43. 沃纳·海森堡

　　43. 沃纳·海森堡

　　[美]迈克尔·H·哈特 著 苏世军 周宇 译

　　公元1901～公元1976

　　德国物理学家沃纳·卡尔·海森堡由于在取得整个科学史上的最重要的成就之──量子力学的创立中所起的作用，于1932年获得诺贝尔物理奖。

　　力学是研究物体运动普遍规律的物理学分支。它是物理学的最基本分支，又是最基础学科。在20世纪初的年月里，人们逐渐认识到公认的力学定律不能描写极其微小物体如原子和亚原子粒子的行为;他们对此感到迷惑不解，忐忑不安，因为公认的定律应用于宏观物体(即比个体原子大得多的物体)时是白璧无瑕，完美无缺的。

　　1925年，沃纳·海森堡提出了一个新的物理学说，一个在基本概念上与经典牛顿学说有着根本不同的学说。这个新学说──在海森堡的继承人做了某些修正后──取得了光辉的成果，今天被公认为可以应用于所有的物理体系，而不管其类型如何或规模大小。

　　用数学能演证出：在只涉及宏观体系的情况下，量子力学的预测不同于经典力学的预测，不过由于两者在量上差别太小而无法度量出来(由于这种原因，经典力学── 在数学上比量子力学简单得多──仍可用于大多数的科学运算)。但是在涉及原子量纲体系的情况下，量子力学的预测与经典力学的预测迥然各异;实验表明在这样的情况下，量子力学的预测是正确的。

　　海森堡学说所得出的成果之一是著名的“测不准原理”。这条原理由他在1927亲自提出，被一般认为是科学中所有道理最深奥、意义最深远的原理之一。测不准原理所起的作用就在于它说明了我们的科学度量的能力在理论上存在的某些局限性，具有巨大的意义。如果一个科学家用物理学基本定律甚至在最理想的情况下也不能获得有关他正在研究的体系的准确知识，那么就显然表明该体系的将来行为是不能完全预测出来的。根据测不准原理，不管对测量仪器做出何种改进都不可能会使我们克服这个困难!

　　测不准原理表明从本质上来讲物理学不能做出超越统计学范围的预测(例如，一位研究放射的科学家可能会预测出在三兆个原子中将会有两百万个在翌日放射Υ射线，但是他却无法预测出任何一个具体的镭原子将会是如此)。在许多实际情况中，这并不构成一种严重的限制。在牵涉到巨大数目的情况下，统计方法经常可以为行动提供十分可靠的依据;但是在牵涉到小数目的情况下，统计预测就确实靠不住了。事实上在微观体系里，测不准原理迫使我们不得不抛弃我们的严格的物质因果观念。这就表明了科学基本观发生了非常深刻的变化;的确是非常深刻的变化以致于象爱因斯坦这样的一位伟大的科学家都不愿意接受。爱因斯坦曾经说过：“我不相信上帝在和宇宙投骰子。”然而这却基本上是大多数现代物理学家感到必须得采纳的观点。

　　显而易见，从某种理论观点来看，量子学说改变了我们对物质世界的基本观念，其改变的程度也许甚至比相对论还要大。然而量子学说带来的结果并不仅仅是人生观的变化。

　　在量子学说的实际应用的行列之中，有诸如电子显微镜、激光器和半导体等现代仪器。它在核物理学和原子能领域里也有着许许多多的应用;它构成了我们的光谱学知识的基础，广泛地用于天文学和化学领域;它还用于对各种不同论题的理论研究，诸如液态氦的特性、星体的内部构造、铁磁性和放射性等等。

　　沃纳·海森堡于1901年出生在德国，1923年在慕尼黑大学获得理论物理学博士学位。从1924年到1927年他在哥本哈根与伟大的丹麦物理学家尼尔斯· 玻尔共事。他的关于量子力学的第一篇重要论文发表于1925年，他对测不准原理论述的结果于1927年问世。海森堡1976年溘然长逝，享年七十四岁，他留下了妻子和七个儿女。

　　就量子力学的重要性而论，读者可能要问为什么不把海森堡的名次在本册中排得更加高些。然而海森堡并不是量子力学创立中的唯一重要的科学家，为此做出了有深远意义贡献的有他的前辈马克斯·普朗克、阿伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔和法国科学家路易·德·布罗格利。此外，在海森堡的那篇具有独创性的论文发表不久以后的年月里，许多其他科学家其中包括奥地利人欧文·施罗丁格和英国人P·A·M迪拉克都对量子学说做出了重要的贡献。但是我认为海森堡是量子力学创立中的主要人物，即使按劳分功，他的贡献也理应使他在本册中名列高位。