海森堡

1诺贝尔物理学奖获得者—海森堡摘要：从介绍海森堡的生平开始，进而考察了矩阵力学和测不准原理建立的过程，同时也介绍了海森堡在二战期间及战后对德国物理事业的贡献，进一步分析了这个集数学、哲学、物理思维于一身的传奇人物的成功因素。关键词：海森堡；矩阵力学；测不准原理；核物理；哲学WinneroftheNobelPrizeinPhysics–HeisenbergAbstract:Heisenberg'slifefromthestart,andthenintroducesthematrixmechanicsandtheuncertaintyprincipletheprocessofestablishment,andintroducedinduringthesecondworldwarandpostwarHeisenbergofGermancausephysicscontribution,andfurtheranalyzedthethissetmathematics,philosophy,physicalthinkinginonelegendsuccessfactors.Keywords:Heisenberg;matrixmechanics;uncertaintyprinciple;nuclearphysics;philosophy2目录摘要··········································································································11引言·······································································································32海森堡生平及家庭·····················································································33海森堡与矩阵力学的诞生············································································43.1海森堡与矩阵力学的思想基础····································································43.2关于运动学和动力学关系的量子论解释························································53.3矩阵力学体系的最后形成··········································································74海森堡的测不准原理··················································································95海森堡在二战期间的工作··········································································116海森堡致力于重建德国和欧洲的物理事业·····················································127拥有多种思维模式的海森堡·······································································138海森堡的成功因素···················································································149结束语··································································································15参考文献··································································································1631引言至今世界上获得诺贝尔物理学奖的有192人，而且每个人都有令人敬佩的地方，那么我们现在来了解一下1932年诺贝尔奖的获得者——韦纳·海森堡(WernerHeisenberg，1901-1976)。他是德国理论物理和原子物理学家、“哥本哈根学派”代表性人物。他于20世纪20年代创立的量子力学，可用于研究电子、质子、中子的运动，从而引发了物理界的巨大变化，开辟了20世纪物理时代的新纪元。为此，1932年，他获得诺贝尔物理奖[1]，成为继爱因斯坦（AlbertEinstein）和玻尔（NielsBohr）之后的世界级的伟大科学家。目前，国内方面已有不少介绍海森堡的文章，其中，杨鸽的文章生动而概括地介绍了海森堡的生平及物理贡献[2]。汪寅的文章介绍了海森堡哲学思想在物理学中的应用[3]。虽然这些文章中对海森堡有一定的介绍，但是这些文章由于篇幅有限没有对海森堡的生平、物理贡献等进行详细的展开论述，因此还有进一步研究的必要。我通过查阅相关资料，在回顾海森堡不平凡的一生的基础上，比较详细地介绍了他在量子力学方面以及核物理方面的贡献，进一步讨论他哲学思想在物理学中的应用，并对他的成功因素做一定的介绍。2海森堡生平及家庭海森堡1901年12月5日出生于德国维尔茨堡。他的父亲奥古斯都·海森堡(AugustHeisenberg)是史学教授、希腊语言学家，研究东罗马帝国史同时教授希腊语。他的母亲安娜·海森堡(AnnaHeisenberg)是一名化学家。他是家里的第二个孩子，有一个大他两岁的哥哥。海森堡5岁那年进入了乌兹伯格市的小学。由于他父亲是位老师，一直拿他和他哥哥来比较，想让他们互相竞争，共同成长。在父亲的眼中容不得自己的孩子学习成绩比其他人差。也的确是这样，他和他哥哥的学习成绩在班级里一直名列前茅。在小学老师的眼中，海森堡的理性成分比想象力更出色，并且极其自信，想做到非常出色。1911年，海森堡进入了慕尼黑的马科斯中学。在他中学学习的头3年中，海森堡的主要课程是拉丁文和数学。从第四年开始，他每周学习6学时的书面和口语的古典希腊语。3年以后，他开始每周2小时的物理学。在他中学最后一年中，他在单独一本物理4教材中学习了初等经典力学。海森堡给他的中学老师留下了深刻的印象。那时他正在学第二学期的中学物理课，并且开始对这门课程有了兴趣。虽然他的物理课本只要求代数知识，但是在他学习快结束的时候，海森堡却能够用微积分来推倒和求解书中的方程了。在他的期末考试中，海森堡演示了他刚学到的技巧。他用微积分求解了牛顿运动方程，使主考官大为惊讶。1920年，海森堡考入慕尼黑大学，物理并不是他的第一选择。当时他更倾向于学数学，于是父亲就带他去拜访了林德曼（Linderman）教授，可是这次拜访并不顺利。那时林德曼己经68岁而且有点耳聋了，根本就不明白海森堡在说什么，最后总结到海森堡非传统的数学方法不符合他的口味。这让海森堡很失望，并打消了学数学的念头，转而想学理论物理，于是父亲又带他拜访了索末菲（Sommerfeld）教授，由于接收了许多超常学生，年仅52岁的索末菲对海森堡的态度完全不同，他说：“也许你知道一些事，也许你什么也不知道，我们以后再看吧[4]。”在索末菲的理论物理讨论班上，海森堡遇到了像泡利（Pauli）这样志同道合的同学，加之名师的指导，于是很快就进入了状态，成了新生中最受索末菲器重的。1923年海森堡在慕尼黑大学索末菲的指导下获博士学位，同年赴格丁根随玻尔研究3年。1927年开始任莱比锡大学教授。他在慕尼黑大学开始学习和7年以后在莱比锡被任命为理论物理学教授的这段时间内，量子物理学经历了一次深刻的转变，从玻恩在1920年所称的无秩序转变到了玻恩和海森堡在1927年宣称已经完成的有秩序的体系。随后海森堡又于1942-1945年任柏林威廉物理研究所所长，第二次世界大战后任普朗克物理和天体物理研究所所长，1976年2月1日卒于慕尼黑。3海森堡与矩阵力学的诞生3.1海森堡矩阵力学的思想基础二十世纪初期，量子论经过普朗克（Planck）、爱因斯坦、玻尔等人多年的研究，虽尚未形成一个严密的理论体系，但不论是在基础理论还是研究的思想方法方面，都己打下了相当的基础。其中玻尔的对应原理，便是矩阵力学建立的一个重要思想基础和指导原则。对应原理是从玻尔的氢原子理论中概括出来的。玻尔认为，在极大量子数的态间的5跃迁，经典描述也应该是有效的。把原子作为周期系统来分析，其运动状态就可以用傅立叶级数描述为一系列谐振子的运动的迭加，极大量子数的态之间跃迁的频率，与经典频率之间存在着大致的倍数关系。因此在大量子数的情况下，可以直接用经典的振幅来计算量子跃迁的强度。玻尔把其意义推广，认为以前的经典规律之间存在着某种对应关系，前一类定律是后一类定律的极限或个别情况，这便是对应原理的实质。对海森堡矩阵力学休系的形成有重要作用的另一个方法论基础，是所谓“可观察性原则”。这个原则要求，在理论上应该抛弃那些原则上不可观测的量，而直接采用可以观测量来建立理论。对于原子结构这个微观系统，海森堡认为电子在原子中的轨道是观察不到的，但是从原子发出来的光，如它在放电过程中发出来的，是我们可以直接求出其频率及振幅，知道了振动数和振幅的全体，那就等于是在迄今的物理学中知道了电子的轨道。由于这个理论里只应接受可以观察的量，所以在我看来，很自然只有引进这个整体来作为电子轨道的代表。1925年当时年仅24岁的海森堡基于以上两个重要原则，在研究氢原子谱线强度公式过程中产生了一个具有历史意义的新思想：应该抛弃观察那些迄今不可观察的量(如电子的位置、周期等的希望，承认旧量子规则能和实验部分地符合不过是偶然的。而反过来更合理的是建立一个类似于经典力学的量子论(其中仅出现可观察量的关系)。并于1925年7月完成了被称之为“从黑暗通向新物理学之光道路上的转折点”的著名论文《关于运动学和动力学关系的量子论解释》。3.2关于运动学和动力学关系的量子论解释这篇论文公开发表在第3期《物理学杂志》上。它集中反映了海森堡矩阵力学的主要思想。论文包括一段引言和三节正文[5]。引言中海森堡指出，旧量子论中用以计算如氢原子能量这类可观测量的关系式中所出现的物理量(如旋转电子的位置、周期等，原则上都是不可观察的，因而缺乏严格的物理基础。为此，海森堡提出自己的目标，即是试图建立一个和经典力学类似的理论量子力学，而其中只有可观察量之间的关系式。在正文的第一节，海森堡讨论了运动学关系。他首先分析了经典力学中把坐标用振幅和频率表示的方式，即通过傅立叶级数表示为：tniwenAtnx)()(),((1)6在量子论中，他认为)(tx对应写成：tnniwennAtnx),(),(),((2)这里n是标志定态的参数，),(nn代表从n态跃迁到n态的幅度，于是),(nnw则代表跃近频率。海森堡这种代替的意义，就是以可观测的),(nn做为新量子论中的变量，从而附合可观察性原则的要求。然后海森堡做出了重要的一步，他提出经典电磁辐射公式中会出现位置矢量)(tx的高次幂项。那么在量子论中，这些高次项应是什么样子呢?于是他定义了量子论的2)(tx，对于经典理论显然有：tniwtniweAAenB))(()()((3)以使：tniwenBtx)(2)()((4)在量子力学中，海森堡提出代替(4)的乘法定则：tnniwtnniwennAnnAennB),(),(),(),(),(