1932年諾貝爾物理學獎.doc

1932年諾貝爾物理學獎 ――量子力學的創立 1932年諾貝爾物理學獎授予德國萊比錫(Leipzig)大學的海森堡(Werner Karl Heisenberg，以表彰他創立了量子力學，尤其是它的應用導致了發現氫的同素異形體。 量子力學的創立是二十世紀物理學發展的一個重要里程碑，它是研究原子、分子、凝態物質以至原子核和基本粒子的結構和性質的基礎理論，是在十九世紀末、二十世紀初對微觀現象進行越來越深入的探討得出的基本理論總結。從1900年普朗克提出能量量子假設開始，舊量子論逐步建立，並在遇到一系列矛盾後迫使人們採用嶄新的表述方法來描述微觀領域的規律。在這中間，海森堡作出了傑出貢獻。他率先從修改古典分析力學的途徑建立了矩陣力學。這是量子力學的一種形式。第二年，薛丁格(E. Schrodinger)從另一條途徑達到了同一目標，這就是波動力學。波動力學根據的是微觀粒子的波粒二象性. 他們的工作很快就得到了普遍承認，因此海森堡和薛丁格先後於1932年和1933年榮獲諾貝爾物理學獎。 海森堡1901年12月5日出生於德國維爾茲堡一位教古希臘語言的中學教師家庭裡，他從小就受到家庭在古代文學方面的熏陶。1920年中學畢業，進慕尼黑大學學習理論物理學，在名師索末菲（A. J. W. Sommerfeld）指導下，第一學期就在解釋反常塞曼效應的譜線中首先引進了半量子數，而當時人們都認為量子數應該是整數。第二學期他結合聽流體力學課，寫出了一篇關於卡門渦流的絕對大小的論文，深得索末菲讚譽。索末菲決定要讓他在原子物理學和流體力學兩方面有所建樹。 1922年6月哥廷根大學的玻恩和夫蘭克邀請哥本哈根的尼爾斯．波耳作一系列關於原子物理和元素週期表的演講。索末菲應邀參加，並帶了海森堡和另一名學生鮑利（W. Pauli）一同前去。每次演講後都進行熱烈的討論，而在一次討論中，當時年齡20歲的海森堡竟站起來對波耳的某些論點提出異議，並勇敢地進行辯論。討論結束時波耳約他當日下午一同去散步，以便繼續討論。這次與波耳在散步中的長時間談話，對海森堡啟發很大。海森堡後來說，這次散步是他科學上成長的起點。 波耳對這位年輕的學者印象深刻，邀請他和鮑利在適當的時候到哥本哈根去作研究。 1922年海森堡就去了，開始了他們之間的長期合作。1924年海森堡又到哥本哈根跟尼爾斯．波耳和克拉默斯(H. A. Kramers)合作研究光的色散理論。 從 l922年起，海森堡除1923年夏季一個學期回慕尼黑以“關於流體流動的穩定性和湍流”一文考取博士學位，和1924年冬一個學期在哥本哈根尼爾斯．波耳那裏工作外，到1926年夏一直在哥廷根跟玻恩工作，並在 1924年7月以“關於量子論的形式規律在反常塞曼效應問題上的修改”一文升為講師。1925年初夏海森堡從哥本哈根回哥廷根後，試圖用實驗所能觀察的光譜線的頻率和強度(即振幅)的整體來代替看不見的電子軌道，以計算氫原子譜線的強度。考慮到這個方法在數學上過於複雜，他就改用一個比較簡單的非諧振子進行計算。正在這時候，他患了枯草熱病，告假去北海赫耳戈蘭島休養。這就給了他專心計算的機會。結果證明，這種只用可觀察量的處理方法是可行的。回哥廷根後就寫成了奠定量子力學基礎的“關於運動學和力學關係的量子論新釋”一文發表。 在研究中，海森堡認識到，不僅描寫電子運動的偶極振幅的傅立葉分量的絕對值平方決定相應輻射的強度，而且振幅本身的相位也是有觀察意義的。海森堡由這裏出發，假設電子運動的偶極和多極矩輻射的古典公式在量子理論中仍然有效。然後運用波耳的對應原理，用穩定態能量差決定的躍遷頻率來改寫古典理論中電矩的傅立葉展開式。譜線頻率和譜線強度的振幅都是可觀察量。這樣，海森堡就不再需要電子軌道等古典概念，代之以頻率和振幅的二維數集。 但是令海森堡奇怪的是，這樣做的結果，計算中的乘法卻是不可交換的。當時他還不知道這就是矩陣運算，於是他把論文拿給著名物理學家玻恩（M. Born），請教他有沒有發表價值。玻恩開始也感到茫然，經過幾天的思索，玻恩記起了這正是大學學過的矩陣運算，認出海森堡用來表示觀察量的二維數集正是線性代數中的矩陣。從此以後，海森堡的新理論就叫《矩陣力學》。 玻恩認識到海森堡的工作有重要意義，立即推薦發表，並著手運用矩陣方法為新理論建立一套嚴密的數學基礎。一次偶然的機會，玻恩遇見了年輕的數學家喬丹(P. Jordan)，喬丹正是這方面的行家，欣然應允合作。1925年9月，他們兩人聯名發表了“論量子力學”一文，首次給矩陣力學以嚴格表述。 接著，玻恩、喬丹和海森堡三人合作，又寫了一篇論文，把以前的結果推廣到多自由度和有簡併態的情況，系統地論述了本徵