1927年2 月，年輕的海森堡提出了量子理論中的一個(gè)重要原理——測(cè)不準(zhǔn)原理，涵義極為深遠(yuǎn)。
海森堡
1901年12月，海森堡誕生于德國(guó)一個(gè)中上階級(jí)的學(xué)術(shù)家庭。幼年時(shí)期，他喜歡數(shù)學(xué)和科技小制作，老師們都認(rèn)為他極有天賦。1920年時(shí)，他到慕尼黑大學(xué)就讀，在大師索末菲的指導(dǎo)下，兩年內(nèi)就發(fā)表了四篇物理論文。泡利（1945年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)）當(dāng)時(shí)也就讀于慕尼黑大學(xué)，且僅大海森堡一歲，所以兩人成了討論專業(yè)的朋友。雖然海森堡因必考的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題表現(xiàn)不佳而差一點(diǎn)無(wú)法通過(guò)口試，但他還是于1923年獲得了博士學(xué)位，論文討論的是流體力學(xué)上的一個(gè)問(wèn)題。在得到博士學(xué)位后，他到哥廷根做玻恩（1954年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主）的助理，之后又到哥本哈根玻爾（1922年獲得諾貝爾獎(jiǎng)）所主持的研究所跟隨他一起做了一年的研究。
20世紀(jì)20年代初期盛行的量子論，將原子塑造成是電子沿著固定量子化的軌道繞著一個(gè)原子核運(yùn)行，電子可以通過(guò)吸收或釋放出光子而移至更高或更低的能級(jí)。這個(gè)模式對(duì)氫原子很適用，但當(dāng)面對(duì)較大些的原子或分子時(shí)則出現(xiàn)了問(wèn)題，所以物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到應(yīng)該需要一個(gè)新的理論了。
海森堡反對(duì)當(dāng)時(shí)的模型，他認(rèn)為既然無(wú)法實(shí)際觀察到電子繞著原子核的軌道，就不能說(shuō)這些軌道真實(shí)存在，我們只能觀察到被原子釋放或吸收的光譜而已。自1925年起，海森堡開(kāi)始嘗試著尋找一種能夠僅依賴于可觀測(cè)性質(zhì)的量子力學(xué)，或者其性質(zhì)至少是從理論上可觀測(cè)的。
在與志同道合的研究者的共同努力下，海森堡提出了一個(gè)量子力學(xué)的新方法。他討論的對(duì)象仍然是位置、速度等物理量，但卻用新方法對(duì)它們重新加以表示和運(yùn)算。海森堡所采用的數(shù)學(xué)方法為矩陣，這個(gè)新的表述方式可用以說(shuō)明許多已觀察到的原子特性。
在海森堡建立了以矩陣為基礎(chǔ)的量子力學(xué)后不久，薛定諤也提出了他的波動(dòng)理論表述方式。薛定諤波函數(shù)的絕對(duì)值的平方很快地被解釋為在某種狀態(tài)中找到粒子的幾率，而他也很快地證明了他的波動(dòng)表述方式和海森堡的矩陣方法在數(shù)學(xué)上是相等的。而薛定諤的方法更受歡迎，這是因?yàn)橄噍^于不熟悉的矩陣數(shù)學(xué)，物理學(xué)家還是比較習(xí)慣使用描述波動(dòng)的數(shù)學(xué)。
1933年狄拉克（右三，1932年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）、海森堡（右二，1932年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）和薛定諤（右一，1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）拍攝于斯德哥爾摩火車(chē)站。海森堡穿著正式的套裝，臉上帶著一種幾乎像是厭惡的表情。薛定諤則穿著當(dāng)時(shí)最華麗的服裝，咧嘴大笑，似乎正在度過(guò)他生命中最美好的時(shí)光。
雖然科學(xué)家也許覺(jué)得波動(dòng)的方法比較容易使用，但海森堡的矩陣力學(xué)卻很自然地讓他發(fā)展出了測(cè)不準(zhǔn)原理，也因此聲名大噪。在矩陣數(shù)學(xué)中，交換律a×b＝b×a并非必然成立。對(duì)于不可交換的變量組， 例如位置和動(dòng)量q×p ≠p×q，或是能量和時(shí)間E×t≠t×E，就意味著兩個(gè)物理量之間存在不確定關(guān)系。
不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)位置和動(dòng)量嗎？
海森堡還做了一個(gè)思考性的實(shí)驗(yàn)，他設(shè)想γ 射線顯微鏡來(lái)測(cè)量電子的位置。用來(lái)照亮電子的高能量光子會(huì)使電子產(chǎn)生反沖，而使其動(dòng)量有一定的改變，由于分辨率愈高的顯微鏡需要愈高能量的光，對(duì)電子的反沖作用愈強(qiáng)。海森堡由此推測(cè)，位置測(cè)定得越準(zhǔn)確，動(dòng)量的測(cè)定就越不準(zhǔn)確，反之亦然。這種不確定性是量子力學(xué)的一個(gè)基本特點(diǎn)，并非受限于任一特別的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。海森堡在1927年2 月23日寄給給泡利的信中將新原理概略地寫(xiě)出來(lái)。同年3月，他將測(cè)不準(zhǔn)原理的論文投寄發(fā)表。玻爾指出了海森堡思考性實(shí)驗(yàn)中的一些錯(cuò)誤，但同意測(cè)不準(zhǔn)原理本身是正確的，所以將論文刊登了出來(lái)。此新原理有很深的意義。以前大家認(rèn)為只要知道任一時(shí)間中粒子的位置與動(dòng)量，以及所有作用在其上的力，就可以至少在理論上預(yù)測(cè)未來(lái)任一時(shí)間的位置與動(dòng)量。海森堡發(fā)現(xiàn)并非如此，因?yàn)槲覀兘^對(duì)無(wú)法真的同時(shí)知道粒子確切的位置和動(dòng)量。
量子物理學(xué)家不是完全隱蔽的觀鳥(niǎo)者
真是不可思議！
測(cè)不準(zhǔn)原理很快地成了廣為大家接受的哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)詮釋的部分基礎(chǔ)，那年秋天海森堡和玻恩在布魯塞爾所舉辦的索爾維會(huì)議中共同宣布了量子革命的完成。
1927 年秋天，海森堡接受萊比錫大學(xué)的教授職位，讓他成了德國(guó)最年輕的正教授。1932年他因量子力學(xué)的研究獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。海森堡在德國(guó)繼續(xù)他的科學(xué)研究。第二次世界大戰(zhàn)期間，雖然他不是納粹黨員，但他是一位愛(ài)國(guó)的德國(guó)公民，所以成了德國(guó)核計(jì)劃的領(lǐng)導(dǎo)者，不過(guò)他研制原子彈的努力最后宣告失敗。海森堡此一行為和動(dòng)機(jī)從此一直是爭(zhēng)論性的話題。海森堡于1976年過(guò)世。
本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》2010年第1期 時(shí)光摘編
本文轉(zhuǎn)自“現(xiàn)代物理知識(shí)”公眾號(hào)。
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