1927年2 月，年轻的海森堡提出了量子理论中的一个重要原理——测不准原理，涵义极为深远。
海森堡
1901年12月，海森堡诞生于德国一个中上阶级的学术家庭。幼年时期，他喜欢数学和科技小制作，老师们都认为他极有天赋。1920年时，他到慕尼黑大学就读，在大师索末菲的指导下，两年内就发表了四篇物理论文。泡利（1945年获得诺贝尔物理奖）当时也就读于慕尼黑大学，且仅大海森堡一岁，所以两人成了讨论专业的朋友。虽然海森堡因必考的实验问题表现不佳而差一点无法通过口试，但他还是于1923年获得了博士学位，论文讨论的是流体力学上的一个问题。在得到博士学位后，他到哥廷根做玻恩（1954年诺贝尔物理奖得主）的助理，之后又到哥本哈根玻尔（1922年获得诺贝尔奖）所主持的研究所跟随他一起做了一年的研究。
20世纪20年代初期盛行的量子论，将原子塑造成是电子沿着固定量子化的轨道绕着一个原子核运行，电子可以通过吸收或释放出光子而移至更高或更低的能级。这个模式对氢原子很适用，但当面对较大些的原子或分子时则出现了问题，所以物理学家认识到应该需要一个新的理论了。
海森堡反对当时的模型，他认为既然无法实际观察到电子绕着原子核的轨道，就不能说这些轨道真实存在，我们只能观察到被原子释放或吸收的光谱而已。自1925年起，海森堡开始尝试着寻找一种能够仅依赖于可观测性质的量子力学，或者其性质至少是从理论上可观测的。
在与志同道合的研究者的共同努力下，海森堡提出了一个量子力学的新方法。他讨论的对象仍然是位置、速度等物理量，但却用新方法对它们重新加以表示和运算。海森堡所采用的数学方法为矩阵，这个新的表述方式可用以说明许多已观察到的原子特性。
在海森堡建立了以矩阵为基础的量子力学后不久，薛定谔也提出了他的波动理论表述方式。薛定谔波函数的绝对值的平方很快地被解释为在某种状态中找到粒子的几率，而他也很快地证明了他的波动表述方式和海森堡的矩阵方法在数学上是相等的。而薛定谔的方法更受欢迎，这是因为相较于不熟悉的矩阵数学，物理学家还是比较习惯使用描述波动的数学。
1933年狄拉克（右三，1932年诺贝尔物理学奖获得者）、海森堡（右二，1932年诺贝尔物理学奖获得者）和薛定谔（右一，1933年诺贝尔物理学奖获得者）拍摄于斯德哥尔摩火车站。海森堡穿着正式的套装，脸上带着一种几乎像是厌恶的表情。薛定谔则穿着当时最华丽的服装，咧嘴大笑，似乎正在度过他生命中最美好的时光。
虽然科学家也许觉得波动的方法比较容易使用，但海森堡的矩阵力学却很自然地让他发展出了测不准原理，也因此声名大噪。在矩阵数学中，交换律a×b＝b×a并非必然成立。对于不可交换的变量组， 例如位置和动量q×p ≠p×q，或是能量和时间E×t≠t×E，就意味着两个物理量之间存在不确定关系。
不能同时测准位置和动量吗？
海森堡还做了一个思考性的实验，他设想γ 射线显微镜来测量电子的位置。用来照亮电子的高能量光子会使电子产生反冲，而使其动量有一定的改变，由于分辨率愈高的显微镜需要愈高能量的光，对电子的反冲作用愈强。海森堡由此推测，位置测定得越准确，动量的测定就越不准确，反之亦然。这种不确定性是量子力学的一个基本特点，并非受限于任一特别的实验设备。海森堡在1927年2 月23日寄给给泡利的信中将新原理概略地写出来。同年3月，他将测不准原理的论文投寄发表。玻尔指出了海森堡思考性实验中的一些错误，但同意测不准原理本身是正确的，所以将论文刊登了出来。此新原理有很深的意义。以前大家认为只要知道任一时间中粒子的位置与动量，以及所有作用在其上的力，就可以至少在理论上预测未来任一时间的位置与动量。海森堡发现并非如此，因为我们绝对无法真的同时知道粒子确切的位置和动量。
量子物理学家不是完全隐蔽的观鸟者
真是不可思议！
测不准原理很快地成了广为大家接受的哥本哈根学派对量子力学诠释的部分基础，那年秋天海森堡和玻恩在布鲁塞尔所举办的索尔维会议中共同宣布了量子革命的完成。
1927 年秋天，海森堡接受莱比锡大学的教授职位，让他成了德国最年轻的正教授。1932年他因量子力学的研究获得了诺贝尔奖。海森堡在德国继续他的科学研究。第二次世界大战期间，虽然他不是纳粹党员，但他是一位爱国的德国公民，所以成了德国核计划的领导者，不过他研制原子弹的努力最后宣告失败。海森堡此一行为和动机从此一直是争论性的话题。海森堡于1976年过世。
本文选自《现代物理知识》2010年第1期 时光摘编
本文转自“现代物理知识”公众号。
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