1922年初夏，已经名满天下的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔应邀来到德国著名的哥廷根大学，作了七场报告。当第三场报告结束时，刚满21岁、正在攻读博士学位的海森堡嚯地站了起来，说：“我不同意您的看法！”顿时，在场的人都惊呆了，一个羽翼未丰的博士竟敢当面质疑一位功成名就、即将领取诺贝尔奖的物理学大师！
玻尔并不介意，依旧稍歪着头，嘴上还带着友好的微笑，用商量的口吻说：“会下交流，怎样？”报告结束后，玻尔走到海森堡面前：“我们去郊外散步，边走边聊，好吗？” 海森堡高兴地点头同意了。
初夏时分，位于哥廷根郊外的海茵山开满了鲜花，最迷人的是那些葱葱郁郁的灌木、不知名的野花和美丽的玫瑰园。他们在散发着芬芳的林间小路上来回走动，讨论了大量近代原子物理理论和哲学问题。这次讨论促成了海森堡两年后长期师从玻尔工作，与另一位著名的量子力学理论家泡利一起成为玻尔的“哼哈二将”，玻尔称赞海森堡“具有深刻的直觉感悟力和数学上的精湛技巧，二者的巧妙结合，常常让他冒出耀眼的思想火花。”
电子没有运动轨道
前文说到，玻尔对原子中电子运动轨迹的认识仍然是不准确的。尽管玻尔认识到电子的运动轨道是量子化的，即电子远离或者靠近原子核时的真实情况应该是呈梯度变化的，而不是连续变化的，但他并没有完全摆脱经典物理学概念的束缚，把电子与宏观世界中的物体等同看待，以为它们在运动中有完全确定的轨道，而这与实际情况并不相符。当时最让人们困惑的一个问题是，尽管玻尔的理论可以预言氢原子的光谱频率，并且与观察结果相一致，但是这些频率与玻尔所假设的电子环绕原子核运动的轨道频率以及它们的倍频都不相同。
1924年夏，由于玻尔的赏识，海森堡第一次来到哥本哈根，在这里工作了半年。在这段时间里，他一直被当时玻尔的原子模型困惑着，有很多问题不能解决。出路何在？
如果轨道运动的观念是不正确的，那么原子中的电子到底是怎样运动的呢？我们又应当如何描述它呢？在随后的几年里，海森堡开始着手“制造量子力学”，一种没有轨道运动的新的力学。
1925年5月，由于患了严重的枯草热病（一种对花粉过敏的病症），海森堡不得不到德国汉堡附近的赫尔兰岛休假。
傍晚时分，海风习习，辽阔的海洋上洒满落日的余辉，海鸟在岸边欢快地飞舞。海森堡站在高高的山岗上，时而眺望远方的落日，时而低头沉思。
海森堡的思绪仍然萦绕在那些令人困惑的量子问题上，他在想，既然电子没有轨道，那么通常的位置和速度描述将不再有意义，必须利用新的描述量来建立理论。突然，他灵光闪现，意识到通过原子辐射的频率和强度也许可以建立一种新的力学理论。
美妙的思想就是有如此的魔力，一旦你抓到了它，你便踏进了新理论的大门。“那是在夜里三点钟左右，计算的最后结果出现在我的面前，……我深深震惊了”。当别人还在对电子轨道恋恋不舍、犹豫不决时，彻底抛弃它的海森堡终于发现了一套新的系统的数学方案——魔术乘法表，其中原子辐射的频率和强度被按照一定的规则排列成一个数的方阵，方阵之间按照一种新的乘法规则进行运算。
回到哥廷根后，海森堡立即将他的新方案写成一篇论文，并于7月寄给《物理学杂志》发表。同时，海森堡的导师玻恩进一步研究了他的数学方案，并发现它正是70多年前由数学家们发明的矩阵乘法理论。之后，玻恩、约尔丹和海森堡合作完成了著名的三人论文《论量子力学Ⅱ》，第一次提出了一种系统的量子理论。在这个理论中，经典的牛顿力学方程被矩阵形式的量子方程所代替，后来人们将这个理论称为矩阵力学。
测不准原理诞生
在矩阵力学方程的计算中，电子是没有轨道概念的，这让人感到无法理解，特别是当时的科学实验已经看到云室中的电子径迹了。连科学泰斗爱因斯坦都向海森堡发问：“你假定原子中有电子，这当然是对的。但你又不谈原子中的电子轨道，这是为什么？要知道，电子轨道明明在云雾室和仪器里看得见，但你却要忽视它，请问，你能解释这其中的奥妙吗？”
面对大师的发问，海森堡陷入了长久的沉思。他把这个问题一直装在心里，直到一年后的一天夜晚，海森堡在宁静的月光下散步，忽然，一道明亮的光芒从他沉思的脑海里划过，他仿佛在朦胧中察觉到一个奇妙的现象，那就是电子的径迹。渐渐，这朦胧的思绪在捕捉过程中变得异常清晰、生动。啊，原来人们所观察到的电子在云室中的径迹并非电子的真正轨迹，人们实际观察到的，只是一系列电子运动形成的水滴形状！这水滴形状其实就是分立电子一系列不确定的位置。海森堡此时豁然开朗：一个电子的动量和位置是不能同时确定的。量子理论中最重要的原理——测不准原理诞生了。
在牛顿力学中，对一个运动的物体，能够同时准确地测量它的动量和所处的位置，这是毫无疑问的。例如，公路上行驶的汽车，任一时刻的位置和速度都能够被准确地测量，像测到了车速却不知道汽车在哪里这样的怪事，在日常生活中是不会发生的。
然而，在微观世界中，微观粒子的动量（速度和质量的乘积）和位置却对应着一系列的可能值，每一个可能值又有一定的出现几率，动量和位置不再同时具有确定的值。海森堡的测不准原理清晰地指明这个奇妙的关系。它表明，一个微观粒子的位置和动量两者不可能同时测得准确值，要么是确定微观粒子的位置，而微观粒子的动量无法准确测得；要么是确定动量，而位置不能准确测得，其中一个量确定的越准确，另一个量就越不准确。因为，我们在测定一个微观粒子的时候总得利用另一个微观粒子，这个“另一个微观粒子”会或多或少地影响被测的微观粒子。例如，我们要测定一个电子的位置和动量，我们必须运用光子去测量。当光子测量电子时，必须和电子发生相互作用才能测得结果，这样光子就会把一部分能量传递给电子，这样反映回来的电子的动量就不是原来的大小了。所以，就必须让光子携带的能量尽可能地少，这样光子的波长就会变长，往返的时间周期就会变长，由于电子是不断运动的，这样一来，被测电子的位置在光子把信息传回给观测者这段时间内又已经发生了很大的变化。所以，我们在可以尽可能准确地测定电子能量的情况下，电子位置的测量就越不准确。反之，同样道理，电子的位置测得越发准确，其能量就越不准确。
我们知道，原子尺度上的能量都非常小，因此不难想象，即使是最精巧的测量，也会对被测量的东西产生实质性的干扰，这样测量的结果就不能真实描述测量装置不在时的状况。在这个尺度上，观察者及其仪器成了观测对象不可分割的部分，它们之间就不可避免地存在着相互作用。
很多人对量子世界这种特有的不确定性感到不习惯，海森堡的学生韦斯科夫曾这样解释道：“我们当然不能到处追踪一个电子，按照传统观念去寻找它的下落，但这并不是说电子不存在，只是它的存在方式与我们司空见惯的物体存在方式不同罢了。”
一场政治悲剧
在希特勒统治德国时期，海森堡当上了物理研究院的院长，并在整个二战期间一直担任这个职务。他的行为受到了一切正直科学家的非议和指责。那么，海森堡当时究竟是怎样想的呢？后来他是这样回顾的：“在专制的条件下，只有在表面上愿意和当时制度合作的人，才能进行积极的反抗。谁要想公开地反对，即使是极微小的反抗，那么几天以后他就可能会被残杀在集中营里。即使谁想要有意识地去牺牲自己，那么他的殉难也是无益的，因为连他的名字都禁止提起。只有在表面上假装合作的人，才能进行充分有效的反抗。”
海森堡的回顾，不管有多少为自己辩解的成分，至少是真实地反映了他当时的思想，这有他的行动可以佐证：1939年到1940年冬天，海森堡已经完成了说明铀核反应堆与铀弹之间区别的理论计算，认识到铀弹内不受控制的大量中子会增加到爆炸点。但是这种看法只保留在海森堡的同事中间的小范围内。他们慎重地回避将自己的研究结果张扬出去，并尽力使亲近的助手们不去注意制造原子弹的可能性。他们用消极怠工、观望、阳奉阴违的态度对付纳粹当局，一方面使政府心目中保留着铀计划有前途的看法，以保护年轻的物理学家，免得他们去前线当希特勒的炮灰。另外他还扬言：“目前，在战争的条件下，只用德国当时的有限资源，我们尚不能找到制造原子弹的实际方法。”以此来拖延和搪塞。
当时的纳粹制度虽处于发展和巩固阶段，正在势头上，政治上的极权必然导致科学的窒息。科学家们倍感郁闷，他们已经深刻地认识到祖国的悲剧和当权者对外黩武的必败：现代战争需要强大的技术手段、后备力量和资源，而希特勒远不如他强大敌人具有的潜力；希特勒的丧失理智、目空一切、到处树敌，这一切都注定了这个政权最后必然要灭亡的命运。海森堡为首的一批科学家决心要留下来，与其把这个摊子拱手于人，还不如自己去维持局面，等待那一天的到来。
历史学家与认识海森堡的人都一致认为海森堡绝非纳粹的同情者。20世纪30年代纳粹在剿伐“犹太物理”时，海森堡本人也是受害者之一。他也不热衷于政治，不过他算得上是一位爱国者。当国家被恶棍挟持时，他不能像非常少数勇敢的人那样以生命为赌注坚持良知，不过他却也没有逃避他国。普朗克曾对他说：“在这样恐怖的德国，没有人能保有尊严。”也许这就是在历史面前无法逃脱的人性悲剧。
联系客服
