1922年初夏，已經(jīng)名滿(mǎn)天下的丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾應(yīng)邀來(lái)到德國(guó)著名的哥廷根大學(xué)，作了七場(chǎng)報(bào)告。當(dāng)?shù)谌龍?chǎng)報(bào)告結(jié)束時(shí)，剛滿(mǎn)21歲、正在攻讀博士學(xué)位的海森堡嚯地站了起來(lái)，說(shuō)：“我不同意您的看法！”頓時(shí)，在場(chǎng)的人都驚呆了，一個(gè)羽翼未豐的博士竟敢當(dāng)面質(zhì)疑一位功成名就、即將領(lǐng)取諾貝爾獎(jiǎng)的物理學(xué)大師！
玻爾并不介意，依舊稍歪著頭，嘴上還帶著友好的微笑，用商量的口吻說(shuō)：“會(huì)下交流，怎樣？”報(bào)告結(jié)束后，玻爾走到海森堡面前：“我們?nèi)ソ纪馍⒉?，邊走邊聊，好嗎？?海森堡高興地點(diǎn)頭同意了。
初夏時(shí)分，位于哥廷根郊外的海茵山開(kāi)滿(mǎn)了鮮花，最迷人的是那些蔥蔥郁郁的灌木、不知名的野花和美麗的玫瑰園。他們?cè)谏l(fā)著芬芳的林間小路上來(lái)回走動(dòng)，討論了大量近代原子物理理論和哲學(xué)問(wèn)題。這次討論促成了海森堡兩年后長(zhǎng)期師從玻爾工作，與另一位著名的量子力學(xué)理論家泡利一起成為玻爾的“哼哈二將”，玻爾稱(chēng)贊海森堡“具有深刻的直覺(jué)感悟力和數(shù)學(xué)上的精湛技巧，二者的巧妙結(jié)合，常常讓他冒出耀眼的思想火花?！?/p>
電子沒(méi)有運(yùn)動(dòng)軌道
前文說(shuō)到，玻爾對(duì)原子中電子運(yùn)動(dòng)軌跡的認(rèn)識(shí)仍然是不準(zhǔn)確的。盡管玻爾認(rèn)識(shí)到電子的運(yùn)動(dòng)軌道是量子化的，即電子遠(yuǎn)離或者靠近原子核時(shí)的真實(shí)情況應(yīng)該是呈梯度變化的，而不是連續(xù)變化的，但他并沒(méi)有完全擺脫經(jīng)典物理學(xué)概念的束縛，把電子與宏觀世界中的物體等同看待，以為它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中有完全確定的軌道，而這與實(shí)際情況并不相符。當(dāng)時(shí)最讓人們困惑的一個(gè)問(wèn)題是，盡管玻爾的理論可以預(yù)言氫原子的光譜頻率，并且與觀察結(jié)果相一致，但是這些頻率與玻爾所假設(shè)的電子環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)的軌道頻率以及它們的倍頻都不相同。
1924年夏，由于玻爾的賞識(shí)，海森堡第一次來(lái)到哥本哈根，在這里工作了半年。在這段時(shí)間里，他一直被當(dāng)時(shí)玻爾的原子模型困惑著，有很多問(wèn)題不能解決。出路何在？
如果軌道運(yùn)動(dòng)的觀念是不正確的，那么原子中的電子到底是怎樣運(yùn)動(dòng)的呢？我們又應(yīng)當(dāng)如何描述它呢？在隨后的幾年里，海森堡開(kāi)始著手“制造量子力學(xué)”，一種沒(méi)有軌道運(yùn)動(dòng)的新的力學(xué)。
1925年5月，由于患了嚴(yán)重的枯草熱?。ㄒ环N對(duì)花粉過(guò)敏的病癥），海森堡不得不到德國(guó)漢堡附近的赫爾蘭島休假。
傍晚時(shí)分，海風(fēng)習(xí)習(xí)，遼闊的海洋上灑滿(mǎn)落日的余輝，海鳥(niǎo)在岸邊歡快地飛舞。海森堡站在高高的山崗上，時(shí)而眺望遠(yuǎn)方的落日，時(shí)而低頭沉思。
海森堡的思緒仍然縈繞在那些令人困惑的量子問(wèn)題上，他在想，既然電子沒(méi)有軌道，那么通常的位置和速度描述將不再有意義，必須利用新的描述量來(lái)建立理論。突然，他靈光閃現(xiàn)，意識(shí)到通過(guò)原子輻射的頻率和強(qiáng)度也許可以建立一種新的力學(xué)理論。
美妙的思想就是有如此的魔力，一旦你抓到了它，你便踏進(jìn)了新理論的大門(mén)?！澳鞘窃谝估锶c(diǎn)鐘左右，計(jì)算的最后結(jié)果出現(xiàn)在我的面前，……我深深震驚了”。當(dāng)別人還在對(duì)電子軌道戀戀不舍、猶豫不決時(shí)，徹底拋棄它的海森堡終于發(fā)現(xiàn)了一套新的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方案——魔術(shù)乘法表，其中原子輻射的頻率和強(qiáng)度被按照一定的規(guī)則排列成一個(gè)數(shù)的方陣，方陣之間按照一種新的乘法規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算。
回到哥廷根后，海森堡立即將他的新方案寫(xiě)成一篇論文，并于7月寄給《物理學(xué)雜志》發(fā)表。同時(shí)，海森堡的導(dǎo)師玻恩進(jìn)一步研究了他的數(shù)學(xué)方案，并發(fā)現(xiàn)它正是70多年前由數(shù)學(xué)家們發(fā)明的矩陣乘法理論。之后，玻恩、約爾丹和海森堡合作完成了著名的三人論文《論量子力學(xué)Ⅱ》，第一次提出了一種系統(tǒng)的量子理論。在這個(gè)理論中，經(jīng)典的牛頓力學(xué)方程被矩陣形式的量子方程所代替，后來(lái)人們將這個(gè)理論稱(chēng)為矩陣力學(xué)。
測(cè)不準(zhǔn)原理誕生
在矩陣力學(xué)方程的計(jì)算中，電子是沒(méi)有軌道概念的，這讓人感到無(wú)法理解，特別是當(dāng)時(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)看到云室中的電子徑跡了。連科學(xué)泰斗愛(ài)因斯坦都向海森堡發(fā)問(wèn)：“你假定原子中有電子，這當(dāng)然是對(duì)的。但你又不談原子中的電子軌道，這是為什么？要知道，電子軌道明明在云霧室和儀器里看得見(jiàn)，但你卻要忽視它，請(qǐng)問(wèn)，你能解釋這其中的奧妙嗎？”
面對(duì)大師的發(fā)問(wèn)，海森堡陷入了長(zhǎng)久的沉思。他把這個(gè)問(wèn)題一直裝在心里，直到一年后的一天夜晚，海森堡在寧?kù)o的月光下散步，忽然，一道明亮的光芒從他沉思的腦海里劃過(guò)，他仿佛在朦朧中察覺(jué)到一個(gè)奇妙的現(xiàn)象，那就是電子的徑跡。漸漸，這朦朧的思緒在捕捉過(guò)程中變得異常清晰、生動(dòng)。啊，原來(lái)人們所觀察到的電子在云室中的徑跡并非電子的真正軌跡，人們實(shí)際觀察到的，只是一系列電子運(yùn)動(dòng)形成的水滴形狀！這水滴形狀其實(shí)就是分立電子一系列不確定的位置。海森堡此時(shí)豁然開(kāi)朗：一個(gè)電子的動(dòng)量和位置是不能同時(shí)確定的。量子理論中最重要的原理——測(cè)不準(zhǔn)原理誕生了。
在牛頓力學(xué)中，對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體，能夠同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量它的動(dòng)量和所處的位置，這是毫無(wú)疑問(wèn)的。例如，公路上行駛的汽車(chē)，任一時(shí)刻的位置和速度都能夠被準(zhǔn)確地測(cè)量，像測(cè)到了車(chē)速卻不知道汽車(chē)在哪里這樣的怪事，在日常生活中是不會(huì)發(fā)生的。
然而，在微觀世界中，微觀粒子的動(dòng)量（速度和質(zhì)量的乘積）和位置卻對(duì)應(yīng)著一系列的可能值，每一個(gè)可能值又有一定的出現(xiàn)幾率，動(dòng)量和位置不再同時(shí)具有確定的值。海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理清晰地指明這個(gè)奇妙的關(guān)系。它表明，一個(gè)微觀粒子的位置和動(dòng)量?jī)烧卟豢赡芡瑫r(shí)測(cè)得準(zhǔn)確值，要么是確定微觀粒子的位置，而微觀粒子的動(dòng)量無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得；要么是確定動(dòng)量，而位置不能準(zhǔn)確測(cè)得，其中一個(gè)量確定的越準(zhǔn)確，另一個(gè)量就越不準(zhǔn)確。因?yàn)?，我們?cè)跍y(cè)定一個(gè)微觀粒子的時(shí)候總得利用另一個(gè)微觀粒子，這個(gè)“另一個(gè)微觀粒子”會(huì)或多或少地影響被測(cè)的微觀粒子。例如，我們要測(cè)定一個(gè)電子的位置和動(dòng)量，我們必須運(yùn)用光子去測(cè)量。當(dāng)光子測(cè)量電子時(shí)，必須和電子發(fā)生相互作用才能測(cè)得結(jié)果，這樣光子就會(huì)把一部分能量傳遞給電子，這樣反映回來(lái)的電子的動(dòng)量就不是原來(lái)的大小了。所以，就必須讓光子攜帶的能量盡可能地少，這樣光子的波長(zhǎng)就會(huì)變長(zhǎng)，往返的時(shí)間周期就會(huì)變長(zhǎng)，由于電子是不斷運(yùn)動(dòng)的，這樣一來(lái)，被測(cè)電子的位置在光子把信息傳回給觀測(cè)者這段時(shí)間內(nèi)又已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。所以，我們?cè)诳梢员M可能準(zhǔn)確地測(cè)定電子能量的情況下，電子位置的測(cè)量就越不準(zhǔn)確。反之，同樣道理，電子的位置測(cè)得越發(fā)準(zhǔn)確，其能量就越不準(zhǔn)確。
我們知道，原子尺度上的能量都非常小，因此不難想象，即使是最精巧的測(cè)量，也會(huì)對(duì)被測(cè)量的東西產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的干擾，這樣測(cè)量的結(jié)果就不能真實(shí)描述測(cè)量裝置不在時(shí)的狀況。在這個(gè)尺度上，觀察者及其儀器成了觀測(cè)對(duì)象不可分割的部分，它們之間就不可避免地存在著相互作用。
很多人對(duì)量子世界這種特有的不確定性感到不習(xí)慣，海森堡的學(xué)生韋斯科夫曾這樣解釋道：“我們當(dāng)然不能到處追蹤一個(gè)電子，按照傳統(tǒng)觀念去尋找它的下落，但這并不是說(shuō)電子不存在，只是它的存在方式與我們司空見(jiàn)慣的物體存在方式不同罷了?！?/p>
一場(chǎng)政治悲劇
在希特勒統(tǒng)治德國(guó)時(shí)期，海森堡當(dāng)上了物理研究院的院長(zhǎng)，并在整個(gè)二戰(zhàn)期間一直擔(dān)任這個(gè)職務(wù)。他的行為受到了一切正直科學(xué)家的非議和指責(zé)。那么，海森堡當(dāng)時(shí)究竟是怎樣想的呢？后來(lái)他是這樣回顧的：“在專(zhuān)制的條件下，只有在表面上愿意和當(dāng)時(shí)制度合作的人，才能進(jìn)行積極的反抗。誰(shuí)要想公開(kāi)地反對(duì)，即使是極微小的反抗，那么幾天以后他就可能會(huì)被殘殺在集中營(yíng)里。即使誰(shuí)想要有意識(shí)地去犧牲自己，那么他的殉難也是無(wú)益的，因?yàn)檫B他的名字都禁止提起。只有在表面上假裝合作的人，才能進(jìn)行充分有效的反抗。”
海森堡的回顧，不管有多少為自己辯解的成分，至少是真實(shí)地反映了他當(dāng)時(shí)的思想，這有他的行動(dòng)可以佐證：1939年到1940年冬天，海森堡已經(jīng)完成了說(shuō)明鈾核反應(yīng)堆與鈾彈之間區(qū)別的理論計(jì)算，認(rèn)識(shí)到鈾彈內(nèi)不受控制的大量中子會(huì)增加到爆炸點(diǎn)。但是這種看法只保留在海森堡的同事中間的小范圍內(nèi)。他們慎重地回避將自己的研究結(jié)果張揚(yáng)出去，并盡力使親近的助手們不去注意制造原子彈的可能性。他們用消極怠工、觀望、陽(yáng)奉陰違的態(tài)度對(duì)付納粹當(dāng)局，一方面使政府心目中保留著鈾計(jì)劃有前途的看法，以保護(hù)年輕的物理學(xué)家，免得他們?nèi)デ熬€當(dāng)希特勒的炮灰。另外他還揚(yáng)言：“目前，在戰(zhàn)爭(zhēng)的條件下，只用德國(guó)當(dāng)時(shí)的有限資源，我們尚不能找到制造原子彈的實(shí)際方法?！币源藖?lái)拖延和搪塞。
當(dāng)時(shí)的納粹制度雖處于發(fā)展和鞏固階段，正在勢(shì)頭上，政治上的極權(quán)必然導(dǎo)致科學(xué)的窒息?？茖W(xué)家們倍感郁悶，他們已經(jīng)深刻地認(rèn)識(shí)到祖國(guó)的悲劇和當(dāng)權(quán)者對(duì)外黷武的必?cái)。含F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需要強(qiáng)大的技術(shù)手段、后備力量和資源，而希特勒遠(yuǎn)不如他強(qiáng)大敵人具有的潛力；希特勒的喪失理智、目空一切、到處樹(shù)敵，這一切都注定了這個(gè)政權(quán)最后必然要滅亡的命運(yùn)。海森堡為首的一批科學(xué)家決心要留下來(lái)，與其把這個(gè)攤子拱手于人，還不如自己去維持局面，等待那一天的到來(lái)。
歷史學(xué)家與認(rèn)識(shí)海森堡的人都一致認(rèn)為海森堡絕非納粹的同情者。20世紀(jì)30年代納粹在剿伐“猶太物理”時(shí)，海森堡本人也是受害者之一。他也不熱衷于政治，不過(guò)他算得上是一位愛(ài)國(guó)者。當(dāng)國(guó)家被惡棍挾持時(shí)，他不能像非常少數(shù)勇敢的人那樣以生命為賭注堅(jiān)持良知，不過(guò)他卻也沒(méi)有逃避他國(guó)。普朗克曾對(duì)他說(shuō)：“在這樣恐怖的德國(guó)，沒(méi)有人能保有尊嚴(yán)?！币苍S這就是在歷史面前無(wú)法逃脫的人性悲劇。
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