20世纪最具创新能力的思想家.doc

20世纪最具创新能力的思想家 纪念沃纳·海森伯诞辰100周年 摘 要：沃纳·海森堡是被公认为20世纪最具创新能力的思想家之一，他从修改经典分析力学的途径创立 了量子力学的矩阵形式，并提出了著名的“不确定原理”；本文通过对海森伯在量子力学领域这两项重要发 现过程的描述，来展示这位伟大思想家敏锐的思维历程和独特的科研风格． 关键词：量子论； 对应原理； 矩阵形式； 不确定原理； 科研风格 中文分类号： 文献标识码：A 文章编号： 20世纪物理学的发展，有两大引人注目的成就，一个是相对论力学的建立，一个是量子力学的问世．相对论是被誉为“人类智慧的化身”的爱因斯坦创立的，而量子力学则是20世纪最有才能的科学家通力合作发展起来的．而量子力学大厦的最早建造者是德国著名物理学家沃纳·海森伯(W.Heisenbery 1901—1976)．1925，海森伯率先从修改经典分析力学的途径为创立量子力学矩阵形式做了开拓性的工作，1927年提出了著名的“不确定原理”；这便成为20世纪物理学发展的一个重要里程碑．同时，他对原子核、铁磁性、宇宙射线、基本粒子等概念的创建和理解作出了重大的贡献，并于1932年获得诺贝尔物理学奖金，他被公认为20世纪最具创新能力的思想家之一．今年12日5日是沃纳·海森伯诞辰100周年纪念日，本文重在对海森伯在量子力学的矩阵形式和“不确定原理”这两项重要成就的创立过程作简单的历史性回顾，以示对这位伟人最真挚的纪念． 1旧量子论的困境 1911年, 英国物理学家卢瑟福(O．Rutherford，1871－1937)在α散射实验的基础上, 推导出他那著名的原子核式结构模型,但这一模型在原子的稳定性上遇到了严重的困难．1913年N．玻尔(N．Bohr，1885－1962) 有见于卢瑟福核式结构模型的困难，建立了包括“定态”和“跃迁”概念的原子理论．他在《论原子与分子的构造》一文中，为了说明有核氢原子模型中当主量子数很大时，与邻近的能级之间的跃迁频率接近于在园轨道中的电子的经典频率时，提出了“对应原理”，用现代的语言可表述为：“在大量子数的极限情形下，量子体系的行为将渐近地趋于经典力学体系的行为．”[1] 1923年, 美国物理学家康普顿 (A．H．Compton，1892－1962) 完成光的散射实验, 按照经典的理论：入射光波使得处于光束中的一个电子以光波的频率振动，并发出一个与入射光波同样频率的球面波从而产生了散射光．而康普顿发现，散射出来的X射线与入射的X射线頻率不同；这种不同只能把散射看成是光量子和一个电子的碰撞来作出解释；但散射光同时却又发生干涉，这是一个不可调和的矛盾．早在1922年11月，玻尔就曾说道：就光的相干现象而言，他本人对光量子的假没并不满意；他认为原子的定态有一种“潜在的辐射反应”．当他不得不在色散现象的入射波与出射波之间假定存在相位关系时，便得到了如下观点：原子对于辐射的反应类似于一个具有量子频率为和的谐振子系统，但他没有给出能量和动量的推导．1924年，斯莱特(W．Slater) 进一步阐述了玻尔的观点，假定处于定态的一个原子被一个“虚辐射物”所包围，实际上也就是被多种可能频率的吸收光和发射光所包围，这种“虚场”将决定该原子本身到其它原子的量子跃迁的概率．克喇末(H．A．Kramers，1894－1952) 与玻尔、斯莱特进行热烈的讨论，最后他们一致认为：能量守恒定律和动量守恒定律只在统计意义下才能成立． 1924年, 柏林物理学家博特(O．Bothe，1892－1957)和盖革(H．W．Geiger，1882－1945) 用实验仔细考察了单个康普顿碰撞，利用计数器研究散射每个单独X射线光子和反冲电子之间的能量和动量，他们的实验直接揭示了反冲电子与散射X射线光子不但同时出现而且遵从两个守恒定律，这是通过实验对克喇末、玻尔和斯莱特观点的直接否定．正如赫肯黎(T．H．Huxley，1825－1895)曾经说过的话：“一个漂亮的假说被一个丑陋的事实扼杀了．”[2]几年后，海森伯（1929）在评述这段历史时指出，“玻尔一克拉摩一斯拉特理论代表了古典量子论危机的顶点”；[2]按照派斯（A．Pias，1918－）的说法，它是“古典量子论的最后一座堡垒”．[2]几乎同时，康普顿和西蒙(F．Simon，1893－1956)利用立体摄象发现，云室中电子径迹与光量子的作用也符合动量和能量守恒，这些实验对于量子论的发展具有深远的意义． 守恒定律在统计意义下才成立的观点虽然被否定，但“虚振子”模型在色散理论中却被保留了下来．光的发射与吸收看来与量子跃迁有关，而光的色散即并非如此，在经典理论中，光的吸收和色散通常是紧密联系的，而且依赖于以下观点：原子内部的电荷是可以移动的，因此处于外