维尔纳·海森堡。一位科学家的传记

海森堡·维尔纳·卡尔. 这位科学家的传记

伟大科学家的传记

Werner Heisenberg （1901 1976）。

维尔纳·海森堡 (Werner Heisenberg) 是获得诺贝尔奖的最年轻的科学家之一。目的性和强烈的竞争精神激励他发现了最著名的科学原理之一——不确定性原理。

维尔纳·卡尔·海森堡 (Werner Karl Heisenberg) 于 5 年 1901 月 1910 日出生于德国维尔茨堡市。维尔纳的父亲奥古斯特，由于成功的科学活动，成功地上升到了德国资产阶级上层阶级的代表水平。 XNUMX年，他成为慕尼黑大学拜占庭语言学教授。男孩的母亲名叫安娜·韦克莱因。

从维尔纳一出生，他的家人就坚定地认为，他也应该通过教育获得崇高的社会地位。他的父亲认为竞争应该有利于在科学上取得成功，因此激怒了维尔纳和他的哥哥欧文，进行了不断的竞争。多年来，男孩们经常打架，有一天，这种竞争把他们带到了一场如此激烈的战斗中，以至于他们用木椅互相殴打。长大后，他们各自走自己的路：埃尔文去了柏林，成为了一名化学家，除了罕见的家庭会议外，他们几乎没有交流。

1911 年 1920 月，维尔纳被送到著名的体育馆。 XNUMX年，海森堡进入慕尼黑大学。毕业后，维尔纳被任命为哥廷根大学 Max Born 教授的助理。玻恩确信原子微观世界与经典物理学描述的宏观宇宙如此不同，以至于科学家在研究原子结构时甚至不应该想到使用通常的运动和时间、速度、空间和粒子的某个位置的概念。微观世界的基础是量子，不应该试图从过时经典的视觉位置来理解或解释它。这种激进的哲学在他的新助手的灵魂中得到了热烈的回应。

确实，当时的原子物理学状态类似于某种假设。现在，如果有人可以通过经验证明电子确实是波，或者更确切地说，既是粒子又是波……但是还没有这样的实验。如果是这样，那么根据迂腐的海森堡的说法，仅从电子是什么的假设出发是不正确的。是否有可能建立一个理论，其中只有原子的已知实验数据，通过研究它发出的光而获得？你能肯定地说这盏灯是什么？它有这样那样的频率和那样那样的强度，不再......

根据量子理论，原子通过从一种能量状态传递到另一种能量状态而发光。而且根据爱因斯坦的理论，一定频率的光的强度取决于光子的数量。这意味着可以尝试将辐射强度与原子跃迁的概率联系起来。海森堡保证，电子的量子振荡只能借助纯数学关系来表示。只需为此选择合适的数学工具。这位年轻的科学家选择了矩阵。选择结果证明是成功的，很快他的理论就准备好了。海森堡的工作为微观粒子运动的科学——量子力学奠定了基础。

它根本没有提到电子的任何运动。前一种意义上的运动是不存在的。这些矩阵简单地描述了系统状态的变化。因此，关于原子稳定性、关于电子围绕原子核的旋转、关于其辐射的有争议的问题会自行消失。与海森堡力学中的轨道不同，电子的特征是一组或一组单独的数字，就像地图上的坐标一样。

不得不说，矩阵力学的出现非常恰逢其时。海森堡的思想被其他物理学家所接受，并且很快，根据玻尔的说法，它获得了“一种在逻辑完整性和普遍性上可以与经典力学相媲美的形式”。

然而，海森堡的作品中有一个令人沮丧的情况。据他说，他无法成功地从新理论中推导出简单的氢谱。当他的作品发表一段时间后，他的惊喜是什么……“泡利给了我一个惊喜：氢原子的完整量子力学。我在 3 月 XNUMX 日的回答是这样开头的：”几乎没有必要写下我对氢原子的新理论感到多么高兴，以及您能够如此迅速地发展它，我感到多么惊讶”。

几乎同时，英国物理学家狄拉克也在新力学的帮助下研究原子理论。海森堡和狄拉克都有极其抽象的计算。他们都没有具体说明所使用符号的本质。只有在计算结束时，他们的整个数学方案才给出了正确的结果。

海森堡和狄拉克在发展新力学中的原子理论时使用的数学工具对大多数物理学家来说既不寻常又复杂。更不用说他们中没有一个人不习惯波是粒子，粒子是波的想法。怎么想象这样的狼人？

当时在苏黎世工作的欧文·薛定谔从完全不同的角度和不同的目标来处理原子物理问题。他的想法是任何运动的物质都可以被认为是波。如果这是真的，那么薛定谔正在把海森堡矩阵力学的基础变成完全不可接受的东西。

1926 年 XNUMX 月，薛定谔发表了一个证明，证明这两种相互竞争的方法在数学上本质上是等价的。海森堡和其他矩阵力学的追随者立即开始为他们的概念辩护，双方都呈现出越来越情绪化的色彩。为了捍卫这种方法，他们赌上了自己的未来。另一方面，薛定谔冒着名誉的风险拒绝承认离散和量子跃迁这些看似不合理的概念，并回归到连续、因果和理性波动的物理定律。双方都不愿意做出让步，这意味着承认对手的专业优势。量子力学的本质和未来方向突然成为科学界争论的话题。

海森堡的职业抱负的出现进一步加剧了这种冲突。就在薛定谔发表两种方法等效性的证明前几周，海森堡辞去了莱比锡大学的教授职位，转而与哥本哈根的玻尔合作。持怀疑态度的维尔纳的祖父韦克莱因急忙赶到哥本哈根，试图说服他的孙子放弃他的决定。正是在这一点上，薛定谔关于两种方法等价的工作出现了。来自韦克莱因和薛定谔对矩阵物理学基础的挑战的新压力促使海森堡加倍努力，并尝试在如此高的水平上完成这项工作，以使其被专家广泛接受，并最终在其他部门获得一席之地。

然而，至少在 1926 年发生的三件事让他感到自己的想法和薛定谔的观点之间存在巨大的鸿沟。其中第一个是薛定谔于 XNUMX 月底在慕尼黑举办的一系列讲座，专门介绍他的新物理学。在这些讲座中，年轻的海森堡向拥挤的听众争辩说，薛定谔的理论并不能解释某些现象。然而，他未能说服任何人，并在沮丧的状态下离开了会议。然后，在德国科学家和医生的秋季会议上，海森堡目睹了对薛定谔观点的完全支持，而且在他看来，支持是错误的。

最后，在 1926 年 XNUMX 月的哥本哈根，玻尔和薛定谔之间爆发了一场讨论，双方都没有成功。结果，人们认识到，现有的对量子力学的解释都不能被认为是完全可以接受的。

出于个人、专业和科学等各种动机的驱动，海森堡在 1927 年 XNUMX 月出人意料地给出了必要的解释，制定了不确定性原理，并且不怀疑其正确性。

在 23 年 1927 月 XNUMX 日给泡利的一封信中，他给出了文章“关于运动学和机械关系的量子理论解释”的几乎所有基本细节，该文章恰好在一个月后发表，专门讨论不确定性原理。

根据测不准原理，同时测量两个所谓的共轭变量，例如运动粒子的位置（坐标）和动量，不可避免地会导致精度的限制。粒子的位置测量得越准确，其动量的测量精度就越低，反之亦然。在极限情况下，绝对准确地确定一个变量会导致在测量另一个变量时完全缺乏准确性。

不确定性不是实验者的错：它是量子力学方程的基本结果，也是每个量子实验的特征。此外，海森堡表示，只要量子力学有效，就不能违反测不准原理。自科学革命以来，一位著名物理学家第一次宣称科学知识是有限度的。

海森堡的不确定性原理与尼尔斯·玻尔和马克斯·玻恩等杰出人物的思想一起，进入了“哥本哈根解释”的逻辑封闭体系，海森堡和玻恩在 1927 年 XNUMX 月世界主要物理学家会晤之前，宣布完全完备和不可改变的。这次会议是著名的索尔维大会的第五次会议，仅在海森堡成为莱比锡大学理论物理学教授几周后举行。年仅二十五岁的他成为德国最年轻的教授。

海森堡是第一个提出关于不确定性原理与经典因果关系概念的关系的最深刻后果的清晰结论。

因果原则要求每一个现象都先有一个单一的原因。这个命题被海森堡证明的不确定性原理所否定。现在和未来之间的因果联系消失了，量子力学的定律和预测本质上是概率性的或统计性的。

没过多久，海森堡和其他“哥本哈根人”就将他们的学说传达给了那些没有参加过欧洲机构的人。在美国，海森堡发现了一个特别有利于新信徒转变的环境。 1929年与狄拉克一起环游世界时，海森堡在芝加哥大学开设了一门关于“哥本哈根主义”的讲座，对听众产生了巨大的影响。海森堡在他的演讲序言中写道：“如果这本书有助于确立量子理论的哥本哈根精神......这为现代原子物理学的一般发展指明了道路，则可以认为本书的目的已经实现。”

当这种“精神”的“承载者”回到莱比锡时，他早期的科学工作在专业活动领域得到了广泛认可，使他在社会和科学界都获得了很高的地位。 1933年，他的作品与薛定谔和狄拉克一起获得了最高荣誉——诺贝尔奖。

五年内，海森堡研究所创造了最重要的固晶态、分子结构、原子核辐射散射和原子核质子-中子模型等量子理论。他们与其他理论家一起向相对论量子场论迈出了一大步，为高能物理领域研究的发展奠定了基础。

这些成就吸引了许多最优秀的学生来到像海森堡研究所这样的科学机构。他们在“哥本哈根主义”的传统中长大，形成了新一代占主导地位的物理学家，他们在希特勒上台后的 XNUMX 年代将这些思想传播到世界各地。

尽管海森堡今天被理所当然地认为是我们这个时代最伟大的物理学家之一，但同时他在希特勒上台后的许多行为也受到了批评。海森堡从来都不是纳粹党的成员，但他拥有很高的学术地位，是被占领土上德国文化的象征。从 1941 年到 1945 年，海森堡担任威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。他一再拒绝移民的提议，领导了第三帝国感兴趣的铀裂变的主要研究。

战争结束后，这位科学家被捕并被送往英国。海森堡对自己的行为给出了各种解释，这进一步导致了他在国外的声誉下降。他的国家忠实的儿子海森堡成功地洞悉了大自然的秘密，却未能辨别和理解德国陷入的悲剧的深度。

1946年，海森堡回到德国。他成为物理研究所所长和哥廷根大学教授。自 1958 年以来，这位科学家担任物理大学和天体物理学部主任，以及慕尼黑大学教授。

近年来，海森堡致力于建立统一场论。 1958年，他量化了伊万年科的非线性旋量方程（Ivanenko-Heisenberg方程）。他的许多著作都致力于物理学的哲学问题，特别是知识论，他站在唯心主义的立场上。

海森堡于 1 年 1976 月 XNUMX 日在慕尼黑的家中死于肾癌和胆囊癌。

作者：萨明 D.K.

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