歷史 物理

諾貝爾物理獎1932年 維爾納・海森堡

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撰文者:余海峯
發文日期:2019-02-26
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    1932年的諾貝爾物理獎授予維爾納・海森堡(Werner Heisenberg),以表揚他對量子力學的貢獻。他不但發現了量子力學著名的「測不準原理」,更建立了量子力學兩大數學表述方法之一「矩陣力學」。

     

    螢幕快照 2019-02-26 下午12.20.49
     

    [維爾納・海森堡的諾貝爾獎官方照片。]

     

    量子力學的基礎早由普朗克提出(1918年諾貝爾物理獎),愛因斯坦後來用以解釋光電效應(1921年諾貝爾物理獎);這表明光波帶有粒子特性。波耳提出了原子能階模型(1922年諾貝爾物理獎),德布羅意也提出了粒子波假說去解釋波耳的原子模型(1929年諾貝爾物理獎);這表明粒子帶有波動特性。

     

    基於以上「波粒二象性(wave-particle duality)」,上世紀初科學家們迎來了一場修改經典力學的物理革命。物理學家渴望尋找新的基本方程去計算量子世界發生的現象,這追尋終被兩位物理學家所解決。其中一位是埃爾溫.薛丁格(Erwin Schrödinger),我們將在下一章介紹他的理論;另一位就是海森堡。

     

    量子力學與經典力學不同,並不描述物件的位置和速度。量子力學之中,物件位置並不能夠被肯定。相反,在量子力學方程之中,每個位置都被賦予機率,這個機率會隨時間而改變。因此,一個物件或物理系統的演化只能夠以求計算這個機率來描述。

     

    海森堡和薛丁格各自發展出計算這個機率演化的方程。薛丁格利用比較「直觀」的波動方式去計算,而海森堡則利用數學概念「矩陣(matrix)」去計算,因此他們兩者也被稱為「波動力學(wave mechanics)」和「矩陣力學(matrix mechanics)」。後來,物理學家和數學家們都證明,這兩種方程都是等價的,只不過表達方式不同而且。某些情況下,利用波動方程去計算會比較方便,而另一些情況下則可能用矩陣去計算會比較簡單。

     

    海森堡對量子力學最著名的貢獻,莫過於發現測不準原理(uncertainty principle)。測不準原理充分表現出量子世界的奇異特性:如果我們精確測量一個粒子的位置,我們就不可能精確測量它的動量;反之亦然。數學上,測不準原理說xp≥h/4π,其中x是位置的誤差,p是動量的誤差,h是普朗克常數。

     

    海森堡是波耳的學生。二戰期間,德國佔領了丹麥。海森堡是德國人,負責德國的原子能研究,波耳是丹麥人,正準備逃到美國去。歷史上,我們知道倆師徒曾於哥本哈根袐密會面,但沒有人知道他們談論了什麼。科學史家普遍認為,海森堡知道波耳將逃到美國,幫忙美國製造原子彈。海森堡希望把德國沒有能力製造原子彈的資訊告訴波耳,試圖避免世界性的核戰爭。

     

    雖然為納粹工作,但海森堡沒有做出任何戰爭罪行——他純粹是個科學家,只做科學研究。這也是為什麼戰後海森堡並沒有受到指摘,名留青史;而幫希特拉迫害猶太人的萊納(1905年諾貝爾物理獎)卻被送到戰爭法庭,遺臭萬年。

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