沃納·卡爾·海森堡(Werner Karl Heisenberg,1901年12月5日出生于德國符茲堡,1976年2月1日逝世于西德慕尼黑)是德國著名物理學(xué)家,量子力學(xué)的主要創(chuàng)始人之一,哥本哈根學(xué)派的代表人物。同時(shí),他還因其在第二次世界大戰(zhàn)期間作為德國核裂變研究領(lǐng)導(dǎo)者而受到爭議。
1920年,海森堡進(jìn)入慕尼黑大學(xué),1923年獲得了博士學(xué)位,并在索米菲的指導(dǎo)下發(fā)表了關(guān)于流體力學(xué)方向的博士論文。1926年,他被任命為哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)講師。次年,被萊比錫大學(xué)聘為理論物理學(xué)教授和物理系主任,任職15年。1941年,海森堡被任命為柏林洪堡大學(xué)物理學(xué)教授和凱澤·威廉皇家物理所所長。1946年,他與同事們重組了哥廷根市物理研究所,該研究后更名為馬克斯·普朗克物理研究所。
在海森堡的學(xué)術(shù)生涯中,他提出了量子力學(xué)的矩陣形式(矩陣力學(xué)),這一理論的發(fā)表以及其應(yīng)用(主要指氫的自旋異構(gòu)體發(fā)現(xiàn))使海森堡于1932年獲得諾貝爾物理學(xué)獎,他的《量子論的物理學(xué)基礎(chǔ)》是量子力學(xué)領(lǐng)域的一部經(jīng)典著作。此外海森堡又提出了“不確定性原理”(又稱“海森堡不確定性原理”)和S矩陣?yán)碚摰取2⑶宜€在湍流流體力學(xué)、原子核、鐵磁性、宇宙射線和亞原子粒子等領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)。在第二次世界大戰(zhàn)期間,他是德國核武器計(jì)劃的主要科學(xué)家,相關(guān)原子研究方面的工作引起爭議。
1955年海森堡當(dāng)選為倫敦皇家自然知識促進(jìn)學(xué)會外籍院士,1961年當(dāng)選為美國國家科學(xué)院外籍院士。
人物生平
早年經(jīng)歷
沃納·卡爾·海森堡于1901年12月5日出生在德國維爾茨堡(符茲堡)。其父親是卡斯帕·恩斯特·奧古斯特·海森堡(Kaspar Ernst August Heisenberg),曾任中學(xué)教師和維爾茨堡大學(xué)講師,并在海森堡8歲時(shí),成為慕尼黑大學(xué)唯一研究中世紀(jì)和現(xiàn)代希臘語的教授。母親安妮·韋克萊因(Annie Wecklein)是慕尼黑精英馬克西米利安文理中學(xué)校長的女兒。1906年9月,海森堡進(jìn)入符茲堡小學(xué)。1910年,他的父親被任命為慕尼黑大學(xué)中世紀(jì)和現(xiàn)代希臘研究教授,他和家人一起搬到了慕尼黑,在那里他們定居在施瓦賓的文化和藝術(shù)區(qū)。9歲(1911年)時(shí),海森伯格進(jìn)入馬克西米利安文理中學(xué)進(jìn)行了為期9年的學(xué)習(xí),數(shù)學(xué)和自然科學(xué)的成績優(yōu)異。
1914年第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后,由于盟軍對德國封鎖,食物和燃料等物資短缺,學(xué)校長期關(guān)閉。海森堡和他的同學(xué)開始在學(xué)校軍事訓(xùn)練部隊(duì)服役。在德國君主制轉(zhuǎn)向社會民主共和國革命期間,海森堡和他的同學(xué)加入了一支從柏林派出部隊(duì),一度對學(xué)習(xí)失去了興趣,直到德國青年運(yùn)動才有了新的方向。
學(xué)業(yè)生涯
1920年,海森堡進(jìn)入慕尼黑大學(xué),師從阿諾德·索末菲(Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld,德國理論物理學(xué)家)、威廉·維恩(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien,德國物理學(xué)家)、普林斯海姆(Alfred Pringsheim,德國數(shù)學(xué)家)學(xué)習(xí)物理學(xué)和數(shù)學(xué),并于1923年獲得了博士學(xué)位,并在索米菲的指導(dǎo)下發(fā)表了關(guān)于流體力學(xué)方向的博士論文。
在慕尼黑大學(xué)1922-23學(xué)年,其導(dǎo)師阿諾德·索末菲在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校休假,海森堡前往了哥廷根大學(xué)學(xué)習(xí)了一段時(shí)間,教他的老師主要有馬克斯·玻恩(Max Born,德裔英國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家)、弗蘭克(James Franck,德國物理學(xué)家)和戴維·希爾伯特(David Hilbert,德國數(shù)學(xué)家)。1924 年,在哥廷根市,在博恩的領(lǐng)導(dǎo)下,他完成了關(guān)于反常塞曼效應(yīng)的適應(yīng)理論的論文,晉身講師。在取得博士學(xué)位后成為了馬克斯·玻恩的助手,直到1926年春天。
在學(xué)生時(shí)期,海森堡就對光譜學(xué)發(fā)生了興趣,掌握了原子物理學(xué)方面的許多資料。另外,他經(jīng)常陪同老師阿諾德·索末菲參加各種學(xué)術(shù)會議,不僅使他增長了見識,也有機(jī)會與尼爾斯·玻爾(Niels Bohr,丹麥理論物理學(xué)家)討論各種問題。海森堡的新穎的見解,引起了波爾的重視,于是畢業(yè)后接受了波爾的邀請去哥本哈根工作。
工作生涯
從講師到教授
1924年9月17日至1925年5月1日,在國際教育委員會洛克菲勒基金會的資助下,海森堡與哥本哈根大學(xué)理論物理研究所所長尼爾斯·玻爾一起進(jìn)行研究,并于1925年夏天返回哥廷根市。其中,1924年,海森堡在波爾的指導(dǎo)下,對光的色散理論進(jìn)行探討,從中產(chǎn)生了對電子軌道的懷疑,當(dāng)海森堡把這些可觀察量和代表軌道模型中周期運(yùn)動坐標(biāo)的約瑟夫·傅里葉級數(shù)聯(lián)系起來發(fā)現(xiàn),這種代數(shù)是非對易的,兩種量的乘積與它們的先后次序有關(guān)。他把這篇論文和想法告訴了馬克斯·玻恩,并向老師請教。1925 年,海森堡在《關(guān)于運(yùn)動學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子論的全新解釋》這篇論文中,創(chuàng)立了新的力學(xué)——矩陣代數(shù),名為《量子力學(xué)》。到11月,他和助手一起完成了《量子力學(xué)II》,被視為新量子力學(xué)的基礎(chǔ)。
1926年,他被任命為哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)講師。次年,年僅26歲的海森堡被萊比錫大學(xué)聘為理論物理學(xué)教授和物理系主任,任職15年。1927年,海森堡有提出了不確定性原理,這個(gè)發(fā)現(xiàn)也成為原子物理學(xué)最偉大的成就之一。1928年的一篇論文中,他利用泡利不相容原理解開了鐵磁性之謎。1929年,海森堡前往美國、日本和印度進(jìn)行巡回演講。
1933年1月阿道夫·希特勒上臺。同年12月,海森堡因創(chuàng)立的量子力學(xué),尤其是運(yùn)用量子力學(xué)理論發(fā)現(xiàn)了同素異形氫,榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。1933年年中,海森堡提出了他的正電子理論。他對狄拉克理論的思考和理論的進(jìn)一步發(fā)展在兩篇論文中得到了闡述。第一本是1934年出版的《狄拉克正電子理論評論》(Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons),第二本是1936年出版的《狄拉克正電子理論的后果》。在諾貝爾獎的影響下,海森堡成為德國現(xiàn)代物理學(xué)的主要人物。
海森堡在20世紀(jì)30年代后期的主要工作重點(diǎn)是高能宇宙射線,為此他提出了一種“爆炸陣雨”理論,即在一個(gè)過程中產(chǎn)生多個(gè)粒子,這與英國和美國物理學(xué)家主要青睞的“級聯(lián)”理論形成鮮明對比。海森堡還在宇宙射線現(xiàn)象中看到了他關(guān)于最小長度標(biāo)記量子力學(xué)領(lǐng)域下邊界的想法的可能證據(jù)。作為量子力學(xué)的創(chuàng)始人和理論物理項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人,海森堡吸引了萊比錫市眾多來自德國和世界各地的一流學(xué)生和訪客。海森堡和他的合作者提出了固態(tài)晶體、分子結(jié)構(gòu)、原子核輻射散射、鐵磁性和霍爾效應(yīng)的解釋以及第一個(gè)中子-質(zhì)子模型等重要理論。
1939年波蘭戰(zhàn)役后,海森堡被征召到陸軍武器局工作,負(fù)責(zé)核能問題。起初,海森堡往返于萊比錫和柏林的德皇威廉物理研究所(KWI)之間。1941年,他被任命為柏林洪堡大學(xué)物理學(xué)教授和威廉皇家物理研究所所長。1942年后,海森伯格在德國的核研究中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。考慮到納粹的背景,這個(gè)角色一直備受爭議。
1945年1月,海森堡被美國軍事情報(bào)小組抓獲,與其他幾名德國物理學(xué)家一起在英國被拘留。
創(chuàng)辦研究所
1945年,第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí),海森伯格與其他德國物理學(xué)家被美國軍隊(duì)俘虜,送往了英國鄉(xiāng)村莊園農(nóng)場拘留了六個(gè)月。在此期間,他們的私人談話在那里被秘密錄音、轉(zhuǎn)錄和翻譯。1946年,他回到了德國并與同事們重組了哥廷根市物理研究所,致力于復(fù)興新興的西德共和國的研究。該研究所于1948年更名為馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克物理研究所。
1948年,海森堡在英國劍橋講學(xué)數(shù)月。1949年,德國研究委員會 (Deutscher Forschungsrat)成立,該委員會由15名頂尖科學(xué)家組成,海森伯格擔(dān)任主席,該協(xié)會于1951年與德國科學(xué)緊急協(xié)會(Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft)合并為現(xiàn)在的德國研究協(xié)會(Deutsche Forschungsgemeinschaft)。1950年和1954年海森堡又應(yīng)邀到美國講學(xué)。1955年至1956 年冬天,他在蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)發(fā)表了系列講座,并將其作為專著出版,也就是著名的《物理學(xué)與哲學(xué)》一書(英文版為《Physics and 哲學(xué)》,德文版為《Physik und Philosophie》)。
研究興趣轉(zhuǎn)移
自1953年以來,海森堡與沃爾夫?qū)づ堇?/a>將理論工作集中在基本粒子的統(tǒng)一場論上,在他看來是理解基本粒子是物理學(xué)的關(guān)鍵。當(dāng)年,他成為亞歷山大·馮·洪堡基金會主席,為推進(jìn)該基金會項(xiàng)目的發(fā)展,邀請了許多其他國家的科學(xué)家到德國工作。1955年,海森堡忙于將馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克物理研究所遷往慕尼黑。作為該研究所所長,他隨研究所前往慕尼黑,并于1958年被任命為慕尼黑大學(xué)物理學(xué)榮譽(yù)教授。他的研究所隨后更名為馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克物理和天體物理學(xué)研究所。1957年,海森堡對等離子體物理和熱核過程問題的研究產(chǎn)生了興趣,并與日內(nèi)瓦國際原子物理研究所密切合作,開展了許多工作。他曾多年擔(dān)任該研究所科學(xué)政策委員會主席,卸任后仍擔(dān)任該委員會成員。
1970年他從馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克物理和天體物理研究所退休,1972年最后一次訪問美國。1975年,辭去亞歷山大·馮·洪堡基金會主席職務(wù)。1976年2月1日,海森堡因癌癥在慕尼黑的家中去世。
主要成就
量子力學(xué)中哥本哈根學(xué)派的思想在量子力學(xué)理論建立過程中,形成了哥本哈根學(xué)派,而除了尼爾斯·玻爾作為這個(gè)學(xué)派的“靈魂”以外,海森堡也起到了不可忽視的作用,在他的學(xué)術(shù)生涯中分別提出了矩陣力學(xué)、不確定性原理、電磁場量子論、矩陣?yán)碚摗?a href="/hebeideji/162874118478642883.html">同位旋概念等,并于1932年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(1933年頒發(fā))。
矩陣力學(xué)
1925年,年僅23歲的海森堡發(fā)表了論文《關(guān)于運(yùn)動學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子論的全新解釋》。由于這一理論的發(fā)表以及其應(yīng)用(主要指氫的自旋異構(gòu)體發(fā)現(xiàn)),使他獲得了1932年諾貝爾物理學(xué)獎。海森堡的量子力學(xué)理論主要是基于對原子輻射的觀察,提出在某一個(gè)給定的時(shí)間點(diǎn),一個(gè)電子所處的位置是無法確定的,也無法跟蹤它的軌跡,所以波爾假定的電子軌道并不存在;諸如位置、速度等力學(xué)量,無法用通常的數(shù)字來描述,但可以用抽象的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)即矩陣來表達(dá),于是海森堡用矩陣形式闡述了該理論(矩陣力學(xué))。
不確定性原理
1927年,海森伯格提出了他著名的不確定性原理(也稱測不準(zhǔn)原理),在一個(gè)量子力學(xué)系統(tǒng)中,一個(gè)運(yùn)動粒子的位置和它的動量不可被同時(shí)確定,位置的不確定性和動量的不確定性是不可避免的,它們的乘積不小于(為普朗克常數(shù)),這些誤差對于人類來說雖然是微小的,但是在原子研究中并不能被忽略。即:位置的測量越精確,動量的測量就越不精確,反之亦然。在最極端的情況下,一個(gè)變量的絕對精度將導(dǎo)致另一個(gè)變量的絕對不精確。
重要論著
相關(guān)書籍
《量子理論的物理原理》
這部著作是量子力學(xué)領(lǐng)域的一部經(jīng)典著作,闡述了量子理論的物理意義,特別著重于粒子圖像和波動圖像的等價(jià)性,討論了“測不準(zhǔn)原理”(又稱“海森堡不確定性原理”)對統(tǒng)一這兩種圖像的意義和必要性。在這部著作中,海森堡基于在芝加哥大學(xué)的演講,展示了量子理論的完整物理圖景。書中有不少內(nèi)容是海森堡獨(dú)到的見解,特別是對哥本哈根學(xué)派的觀點(diǎn)和思想作了完整論述,是這一學(xué)派的一本代表作。他不僅涵蓋了他自己的貢獻(xiàn),還涵蓋了尼爾斯·玻爾、保羅·狄拉克、薩特延德拉·玻色、路易·德布羅意、恩里科·費(fèi)米、阿爾伯特·愛因斯坦、沃爾夫?qū)づ堇?/a>、埃爾溫·薛定諤、薩默菲爾德、魯普、威爾遜、格默和其他人在一篇為不是量子理論或現(xiàn)代數(shù)學(xué)專家的物理科學(xué)家寫的文章中。
《原子時(shí)代的海森堡:科學(xué)與公共領(lǐng)域(自傳)》
海森堡在六十多歲時(shí)撰寫了自傳,并于1969年在德國出版,1971年以英文出版,隨后被翻譯成多個(gè)國家語言。后來,保羅·福爾曼(美國科學(xué)史學(xué)家)在《科學(xué)》雜志上評論該自傳:“這是一本以理性重構(gòu)對話形式呈現(xiàn)的回憶錄。而對話本身就是一種最陰險(xiǎn)的文學(xué)手段:生動、有趣,特別適合暗示觀點(diǎn),同時(shí)又逃避責(zé)任。”
重要論文
《關(guān)于運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的量子力學(xué)解釋》
1925年,發(fā)表的《關(guān)于運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的量子力學(xué)解釋》("über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen". Zeitschrift für Physik. 1925,33 (1): 879–893)是一篇具有劃時(shí)代意義的論文,主要觀點(diǎn)是認(rèn)為量子力學(xué)的問題不能直接用不可觀測的軌道來表述,應(yīng)該采用躍遷幾率這類可以觀測的量來描述。這篇論文標(biāo)志著量子物理學(xué)的一個(gè)重大突破,奠定了不久后產(chǎn)生的“矩陣力學(xué)”的基礎(chǔ)。
《論量子理論的運(yùn)動學(xué)和力學(xué)的直觀內(nèi)容》
1927年,發(fā)表的《論量子理論的運(yùn)動學(xué)和力學(xué)的直觀內(nèi)容》("über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik". Z. Phys. 1927,43 (3–4): 172–198)是海森堡最著名和影響最廣的物理學(xué)論文。文中提出了“不確定性原理”,即亞原子粒子的位置和動量不可能同時(shí)準(zhǔn)確測量。這一原理和馬克斯·玻恩的波函數(shù)概率解釋一起,奠定了量子力學(xué)幾率詮釋的物理基礎(chǔ)。
社會任職
人才培養(yǎng)
所獲榮譽(yù)
相關(guān)爭議
海森堡之謎
1939年,歐洲戰(zhàn)爭的爆發(fā)和柏林核裂變的發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)了物理學(xué)家的信心。海森堡作為德國核武器開發(fā)計(jì)劃研制的參與者,和“計(jì)劃”中的其他同事開始研究核裂變的實(shí)際應(yīng)用。不過納粹德國自始至終都沒有能力將核武器從理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。海森堡本人提供的一種說法稱,他其實(shí)并不信任阿道夫·希特勒政權(quán),因此在盡力拖延納粹德國的研究計(jì)劃。但曼哈頓計(jì)劃重要領(lǐng)導(dǎo)人古德施密特等一些人對這種說法嗤之以鼻,這也被稱之為“海森堡之謎”。
哥本哈根之謎
1941年9月底,德國物理學(xué)家海森堡來到丹麥首都哥本哈根,看望丹麥物理學(xué)家奧格·玻爾,兩人進(jìn)行了一次只有10分鐘的秘密會談,然后便不歡而散。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的論證,哥本哈根謎局浮現(xiàn)出兩個(gè)謎底。但由于證據(jù)不足,這兩個(gè)謎底仍然只能稱為“可能性”,不能稱為“定論”。可能性之一:海森堡的1941年哥本哈根之行,其秘密身份是納粹間諜,他希望通過這次會面,打探反法西斯同盟研制原子彈的進(jìn)展情況。可能性之二:海森堡此次來哥本哈根,是希望奧格·玻爾幫助德國研制原子彈。
后世紀(jì)念
AMC 電視連續(xù)劇《絕命毒師》講述了一位化學(xué)老師轉(zhuǎn)為毒品生產(chǎn)者,名叫沃爾特·懷特,他用“海森堡”這個(gè)名字作為他的筆名來向這位科學(xué)家致敬。
在計(jì)算機(jī)編程術(shù)語中,heisenbug 是一種軟件錯(cuò)誤,當(dāng)人們試圖研究它時(shí),它似乎會消失或改變其行為。
人物評價(jià)
索末菲(Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld)的評價(jià):湍流問題確實(shí)太難了,除了海森堡,我不會讓別的學(xué)生拿它作博士論文。海森堡在理論造詣上,我們都自愧不如。
電子自旋的發(fā)現(xiàn)者之一古德施密特(Goudsmit, Samuel Abraham)評價(jià):海森堡是一位很偉大的物理學(xué)家,一位深刻的思想家、一位很有教養(yǎng)的人,同時(shí)也是一個(gè)很有勇氣的人。他是我們這個(gè)時(shí)代最偉大的物理學(xué)家之一,但是他在一些狂熱的同事沒根據(jù)的攻擊下經(jīng)受了嚴(yán)重的痛苦。按照我的意見,他在某些方面應(yīng)該被看成是納粹政權(quán)的受害者。
尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)評價(jià):海森堡在物理學(xué)發(fā)展中所起的作用,將被當(dāng)作一種超等的作用而永志不忘。
利奧波第那科學(xué)院評價(jià):海森堡是20世紀(jì)最重要的物理學(xué)家之一,他對基本粒子物理學(xué)和核物理學(xué)做出了重要貢獻(xiàn)。
人物關(guān)系
在量子學(xué)說領(lǐng)域中,除了海森堡,還有他的前輩馬克斯·普朗克、阿爾伯特·愛因斯坦、尼爾斯·玻爾以及法國物理學(xué)家路易·德·希羅格列,這些人都對量子力學(xué)有著深遠(yuǎn)的影響,海森堡不是此領(lǐng)域中唯一成果顯赫的科學(xué)家。另外,海森堡發(fā)表了關(guān)于矩陣力學(xué)的論文后,其他一些科學(xué)家相繼做出了許多關(guān)于量子力學(xué)的成果,例如奧地利科學(xué)家歐文·施羅丁格,英籍科學(xué)家保羅·狄拉克等等。
海森堡的愛好古典音樂,同時(shí)他也是一位多才多藝的鋼琴家。 1937年1月,海森堡在一場私人音樂演奏會中結(jié)識了其妻子伊麗莎白·舒馬赫(Elisabeth Schumacher)。同年4月29日,海森堡與邁克爾·舒馬赫完婚。次年,他們有了一對雙胞胎,名為瑪麗亞(Maria Heisenberg)和沃爾夫?qū)╓olfgang Heisenberg)。后續(xù)12年,又陸續(xù)有了5個(gè)孩子分別為芭芭拉(Barbara Heisenberg)、克里斯汀·斯圖爾特(Kristen Heisenberg)、約亨(Jochen Heisenberg)、馬丁(Martin Heisenberg)和維雷娜(Verena Heisenberg)。其中,約亨后來也成為了一名物理學(xué)家,從事核物理研究。而馬丁成為了一位德國神經(jīng)生物學(xué)家和遺傳學(xué)家。
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