维尔纳·海森堡（1932年诺贝尔物理学奖得主）
维尔纳·海森堡（1932年诺贝尔物理学奖得主）
| 中文名 | 维尔纳·卡尔·海森堡（Werner Karl Heisenberg） |
|---|---|
| 出生 | 1901年12月5日 德意志帝国维尔茨堡 |
| 逝世 | 1976年2月1日（74岁） 西德慕尼黑 |
| 国籍 | 德国 |
| 身份 | 物理学家 |
| 获奖年份 | 1932年 |
| 奖项类别 | 诺贝尔物理学奖 |
| 获奖理由 | 因创立量子力学——其应用促成了氢的同素异形体发现 |
生平
维尔纳·卡尔·海森堡1901年12月5日出生于德意志帝国巴伐利亚州维尔茨堡的一个学术家庭。父亲奥古斯特·海森堡是慕尼黑大学拜占庭史和中世纪希腊语教授。海森堡在慕尼黑马克西米利安文理中学接受教育，1920年进入慕尼黑大学师从阿诺德·索末菲，1923年在慕尼黑大学获博士学位，导师索末菲。随后赴哥廷根大学师从马克斯·玻恩，并在哥本哈根与尼尔斯·玻尔共事数月。
海森堡的学术生涯极为辉煌：1924年任哥廷根大学讲师和助教，1926年任哥本哈根大学理论物理学讲师（与玻尔共事），1927年任莱比锡大学理论物理学教授（26岁即成为德国最年轻的教授）。1941年至1945年任柏林威廉皇帝物理研究所所长，1946年后任哥廷根马克斯·普朗克物理研究所所长，1958年迁任慕尼黑。1976年2月1日在慕尼黑家中去世。
学术生涯
海森堡的学术成就可以分为几个关键阶段。
1925年，年仅23岁的海森堡创立了矩阵力学——量子力学的第一个完整数学框架。当时旧量子论（玻尔模型）在处理多电子原子等复杂系统时已陷入困境。海森堡另辟蹊径，主张理论应当只建立在可观测量的基础上（如原子光谱的频率和强度），而非不可观测的电子轨道。他引入非对易的数学量来描述物理变量——两个可观测量的乘积依赖于其相乘顺序（pq ≠ qp），这正是量子力学中不确定性关系的数学根源。玻恩和约当随后完善了这一矩阵力学形式。
1927年，海森堡提出了著名的"不确定性原理"（又称测不准原理）：对一个微观粒子的位置测量越精确，其动量的测量就越不精确，两者的不确定度乘积不低于ħ/2。更一般地，任何一对共轭物理量（如能量和时间）都存在类似的不确定性关系。这一原理不仅是量子力学的数学推论，更揭示了经典因果决定论在微观世界中的失效。
1928年至1932年间，海森堡在莱比锡继续作出了多项重要贡献：提出了铁磁性的量子理论（交换相互作用导致了铁磁序）；与合作者提出了质子和中子是同一"核子"的两种不同量子态（同位旋概念），为核物理奠定了基础；同年他还研究宇宙射线中的级联簇射现象。
获奖成就
1932年，瑞典皇家科学院授予海森堡诺贝尔物理学奖，"因创立量子力学——其应用促成了氢的同素异形体发现"。1932年的诺贝尔奖空缺空缺一年，海森堡实际上在1933年才收到奖章和奖金。尽管颁奖词提及"氢的同素异形体"，但海森堡获奖更核心的原因是创立了量子力学这一革命性理论。
历史贡献
海森堡对物理学的贡献是深刻而多方面的。
第一，矩阵力学。作为量子力学的两大数学形式之一，矩阵力学以完全抽象的方式描述了量子世界。它与薛定谔的波动力学等价，但在数学表达方式和哲学内涵上各有侧重。
第二，不确定性原理。这可能是海森堡最广为人知的贡献。它揭示了测量过程中观察者与被观察系统之间的不可避免的干扰，从根本上划定了经典因果律在微观领域的适用范围。
第三，同位旋概念（1932年）。海森堡将质子和中子视为同一粒子——核子——在某种抽象空间中的两种状态，这一概念后来成为粒子物理中对称性和群论方法的前驱。
第四，铁磁性理论（1928年）。海森堡用量子力学中的交换积分解释了铁磁性的起源，解决了经典物理学无法理解的自发磁化问题。
轶事典故
海森堡的不确定性原理是他"灵光一现"的产物。1927年2月的一个夜晚，海森堡在哥本哈根玻尔研究所的公园中散步时，突然想到如果不确定性关系的数学表述可以从矩阵力学中自然导出，这意味着微观因果律的终结。他兴奋地回到办公室，连夜计算到天亮，得出了Δx·Δp ≥ ħ/2的精确不等式。
海森堡在26岁时就成为莱比锡大学教授，是当时德国最年轻的教授。他的课堂充满活力，喜欢在讲课中即兴推导和思考，学生常被他活跃的思维和新颖的见解所折服。
二战后，海森堡被盟军拘禁在英国法姆厅（Farm Hall）。那里有十位德国核科学家被集中监禁。英国人在房间内安装了窃听器。1945年8月6日广岛原子弹爆炸的新闻传来后，窃听录音记录了海森堡关于原子弹物理可行性的惊愕讨论——他的口算显示原子弹所需的临界质量远超实际值，说明德国的铀工程与美国存在巨大的技术差距。
海森堡还是一位杰出的钢琴演奏家，曾多次与著名物理学家及哲学家谈论科学与音乐的关系。他撰写的《部分与整体》一书是关于科学家人生的哲理性自传。
参考文献
1. Heisenberg, W. (1925). Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen. Zeitschrift für Physik, 33(1), 879-893. 2. Heisenberg, W. (1927). Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik. Zeitschrift für Physik, 43(3-4), 172-198. 3. Cassidy, D. C. (1992). Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg. New York: W. H. Freeman. 4. Nobel Foundation. (1932). The Nobel Prize in Physics 1932: Werner Heisenberg. 5. 周世勋，《量子力学教程》，高等教育出版社，2009年。