諾貝爾物理獎1932年 維爾納・海森堡
- 發現自然之美：諾貝爾物理獎
- 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」。
［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∆x∆p≥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。