“大师之师”索末菲是旧量子论的最后守卫者,他在慕尼黑大学的“理论物理摇篮”,却摇出了海森堡这位新量子论的开拓人,这就是科学的承前启后,继往开来!从此以后,新量子论,也就是我们现在称为“量子力学”的理论,迅猛发展起来。
1900年,量子鼻祖普朗克在柏林科学院第一次报告他解决了黑体辐射问题,释放出h这个量子妖精,从此开启了量子的大门。就在第二年,距离柏林500公里左右的另一个德国城市维尔茨堡,希腊语言学家奥古斯都·海森堡,迎来了他的第二个儿子,取名维尔纳·海森堡。这位语言学教授怎么也没想到,这个出生时看起来极普通的男孩,20多年后闯荡量子江湖,成就了一番大事业,还荣获了1932年的诺贝尔物理奖!
维尔纳·海森堡9岁时,全家人搬到了慕尼黑居住。又过了9年,海森堡进入慕尼黑大学攻读物理,拜于上一节中介绍的“大师之师”索末菲门下。后来,海森堡前往哥廷根大学,在玻恩和希尔伯特的指导下学习物理。1923年,海森堡完成博士论文《关于流体流动的稳定和湍流》,获得博士学位后,便被玻恩私人出资聘请为哥廷根大学的助教。
海森堡真正感兴趣的是当时物理界的热门课题:玻尔的原子模型。
海森堡自己也曾经表示过,他真正的科学生涯,是从与玻尔的一次散步开始的……那是1922年初夏,玻尔应邀到德国哥廷根大学讲学,滞留10天,报告七次,内容为玻尔原子理论和对元素周期表的诠释。尽管玻尔平时说话的声音低沉,有时还给人以不善言辞的负面印象,但这几次演讲异常地成功,盛况空前,座无虚席。特别是众多年轻的学子们,激情满怀,反应强烈,一个个竖起耳朵张着嘴,聚精会神地听,生怕遗漏了大师的某句话、某个词。
有人称这几次讲座是“玻尔的节日演出”,还有人形容当时的盛况“犹如举办了一次哥廷根狂欢节!”
1924年至1927年间,海森堡得到洛克菲勒基金会的赞助,来到哥本哈根的理论物理研究所与玻尔一起工作。从此,海森堡置身于玻尔研究所那种激烈的学术争鸣氛围中,开始了卓有成效的学术研究工作。总的来说,海森堡大学后的物理生涯十分幸运,短短几年中,他游走于三位量子巨匠之间:向索末菲学到了物理概念,向玻恩学到了数学技巧,而他自己最感兴趣也最看重的哲学思想,则来自于玻尔!
海森堡正在折腾玻尔和索末菲的原子模型时,花粉过敏症却来折腾他,使他的脸肿得像烤出来的大圆面包,以至于偶然撞见他的房东吓了一大跳,还以为是他和人打架而致。因此,海森堡不得不去到北海的赫尔格兰岛,休养一段时间。那个远离喧哗的小地方,倒是激发了海森堡非凡的科学灵感,他构想出了他对量子力学的最大突破——后来被称作“矩阵力学”的理论。
海森堡当时正在研究氢的光谱线实验结果与原子模型的关系。实验得到的是宏观物理世界中的可观测量,量子化之后的原子模型却是科学家脑袋中构想出来的东西。“可观测”还是“不可观测”,这在经典物理中可以说是个伪命题。人们对经典理论的认知是:物理量不都是可观测的吗?但在量子论适用的微观世界,这个问题从来就亦步亦趋地伴随着物理理论前行。微观现象难以直接观测,那么,如何来判断理论正确与否呢?
海森堡认为,原子模型中电子的轨道(包括位置x(t)、动量p(t)等)是不可测量的量,而电子辐射形成的光谱(包括频率和强度)则是宏观可测的。是否可以从光谱得到的频率和强度这些可测量,倒推回去得到电子位置x(t)及动量p(t)的信息呢?也就是说,是否可以将轨道概念与光谱对应起来?
1925年7月25日,《海德堡物理学报》收到了海森堡的论文。这天算是量子力学(新量子论)真正发明之日,距离普朗克旧量子论的诞生,已经过去了25年。
海森堡将他的著名论文寄给杂志的同时,也寄了一份给玻恩,并评论说他写了一篇疯狂的论文,请玻恩阅读并提供建议。玻恩对海森堡论文中提出的计算方法感到十分惊讶,但随后他意识到这种方法与数学家很久以前发明的矩阵计算是完全对应的。海森堡的“表格”,就是矩阵!
新量子论的发展还有另外一条线,完全独立于海森堡的矩阵力学。那是爱因斯坦注意到德布罗意的物质波理论之后,推荐给薛定谔引起的。薛定谔从波动的角度,用微分方程建立了量子力学。微分方程是物理学家们喜欢的表述形式,牛顿力学、麦克斯韦方程都用它。薛定谔方程描述的波动图像也使物理学家们感觉亲切直观、赏心悦目。虽然物理学家后来因为不知如何诠释薛定谔方程而颇感困惑,但还是喜欢它。
海森堡的矩阵则枯燥而且缺乏直观图景,不怎么受待见。
天才终归是天才,不久后(1927年),海森堡便抛出了一个“不确定性原理”,震惊物理界。根据海森堡的不确定性原理,对于一个微观粒子,不可能同时精确地测量出其位置和动量。将一个值测量越精确,另一个的测量就会越粗略。如图2a所示,如果位置被测量的精确度是Δx,动量被测量的精确度是Δp的话,两个精确度之乘积将不会小于ħ/2,即:ΔpΔx≥ħ/2,这里的ħ是约化普朗克常数(h/2π)。
海森堡对量子力学的贡献是毋庸置疑的,但他在第二次世界大战中的政治态度却不很清楚。海森堡曾经是纳粹德国核武器研究的领导人,但德国核武器研制多年未成正果。这固然是战争正义一方的幸运之事,但海森堡在其中到底起了何种作用?至今仍是一个难以确定的谜。海森堡在大战中的“不确定”角色引人深思:科学家应该如何处理与政治的关系?如何在动乱中保持一位科学家的良知?
海森堡与玻尔,有长期学术上的合作,有亦师亦友的情谊,从海森堡22岁获得博士学位后第一次到哥本哈根演讲,玻尔就看上了这个年轻人。无情的战争,将科学家之间的友谊蒙上了一层淡淡的阴影。在战争期间(1941年),海森堡曾到哥本哈根访问玻尔,据说因为二人站在不同的立场,因而话不投机,不欢而散。
海森堡之后一直居住在慕尼黑,1976年2月1日因癌症于家中逝世。