音乐会。他留下的著作有《量子论的物理原理》、《原子核物理》,演讲集《严密自然科学基础的变化》和《跨越界限》、《物理学和哲学》,自传性质的《部分与整体》等。

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