  沃納·卡爾·海森堡（德文原名：Werner Karl Heisenberg）于1901年12月5日出生于德國的維爾茨堡。他幼年是一個沉默寡言，甚至有些抑郁的小朋友。可能是因為他的哥哥分走了家庭大部分的寵愛。（海森堡的另一個翻譯是海森伯，因此在量子物理中，海森堡和海森伯是同一個人）  在海森堡8歲以前，他的父親是慕尼黑大學(xué)的希臘語教授。這位一絲不茍的父親有著普魯士的傳統(tǒng)，從小就對兩個孩子嚴(yán)格管教。海森堡學(xué)會了應(yīng)對各種不順手的問題，以及學(xué)習(xí)那些自己都不感興趣的東西。當(dāng)他感到窒息的時候，他就會跑到森林里面去尋找慰藉。 有意思的是，當(dāng)海森堡長大之后，非但沒有繼承童年時期的孤獨與沉默，反而熱衷于戶外運動，喜歡登山、騎自行車，儼然成了小伙伴中值得信賴的朋友。 如同當(dāng)時德國的許多人一樣，海森堡放過牛、扛過槍，一戰(zhàn)的時候，為了給家里弄點吃的，他曾在黑暗中偷偷穿過敵人的陣地。  海森堡后來進入了慕尼黑大學(xué)，本來想學(xué)數(shù)學(xué)，準(zhǔn)備投奔到林德曼的底下，結(jié)果被拒絕了。無奈之下，海森堡就選擇了物理，成了索末菲的弟子，就這樣進入了物理世界。（林德曼為何拒絕海森堡，據(jù)說當(dāng)林德曼問海森堡，數(shù)學(xué)方面喜歡看誰的書。海森堡回答：“外爾?！绷值侣皖D時失去了興趣，將海森堡打發(fā)走了，說他不適合學(xué)數(shù)學(xué)。林德曼和外爾都出身哥廷根大學(xué)的數(shù)學(xué)系，當(dāng)時哥廷根大學(xué)有一個美女教師，大家都去追了，結(jié)果其他人都沒追上，就外爾追上了。） 1922年6月，剛滿20歲的海森堡參加了玻爾的一次演講。這是他倆的第一次見面，會議結(jié)束后，玻爾邀請海森堡到附近的山上走一走，并邀請他到哥本哈根做一個學(xué)期的研究。 后來有一次，海森堡對泡利說：“我覺得，我的物理學(xué)生涯直到在遇見玻爾之后，才真正開始?！?/strong> 泡利點點頭，說：“我也一樣?！?/strong> 海森堡，就此成了玻爾的學(xué)生，日后也成了“哥本哈根學(xué)派”的領(lǐng)頭人物之一。 海森堡無疑對量子力學(xué)起到了巨大的發(fā)展作用，除了他那個“不確定性原理”外，他將矩陣引入了量子力學(xué)。  回過頭來看看玻爾的原子模型，原子中的電子繞著某些特定的軌道以一定的頻率運行，并時不時地會從一個軌道躍遷到另一個軌道。每一個原子軌道都代表一個特定的能級，因此當(dāng)電子發(fā)生躍遷的時候，也就在按照量子化的方式吸收或散發(fā)能量，其大小等于兩個軌道之間的能量差。 那么問題來了，這個軌道是個神馬玩意？可以通過實驗測出來嗎？ 貌似不能，這些只是人們抽象化的假設(shè)而已。  那么，有辦法可以間接測量這些所謂的“能級”或“頻率”的數(shù)值嗎？ 海森堡突然發(fā)現(xiàn)，玻爾和之前人的原子模型，如果根據(jù)傅里葉級數(shù)展開的電子運動方程，需要用矩陣進行加工。 具體的細(xì)節(jié)這里就不羅列了，我們只要知道，矩陣也有加減法和乘法，一般矩陣是沒有除法的，不過我們可以做等價效果，將被除數(shù)的矩陣轉(zhuǎn)化成逆矩陣，再用乘法就好。矩陣的乘法是一個很神奇的地方，ab≠ba。  雖然海森堡通過矩陣可以自然地推導(dǎo)出量子化的原子能級和輻射頻率，但是這個矩陣乘法究竟意味著什么，當(dāng)時還是沒有人知道。 1924年11月26日，玻恩、海森堡和約爾當(dāng)在《物理學(xué)》雜志上發(fā)表了《論量子力學(xué)II》，開啟了一個新的時代，如果電子的位置用p表示，動量用q表示，那么pq≠qp，且玻恩和約爾當(dāng)將其差值也算出來了：pq-qp=（h/2πi）I，其中，h是普朗克常數(shù)，i是虛數(shù)，是-1的平方根，I則是單位矩陣，相當(dāng)于矩陣運算中的1。 海森堡繼續(xù)思考著那個矩陣乘法，pq≠qp，這是不是說，先觀測動量q，再觀測位置p，與先觀測位置p，再觀測動量q，其結(jié)果是不一樣的？ （虛構(gòu)）海森堡一邊走在街上一邊思考這個pq問題，他看到了一個法國妞，又看到了一個維也納妞，他看了一眼法國妞，又看了一眼維也納妞，看了一眼維也納妞，又看了一眼法國妞……海森堡的頭就這樣晃來晃去，看來看去…… 似乎，他明白了，他不可能同時看法國妞和維也納妞，那么那個pq，是不是說，我們無法同時觀測p和q呢？  ▲ 海森堡的“不確定性原理”早期翻譯是“測不準(zhǔn)原理”，但“測不準(zhǔn)”很容易讓人產(chǎn)生誤會，以為是因為人類觀測儀器不夠先進，導(dǎo)致了測不準(zhǔn)。實際上，量子世界中的“不確定”是量子世界的本質(zhì)，而不是因為儀器或觀測手段問題，因此，翻譯“不確定性原理”優(yōu)于“測不準(zhǔn)原理” 海森堡又想，我是怎么看到這個法國妞的呢？是光照在她的身上，然后反射進我的眼睛里面，我的眼睛就會呈現(xiàn)出那個法國妞的樣子?，F(xiàn)在想想，如果那個法國妞不斷變小，變成電子那么大，會怎么樣呢？ 想到這的時候，海森堡倒吸一口涼氣，如果是這樣的話，那個法國妞就會被光子給撞飛了，不知道會飛到哪里去。 回去后，海森堡寫下了如下公式： △p·△q＞h/4π △p和△q分別是測量p和測量q的誤差，這也就是說，測量p和測量q的誤差，它們的乘積必定要大于某個常數(shù)，當(dāng)△p為零的時候，△q就要變得無窮大。 這就是海森堡的不確定性原理，如果我們對一個電子的位置知道地越精確，那么對它的速度就知道地越不精確，反之亦然。 海森堡后來又發(fā)現(xiàn)了另一對永遠(yuǎn)也無法同時測準(zhǔn)的量，就是能量E和時間t。只要能量E測得越精確，時刻t就會越模糊，反之亦然。公式如下： △E·△t＞h  這似乎是說，我們知道t測量得越精確，E就越不確定，因此在非常短的一瞬間，即使真空中也會出現(xiàn)巨大的能量起伏，這種能量是靠著不確定性憑空出現(xiàn)的，雖然違反了能量守恒定律，但那一瞬間極其短，在人們還沒來得及發(fā)現(xiàn)時，它又神秘消失了，使得能量守恒定律在整體上得以維持。 ……一個人可以用 p的眼光看這個世界，也可以用 q的眼光看這個世界。但是，當(dāng)一個人想同時用這兩種眼光觀察時，他將變得困惑不已… 海森堡如是寫道。 不確定性原理不僅僅是一個統(tǒng)計規(guī)律，而是一個關(guān)于量子世界的本質(zhì)的論斷。 玻爾意識到，這種不確定性是建立在波和粒子的雙重基礎(chǔ)之上的，它其實是電子在波和粒子間的一種搖擺。也就是說，電子既是波，也是粒子。 電子的原形是什么？電子的本來面目是怎樣的？實際上，在玻爾看來，這些都是毫無意義的，對于我們來說，唯一知道的只是每次我們看到的電子是什么。電子是波又是粒子，但每次我們觀察它，它只展現(xiàn)出其中的一面，這里的關(guān)鍵是我們“如何”觀察它，而不是它“究竟”是什么。 1933年，諾貝爾獎委員會決定，把1932年的諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給海森堡，表彰他在量子力學(xué)方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。同時他們決定，將1933年的諾獎頒發(fā)給薛定諤和狄拉克。 海森堡雖然與薛定諤經(jīng)常吵來吵去，一開始，海森堡不認(rèn)可薛定諤的波動方程，薛定諤也不理解海森堡的矩陣力學(xué)，盡管它們在數(shù)學(xué)上是等價的。但他們私交都很不錯，原本海森堡還有點糾結(jié)，如果薛定諤不拿獎就自己拿獎，還有點過意不去，但當(dāng)他聽到自己和薛定諤同時得獎之后，非常高興。  不過，納粹的陰影很快籠罩在了整個德國上空，眾多物理學(xué)家相繼離開了德國，其中有不少是海森堡的師兄弟，他的老師玻爾也走了。如果按照納粹的標(biāo)準(zhǔn)來看，海森堡是一個純正的雅利安人，但他后來還是受到了調(diào)查，因為與他同事過的很多物理學(xué)家，都有猶太血統(tǒng)。 二戰(zhàn)期間，海森堡留在了德國，負(fù)責(zé)德國的原子彈計劃，但很遺憾的是，在計算核材料的臨界質(zhì)量時，他算錯了，以至于德國一直都停留在初級階段。也不知道是他故意算錯了還是真算錯了，至今都成了一個謎。 二戰(zhàn)結(jié)束后，歐洲被打殘了，昔日的哥廷根大學(xué)已經(jīng)沒落了，海森堡望著夕陽西下，想起二十多年前，與泡利一起騎自行車的單身歲月，不免唏噓不已。 1930年，距離希特勒成為德國元首還有三年時間，似乎整個世界還未意識到未來的局勢。海森堡在寫給母親的信里這樣說：“我想起一句格言，它的結(jié)尾是這樣的：若它在輝煌中下沉，歷經(jīng)漫長路程，它仍會重現(xiàn)光彩。我相信，只要我們還活在這世上，終有一天會感受到光明重現(xiàn)……”他還告訴母親：“大約十年前，那是我生命中最美好的時光?！?/strong> 海森堡后來參與了戰(zhàn)后的重建工作，并積極反對用核武器來武裝德國軍隊。 是的，他深深地愛著自己的祖國，他愛的是德國，不是納粹。 1976年2月1日，海森堡去世，享年76歲。 他的晚年，和他的童年一樣孤獨，玻恩、泡利、薛定諤都先他而去……（以后有機會寫一個劇本——《哥本哈根之夜》，二戰(zhàn)時期，玻爾有猶太人的身份而逃離德國，先是回到了哥本哈根，后來德國占領(lǐng)了丹麥，作為德國軍官的海森堡曾與恩師玻爾見過一面，不知道他倆說了什么，戰(zhàn)后二人都對此保持了沉默。很快，玻爾就被英國人救走了，在飛機上顛簸了很久，差點死掉。在營救玻爾之前，有英國人說，如果玻爾敢說不字，就當(dāng)場擊殺他，因為他們懷疑玻爾會為納粹德國效力。在德軍進入丹麥的時候，海森堡與玻爾在哥本哈根見過一面，也不知道這個時候的會面，會是一段怎樣的場景，這一段歷史，應(yīng)該很戲劇性吧）  ▲ 【瘋狂物理學(xué)家·玻爾】 下期：薛定諤 |
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