维尔纳·海森伯—

维尔纳·海森伯1901—1976

不确定性大师

如果一辆小轿车朝一堵坚实的墙驶去，其结果是小轿车面目全非，而墙体本身最多就留下点儿划痕，一般情况下就是这样。然而，计算出小轿车穿过墙体但却毫发无损的可能性则是物理系学生们经常要做的作业之一。出乎常人的预料，诸如汽车穿过墙体这类看上去荒谬的命题完全可能具有重大意义，而许多自然现象是物理系学生用日常思维所无法理解的。

■维尔纳·海森伯，1970年前后。“我们整天谈论量子理论，满脑子都是量子理论的成功和它的内在矛盾”维尔纳·海森伯这样描绘他在哥廷根的学生时代

这种认知应归功于维尔纳·海森伯。维尔纳·海森伯是量子力学的奠基人之一，量子力学是一种全新的自然现象诠释方法，类似爱因斯坦的相对论，量子力学彻底颠覆了物理学界的习惯思维，完全改变了人类的物理世界观。

上世纪初期，人类对原子的认识越来越精辟深入，并要求用新的理论来解释各种新的实验发现，经典物理学受到冲击并开始动摇。尼尔斯·玻尔的原子结构学说第一次解释了经典物理所无法理解的自然规律。但随着时间的推移，玻尔于1913年提出的原子模型也越来越显得乏力和不足，许多现象仍无法得到解释。1925年，二十四岁的维尔纳·海森伯提出了一个新的物理学说，突破了把原子比作太阳系，电子在重核周围的轨道上旋转的经典物理学说。

与经典物理学说不同，海森伯更注重可测得的量值，例如在原子辐射范围内出现的光谱频率。由于这种新的力学理论在玻尔原子模型中对电子的“量子跃迁”做了最佳的描述，这一新理论被称为“量子力学”。

■四位诺贝尔奖得主（从左到右）维克托·赫斯，维尔纳·海森伯，卡尔·安德松和阿瑟·康普顿在谈论一台用来测量宇宙射线的仪器，芝加哥，1939年

提出这种新的理论需要有足够的勇气，因为它打破了人们已习惯了的运算定律：这一理论的主要量值无法像一般数值那样相乘，其结果要取决于乘法的顺序。举例来说就是A乘以B或B乘以A的结果会不一样。这并不是数学上的一种小把戏，它揭示了一个迄今为止鲜为人知的自然界现象：原子微观世界的定律显然不同于经典的“宏观”世界的定律，特别是不同量值的测量（如量子力学粒子的位置或动量）不可能再被互换了。第一次测量改变了粒子（系统）的状态，于是，接下来对另外一个量值的测量就会得出不同于直接测量时的结果。

1927年，海森伯第一次描述了不确定关系，详细论述了不同测量值的不可互换性。根据这一理论，在同一时间不可能精确地测量出一个粒子的位置和动量。在精确测量粒子位置的同时，测量粒子的动量是没有意义的，反之亦然。不确定关系从数学上讲是一个不等式：两种测量的不确定度之积大于普朗克常数。

■哈格劳赫的原子地窖博物馆原子反应堆的复制件。1944—1945年，德国的核物理学家们在哈格劳赫城堡教堂的岩石地窖里从事从核裂变中获取能量的研究试验，他们中有海森伯、博特、魏茨泽克和容克

量子无处不在，但经典力学的追随者们却很难接受这一理论。解释这一理论对于它的发明者不是件容易的事，他们花了几年的时间对此展开讨论，特别是在尼尔斯·玻尔的哥本哈根物理研究所，由此诞生了量子力学的“哥本哈根解释”。但两位量子力学的奠基人海森伯和玻尔却从未对“哥本哈根解释”作过清晰的描述。撇开其哲学性阐述不说，“哥本哈根解释”汇集了大量实验结果并回答了当时许多未知的问题，消除了人们对量子力学正确性的疑虑。继海森伯后，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔以完全不同的数学论证得出了相同结果。薛定谔方程将量子力学体系作为波动来描述，波动的强度表示体系存在的可能性大小。这也解释了前面提出的看似毫无意义的汽车穿过墙体的问题：人们不能把量子体系看作具有固定的位置，在某种程度上，量子体系无处不在，也就是说在墙体后面也存在，只有对其位置进行测量，才能确定体系的状态并认定它位于墙体的哪一边。

■1958年4月25日，海森伯（讲台旁）在西柏林议会大厅纪念马克斯·普朗克诞辰100周年的庆典上讲解他那颇受争议的“宇宙公式”，墙上是他于1958年2月28日首次发表的“宇宙公式”的投影。这一关于最小粒子的理论将广义相对论和量子理论结合起来，形成了场理论，这一理论后来不为人们所重视

认为物理体系本身没有可测量的特性，只有通过测量才能获得这种特性的思想——即从一种潜在的状态到一种现实的状态——对当时乃至今天的许多物理学家来讲都是很难理喻的。特别是爱因斯坦不愿认同这种世上的巧合因素（“上帝不会掷骰子”），他认为量子力学是一种不完整的理论，并不断试图通过新的例子来说明量子力学理论的内在矛盾性，但爱因斯坦最终还是徒劳无获。假如这位天才科学家能看到最近几十年来所做的大量实验结果的话，可能也不得不为此折服。

难以置信的幽灵

常理无法解释的一个量子理论现象就是所谓的幽灵式超距作用。量子体系中的各个部分不会忘记它们共同的初始状态，即使它们在空间上相距十分遥远时也是如此。根据这一现象所得出的推论是，在对物体的一个部分进行测量时，相距遥远的物体的另一部分就不可避免地要受到影响。今天，人们利用这种已经实验证明的物质特性来制造新一代计算机，即所谓的量子计算机。

鉴于在量子力学理论上所取得的巨大成就，维尔纳·海森伯在1932年获得了诺贝尔物理奖，年仅三十岁就得到了其他许多物理学家一辈子都梦寐以求的荣誉。这以后海森伯致力于核物理和原子核的研究，并成为由德国科学家组成的铀协会的领军人物，铀协会当时的一个主要任务是对1939年发现的铀裂变作技术可靠性测试。

■海森伯（左）和尼尔斯·玻尔在日内瓦核科学家大会上，1952年

第二次世界大战以后，海森伯一直面对这样一个问题：为什么德国物理学家没有建造核反应堆并制造出德国的原子弹？这位测不准原理的发现者在这个问题上自己也“测不准”了。铀协会当时名义上由铀裂变的最终发现者奥托·哈恩领导，但技术上则完全由才华出众的海森伯主管，有关的科研分别在9个实验室里进行，当时虽然有了建造核反应堆的设想，但海森伯在建造思路上犯了错误，以至于德国铀反应堆的设计遥遥无期。第二次世界大战结束后，海森伯和他的同事卡尔·冯·魏茨泽克力图给人们留下他们为了阻止希特勒得到原子弹而故意拖延反应堆建造时间的影响，但英国监听到的两人在拘留期间与德国科学家之间的谈话却表明情况并非如此。在监听录制的谈话中，海森伯对美国在日本广岛和长崎投下的原子弹不但不感到吃惊，反而对美国是怎样成功地制造出原子弹表示出浓厚的兴趣。对海森伯的怀疑是无法消除的：他想造原子弹，但没造出来，这是人类之大幸。

神秘的造访

长期以来，维尔纳·海森伯在制造德国原子弹上的角色一直扑朔迷离 ，他于1941年在哥本哈根对尼尔斯·玻尔的造访更成为一段传奇。据说海森伯当时是应德国大使馆之邀前往哥本哈根做一个报告，他利用这个机会与他的朋友和以前的导师尼尔斯·玻尔作了一次长谈谈话内容无人知晓。事后海森伯称，他就德国制造原子弹一事安慰了玻尔，但玻尔在与海森伯举行会谈后却显得忐忑不安，并促使美国曼哈顿项目加快了研制原子弹的步伐。

维尔纳·海森伯

生平与学术生涯

维尔纳·海森伯于1901年12月5日出生于德国的魏尔茨堡。1909年全家移居慕尼黑。海森伯学生时代就才华出众，特别是在数学方面显示出了极高的天赋。由于第一次世界大战的战乱，他直到1920年才中学毕业，之后在慕尼黑攻读理论物理和数学。大学第三年他就完成了博士论文，并于1924年获得大学教授资格，这以后他先后在哥廷根担任马克斯·博恩的助教并在哥本哈根尼尔斯·玻尔的研究所任教。1928年，海森伯在莱比锡第一次担任教授职位，1937年应召赴慕尼黑，但遭到纳粹分子的阻挠而未能成行，原因是海森伯支持爱因斯坦相对论这样的“犹太物理学”。1942年他应召进入柏林威廉皇家学会。这期间他创立了量子力学理论并因此于1932年获得了诺贝尔物理奖。他于1927年发表的测不准原理使他一举成名。第二次世界大战期间，他是从事德国核反应堆建设的铀协会的领导成员，因此战后他被短时间拘留在英国。他在德国研制原子弹一事上所扮演的角色至今仍无定论。1946年，他出任哥廷根威廉皇家学会物理研究所所长一职，这个研究所不久后更名为马普学会物理和天体物理研究所。1958年，海森伯随研究所一起搬迁到慕尼黑，之后他一直在慕尼黑工作，直到1970年退休。海森伯是一名优秀的钢琴家，在一次私人音乐会上他认识了伊丽莎白·绪斯特，两人于1937年结婚，生有7个孩子。在问及他为什么在得到那么多国际邀请的情况下仍没有离开纳粹德国时，海森伯总是把这个大家庭作为未出走的原因。战后海森伯致力于基本粒子的理论研究，但收效甚微。1976年1月1日，维尔纳·海森伯在慕尼黑死于癌症。

相关知识

不确定关系

不确定关系常被借助思维实验来加以形象化（海森伯自己也经常借助这种手段）。如果想用显微镜来精确地测量出电子的位置，就必须有灯光照明，但这样一来电子就会碰到光微粒，从而使其动量发生变化。实际上，这种形象化思维具有误导性，因为它们一直没有跳出经典的世界观，比如认为电子处在某个地方，并被光微粒捕捉到从而离开轨道。这样就使人产生了一种错觉，认为位置和动量两者不能精确确定的原因在于测量技术本身的不足。事实上并非如此，不确定性是根本性的，任何一种测量都不可能逾越测不准原理。

推荐

阅读：

《局部和整体》，维尔纳·海森伯著，München 2001

《1918—1945年，艰难时期与父母的通信》，维尔纳·海森伯著，Müenchen 2003

《维尔纳·海森伯》， Ernst P.Fischer著，München 2002

《海森伯》（海森伯著作选），王忠、汪寅主编，上海交通大学出版社2007

《海森伯传》， David C. Cassidy著，戈革译，商务印书馆2002

《哥本哈根：海森伯与玻尔的一次会面》（两幕科学史话剧），Michael Frayn著，戈革译，上海科学技术出版社2004

参观：

德国哈格劳赫市原子地窖博物馆维尔纳·海森伯展厅

点评

维尔纳·海森伯的量子力学理论使经典物理经历了一场革命。作为德国原子弹制造的主要负责人，他使世界避免了一场大灾难，是出于无能还是故意所为至今仍是个谜团。