Werner Heisenberg 维尔纳-海森堡

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1 Werner Heisenberg 维尔纳-海森堡
1932年诺贝尔奖 Werner Heisenberg 维尔纳-海森堡

2 1932年诺贝尔物理学奖授予德国莱比锡大学的海森堡（Wemer Heisenberg，1901——1976），以表彰他创立了量子力学，尤其是它的应用导致了发现氢的同素异形体。

3 量子力学 量子力学的创立是二十世纪物理学发展的一个重要里程碑，它是研究原子、分子、凝聚态物质以至原子核和基本粒子的结构和性质的基础理论，是在十九世纪末、二十世纪初对微观现象进行越来越深入的探讨得出的基本理论总结。从1900年普朗克提出能量子假设开始，旧量子论逐步建立，并在遇到一系列矛盾后迫使人们采用崭新的表述方法来描述微观领域的规律。在这中间，海森伯作出了杰出贡献。他率先从修改经典分析力学的途径建立了矩阵力学。这是量子力学的一种形式。第二年，薛定谔从另一条途径达到了同一目标，这就是波动力学。波动力学根据的是微观粒子的波粒二象性。他们的工作很快就得到了普遍承认，因此海森伯和薛定谔先后于1932年和1933年荣获诺贝尔物理学奖。

4 生平及贡献 海森伯1901年12月5日出生于德国维尔兹堡一位教古希腊语言的中学教师家庭里，他从小就受到家庭在古代文学方面的熏陶，1920年中学毕业，进慕尼黑大学学习理论物理学，在名师索末菲（A.J.W.Sommerfeld）指导下，第一学期就在解释反常塞曼效应的谱线中首先引进了半量子数，而当时人们都认为量子数应该是整数。第二学期他结合听流体力学课，写出了一篇关于卡门涡流的绝对大小的论文，深得索末菲赞誉。索末菲决定要他在原子物理学和流体力学两方面有所建树。

5 1922年6月格丁根大学的玻恩和弗兰克邀请哥本哈根的尼尔斯·玻尔作一系列关于原子物理和元素周期表的演讲。索末菲应邀参加，并带了海森伯和另一名学生泡利（W.Pauli）一同前去。每次演讲后都进行热烈的讨论，而在一次讨论中，当时年仅20岁的海森伯竟站起来对玻尔的某些论点提出异议，并勇敢地进行辩论。讨论结束时玻尔约他当日下午一同去散步，以便继续讨论。这次与玻尔在散步中的长时间谈话，对海森伯启发很大。海森伯后来说，这次散步是他科学上成长的起点。

6 玻尔对这位年轻的学者印象深刻，邀请他和泡利在适当的时候到哥本哈根去作研究。1922年海森伯应邀前去，开始了他们之间的长期合作。1924年海森伯又到哥本哈根跟尼尔斯·玻尔和克拉默斯（H.A.Kramers）合作研究光的色散理论。 从1922年起，海森伯除1923年夏季一个学期回慕尼黑以“关于流体流动的稳定性和湍流”一文考取博士学位，和1924年冬一个学期在哥本哈根尼尔斯·玻尔那里工作外，到1926年夏一直在格丁根跟玻恩工作，并在1924年7月以“关于量子论的形式规律在反常塞曼效应问题上的更改”一文升为讲师。

7 1925年初夏海森伯从哥本哈根回格丁根后，试图用实验所能观察的光谱线的频率和强度（即振幅）的整体来代替看不见的电子轨道，以计算氢原子谱线的强度。考虑到这个方法在数学上过于复杂，他就改用一个比较简单的非谐振子进行计算。正在这时候，他患了枯草热病，告假去北海赫耳戈兰岛休养。这就给了他专心计算的机会。结果证明，这种只用可观察量的处理方法是可行的。回格丁根后就写成了奠定量子力学基础的“关于运动学和力学关系的量子论新释”一文发表。

8 但是令海森伯奇怪的是，这样做的结果，计算中的乘法却是不可对易的。当时他还不知道这就是矩阵运算，于是他把论文拿给著名物理学家玻恩（M
但是令海森伯奇怪的是，这样做的结果，计算中的乘法却是不可对易的。当时他还不知道这就是矩阵运算，于是他把论文拿给著名物理学家玻恩（M.Born），请教他有没有发表价值。玻恩开始也感到茫然，经过几天的思索，玻恩记起了这正是大学学过的矩阵运算，认出海森伯用来表示观察量的二维数集正是线性代数中的矩阵。从此以后，海森伯的新理论就叫《矩阵力学》。

9 玻恩认识到海森伯的工作有重要意义，立即推荐发表，并着手运用矩阵方法为新理论建立一套严密的数学基础。一次偶然的机会，玻恩遇见了年轻的数学家乔丹，乔丹正是这方面的内行，欣然应允合作。1925年9月，他们两人联名发表了“论量子力学”一文，首次给矩阵力学以严格表述。 接着，玻恩、约丹和海森伯三人合作，又写了一篇论文，把以前的结果推广到多自由度和有简并的情况，系统地论述了本征值问题、定态微扰和含时间的定态微扰，导出了动量和角动量守恒定律，以及强度公式和选择定则，还讨论了塞曼效应等问题。

10 矩阵力学和波动力学问世不久，薛定谔就证明了，矩阵力学和波动力学在内容上是完全等价的，只是表述形式有所不同而已。这时，量子力学的数学形式虽已得到，但其物理意义还不清楚。1927年海森伯终于从量子力学得出了不确定关系。这一关系也可称为海森伯不确定原理。它和玻恩的波函数几率解释一起，奠定了量子力学诠释的物理基础。

11 思想和为人 海森伯的方法是从直觉出发建立物理概念。他善于抓住现象的本质而把数学的严格性放在第二位。在他看来重要的是，对于所发现的现象也应该用非同一般的语言来加以阐述，并且非常认真地对待他自己的这种看法。他好谈哲学，但不是一个专业哲学家。他的哲学研究是同现代物理学的研究结合起来的，因而显得生动而富有活力。 海森伯为人善良、活泼、乐观，和蔼可亲，容易接近，喜欢运动，青年时常和同伴作徒步旅行，他爱好音乐，经常与音乐爱好者举行家庭音乐会。他留下的著作有《量子论的物理原理》、《原子核物理》，演讲集《严密自然科学基础的变化》和《跨越界限》、《物理学和哲学》，自传性质的《部分与整体》等。

12 1933年纳粹统治德国后，疯狂镇压犹太人，大学里的犹太裔教授全被解职，纷纷逃亡国外，海森伯对此表示愤慨，也想离开德国，普朗克则劝他不要出走，留在国内培养一批年轻人，为将来复兴国家的科学事业作好准备。1933年11月11日在莱比锡举行了德国科学家拥护纳粹政权的集会，他拒不出席；纳粹政权要求德国诺贝尔奖获得者在1934年8月19日表示“民意”的宣言上签名，他同普朗克和劳厄都表示拒绝。第二次世界大战前夕，海森伯接到服役命令，要他到国防部军械局报到，任务参加同一个小组（其中有博特、魏茨泽克、盖拉赫等物理学家）研究原子能的利用问题。这项不光彩的工作给海森伯的一生留下了阴影并引起科学界的责难。该小组的部分成员包括海森伯在内在德军崩溃时先后被美军俘虏并监禁在英国，一年后被遣返回德国。德意志联邦共和国成立后，海森伯在格丁根和其他著名科学家一起发表公告，反对联邦政府发展核武器，还与政府协议成立德国科学研究委员会作为政府的科学顾问，以协调政府与科学家之间的矛盾。

13 从1942年4月起海森伯任柏林物理研究所所长，战后在格丁根继续领导并重建了这个现已改名为马克斯·普朗克协会的物理和天体物理研究所，并于1958年与研究所一同迁到慕尼黑。他主张国际间学术交往，以互促科学的发展，曾担任联邦德国为国外学者提供资助的洪堡基金会主席多年；也曾担任过德国科学研究委员会主席。1976年2月1日海森伯在慕尼黑家中逝世。

14 THE END THANK YOU