沃納·卡爾·海森堡（Werner Karl Heisenberg，1901年12月5日出生于德國符茲堡，1976年2月1日逝世于西德慕尼黑）是德國著名物理學家，量子力學的主要創(chuàng)始人之一，哥本哈根學派的代表人物。同時，他還因其在第二次世界大戰(zhàn)期間作為德國核裂變研究領導者而受到爭議。
1920年，海森堡進入慕尼黑大學，1923年獲得了博士學位，并在索米菲的指導下發(fā)表了關于流體力學方向的博士論文。1926年，他被任命為哥本哈根大學理論物理學講師。次年，被萊比錫大學聘為理論物理學教授和物理系主任，任職15年。1941年，海森堡被任命為柏林洪堡大學物理學教授和凱澤·威廉皇家物理所所長。1946年，他與同事們重組了哥廷根市物理研究所，該研究后更名為馬克斯·普朗克物理研究所。
在海森堡的學術生涯中，他提出了量子力學的矩陣形式（矩陣力學），這一理論的發(fā)表以及其應用（主要指氫的自旋異構(gòu)體發(fā)現(xiàn)）使海森堡于1932年獲得諾貝爾物理學獎，他的《量子論的物理學基礎》是量子力學領域的一部經(jīng)典著作。此外海森堡又提出了“不確定性原理”（又稱“海森堡不確定性原理”）和S矩陣理論等。并且他還在湍流流體力學、原子核、鐵磁性、宇宙射線和亞原子粒子等領域做出了貢獻。在第二次世界大戰(zhàn)期間，他是德國核武器計劃的主要科學家，相關原子研究方面的工作引起爭議。
1955年海森堡當選為倫敦皇家自然知識促進學會外籍院士，1961年當選為美國國家科學院外籍院士。
人物生平
早年經(jīng)歷
沃納·卡爾·海森堡于1901年12月5日出生在德國維爾茨堡（符茲堡）。其父親是卡斯帕·恩斯特·奧古斯特·海森堡（Kaspar Ernst August Heisenberg），曾任中學教師和維爾茨堡大學講師，并在海森堡8歲時，成為慕尼黑大學唯一研究中世紀和現(xiàn)代希臘語的教授。母親安妮·韋克萊因（Annie Wecklein）是慕尼黑精英馬克西米利安文理中學校長的女兒。1906年9月，海森堡進入符茲堡小學。1910年，他的父親被任命為慕尼黑大學中世紀和現(xiàn)代希臘研究教授，他和家人一起搬到了慕尼黑，在那里他們定居在施瓦賓的文化和藝術區(qū)。9歲（1911年）時，海森伯格進入馬克西米利安文理中學進行了為期9年的學習，數(shù)學和自然科學的成績優(yōu)異。
1914年第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，由于盟軍對德國封鎖，食物和燃料等物資短缺，學校長期關閉。海森堡和他的同學開始在學校軍事訓練部隊服役。在德國君主制轉(zhuǎn)向社會民主共和國革命期間，海森堡和他的同學加入了一支從柏林派出部隊，一度對學習失去了興趣，直到德國青年運動才有了新的方向。
學業(yè)生涯
1920年，海森堡進入慕尼黑大學，師從阿諾德·索末菲（Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld，德國理論物理學家）、威廉·維恩（Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien，德國物理學家）、普林斯海姆（Alfred Pringsheim，德國數(shù)學家）學習物理學和數(shù)學，并于1923年獲得了博士學位，并在索米菲的指導下發(fā)表了關于流體力學方向的博士論文。
在慕尼黑大學1922-23學年，其導師阿諾德·索末菲在威斯康星大學麥迪遜分校休假，海森堡前往了哥廷根大學學習了一段時間，教他的老師主要有馬克斯·玻恩（Max Born，德裔英國物理學家和數(shù)學家）、弗蘭克（James Franck，德國物理學家）和戴維·希爾伯特（David Hilbert，德國數(shù)學家）。1924 年，在哥廷根市，在博恩的領導下，他完成了關于反常塞曼效應的適應理論的論文，晉身講師。在取得博士學位后成為了馬克斯·玻恩的助手，直到1926年春天。
在學生時期，海森堡就對光譜學發(fā)生了興趣，掌握了原子物理學方面的許多資料。另外，他經(jīng)常陪同老師阿諾德·索末菲參加各種學術會議，不僅使他增長了見識，也有機會與尼爾斯·玻爾（Niels Bohr，丹麥理論物理學家）討論各種問題。海森堡的新穎的見解，引起了波爾的重視，于是畢業(yè)后接受了波爾的邀請去哥本哈根工作。
工作生涯
從講師到教授
1924年9月17日至1925年5月1日，在國際教育委員會洛克菲勒基金會的資助下，海森堡與哥本哈根大學理論物理研究所所長尼爾斯·玻爾一起進行研究，并于1925年夏天返回哥廷根市。其中，1924年，海森堡在波爾的指導下，對光的色散理論進行探討，從中產(chǎn)生了對電子軌道的懷疑，當海森堡把這些可觀察量和代表軌道模型中周期運動坐標的約瑟夫·傅里葉級數(shù)聯(lián)系起來發(fā)現(xiàn)，這種代數(shù)是非對易的，兩種量的乘積與它們的先后次序有關。他把這篇論文和想法告訴了馬克斯·玻恩，并向老師請教。1925 年，海森堡在《關于運動學和力學關系的量子論的全新解釋》這篇論文中，創(chuàng)立了新的力學——矩陣代數(shù)，名為《量子力學》。到11月，他和助手一起完成了《量子力學II》，被視為新量子力學的基礎。
1926年，他被任命為哥本哈根大學理論物理學講師。次年，年僅26歲的海森堡被萊比錫大學聘為理論物理學教授和物理系主任，任職15年。1927年，海森堡有提出了不確定性原理，這個發(fā)現(xiàn)也成為原子物理學最偉大的成就之一。1928年的一篇論文中，他利用泡利不相容原理解開了鐵磁性之謎。1929年，海森堡前往美國、日本和印度進行巡回演講。
1933年1月阿道夫·希特勒上臺。同年12月，海森堡因創(chuàng)立的量子力學，尤其是運用量子力學理論發(fā)現(xiàn)了同素異形氫，榮獲諾貝爾物理學獎。1933年年中，海森堡提出了他的正電子理論。他對狄拉克理論的思考和理論的進一步發(fā)展在兩篇論文中得到了闡述。第一本是1934年出版的《狄拉克正電子理論評論》（Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons），第二本是1936年出版的《狄拉克正電子理論的后果》。在諾貝爾獎的影響下，海森堡成為德國現(xiàn)代物理學的主要人物。
海森堡在20世紀30年代后期的主要工作重點是高能宇宙射線，為此他提出了一種“爆炸陣雨”理論，即在一個過程中產(chǎn)生多個粒子，這與英國和美國物理學家主要青睞的“級聯(lián)”理論形成鮮明對比。海森堡還在宇宙射線現(xiàn)象中看到了他關于最小長度標記量子力學領域下邊界的想法的可能證據(jù)。作為量子力學的創(chuàng)始人和理論物理項目的負責人，海森堡吸引了萊比錫市眾多來自德國和世界各地的一流學生和訪客。海森堡和他的合作者提出了固態(tài)晶體、分子結(jié)構(gòu)、原子核輻射散射、鐵磁性和霍爾效應的解釋以及第一個中子-質(zhì)子模型等重要理論。
1939年波蘭戰(zhàn)役后，海森堡被征召到陸軍武器局工作，負責核能問題。起初，海森堡往返于萊比錫和柏林的德皇威廉物理研究所（KWI）之間。1941年，他被任命為柏林洪堡大學物理學教授和威廉皇家物理研究所所長。1942年后，海森伯格在德國的核研究中發(fā)揮了主導作用?？紤]到納粹的背景，這個角色一直備受爭議。
1945年1月，海森堡被美國軍事情報小組抓獲，與其他幾名德國物理學家一起在英國被拘留。
創(chuàng)辦研究所
1945年，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，海森伯格與其他德國物理學家被美國軍隊俘虜，送往了英國鄉(xiāng)村莊園農(nóng)場拘留了六個月。在此期間，他們的私人談話在那里被秘密錄音、轉(zhuǎn)錄和翻譯。1946年，他回到了德國并與同事們重組了哥廷根市物理研究所，致力于復興新興的西德共和國的研究。該研究所于1948年更名為馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維?！て绽士宋锢硌芯克?。
1948年，海森堡在英國劍橋講學數(shù)月。1949年，德國研究委員會 （Deutscher Forschungsrat）成立，該委員會由15名頂尖科學家組成，海森伯格擔任主席，該協(xié)會于1951年與德國科學緊急協(xié)會（Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft）合并為現(xiàn)在的德國研究協(xié)會（Deutsche Forschungsgemeinschaft）。1950年和1954年海森堡又應邀到美國講學。1955年至1956 年冬天，他在蘇格蘭圣安德魯斯大學發(fā)表了系列講座，并將其作為專著出版，也就是著名的《物理學與哲學》一書（英文版為《Physics and 哲學》，德文版為《Physik und Philosophie》）。
研究興趣轉(zhuǎn)移
自1953年以來，海森堡與沃爾夫?qū)づ堇?/a>將理論工作集中在基本粒子的統(tǒng)一場論上，在他看來是理解基本粒子是物理學的關鍵。當年，他成為亞歷山大·馮·洪堡基金會主席，為推進該基金會項目的發(fā)展，邀請了許多其他國家的科學家到德國工作。1955年，海森堡忙于將馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克物理研究所遷往慕尼黑。作為該研究所所長，他隨研究所前往慕尼黑，并于1958年被任命為慕尼黑大學物理學榮譽教授。他的研究所隨后更名為馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維?！て绽士宋锢砗吞祗w物理學研究所。1957年，海森堡對等離子體物理和熱核過程問題的研究產(chǎn)生了興趣，并與日內(nèi)瓦國際原子物理研究所密切合作，開展了許多工作。他曾多年擔任該研究所科學政策委員會主席，卸任后仍擔任該委員會成員。
1970年他從馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克物理和天體物理研究所退休，1972年最后一次訪問美國。1975年，辭去亞歷山大·馮·洪堡基金會主席職務。1976年2月1日，海森堡因癌癥在慕尼黑的家中去世。
主要成就
量子力學中哥本哈根學派的思想在量子力學理論建立過程中，形成了哥本哈根學派，而除了尼爾斯·玻爾作為這個學派的“靈魂”以外，海森堡也起到了不可忽視的作用，在他的學術生涯中分別提出了矩陣力學、不確定性原理、電磁場量子論、矩陣理論、同位旋概念等，并于1932年獲得了諾貝爾物理學獎（1933年頒發(fā)）。
矩陣力學
1925年，年僅23歲的海森堡發(fā)表了論文《關于運動學和力學關系的量子論的全新解釋》。由于這一理論的發(fā)表以及其應用（主要指氫的自旋異構(gòu)體發(fā)現(xiàn)），使他獲得了1932年諾貝爾物理學獎。海森堡的量子力學理論主要是基于對原子輻射的觀察，提出在某一個給定的時間點，一個電子所處的位置是無法確定的，也無法跟蹤它的軌跡，所以波爾假定的電子軌道并不存在；諸如位置、速度等力學量，無法用通常的數(shù)字來描述，但可以用抽象的數(shù)學結(jié)構(gòu)即矩陣來表達，于是海森堡用矩陣形式闡述了該理論（矩陣力學）。
不確定性原理
1927年，海森伯格提出了他著名的不確定性原理（也稱測不準原理），在一個量子力學系統(tǒng)中，一個運動粒子的位置和它的動量不可被同時確定，位置的不確定性和動量的不確定性是不可避免的，它們的乘積不小于（為普朗克常數(shù)），這些誤差對于人類來說雖然是微小的，但是在原子研究中并不能被忽略。即：位置的測量越精確，動量的測量就越不精確，反之亦然。在最極端的情況下，一個變量的絕對精度將導致另一個變量的絕對不精確。
重要論著
相關書籍
《量子理論的物理原理》
這部著作是量子力學領域的一部經(jīng)典著作，闡述了量子理論的物理意義，特別著重于粒子圖像和波動圖像的等價性，討論了“測不準原理”（又稱“海森堡不確定性原理”）對統(tǒng)一這兩種圖像的意義和必要性。在這部著作中，海森堡基于在芝加哥大學的演講，展示了量子理論的完整物理圖景。書中有不少內(nèi)容是海森堡獨到的見解，特別是對哥本哈根學派的觀點和思想作了完整論述，是這一學派的一本代表作。他不僅涵蓋了他自己的貢獻，還涵蓋了尼爾斯·玻爾、保羅·狄拉克、薩特延德拉·玻色、路易·德布羅意、恩里科·費米、阿爾伯特·愛因斯坦、沃爾夫?qū)づ堇?/a>、埃爾溫·薛定諤、薩默菲爾德、魯普、威爾遜、格默和其他人在一篇為不是量子理論或現(xiàn)代數(shù)學專家的物理科學家寫的文章中。
《原子時代的海森堡：科學與公共領域（自傳）》
海森堡在六十多歲時撰寫了自傳，并于1969年在德國出版，1971年以英文出版，隨后被翻譯成多個國家語言。后來，保羅·福爾曼（美國科學史學家）在《科學》雜志上評論該自傳：“這是一本以理性重構(gòu)對話形式呈現(xiàn)的回憶錄。而對話本身就是一種最陰險的文學手段：生動、有趣，特別適合暗示觀點，同時又逃避責任。”
重要論文
《關于運動學和動力學的量子力學解釋》
1925年，發(fā)表的《關于運動學和動力學的量子力學解釋》（"über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen". Zeitschrift für Physik. 1925,33 (1): 879–893）是一篇具有劃時代意義的論文，主要觀點是認為量子力學的問題不能直接用不可觀測的軌道來表述，應該采用躍遷幾率這類可以觀測的量來描述。這篇論文標志著量子物理學的一個重大突破，奠定了不久后產(chǎn)生的“矩陣力學”的基礎。
《論量子理論的運動學和力學的直觀內(nèi)容》
1927年，發(fā)表的《論量子理論的運動學和力學的直觀內(nèi)容》（"über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik". Z. Phys. 1927,43 (3–4): 172–198）是海森堡最著名和影響最廣的物理學論文。文中提出了“不確定性原理”，即亞原子粒子的位置和動量不可能同時準確測量。這一原理和馬克斯·玻恩的波函數(shù)概率解釋一起，奠定了量子力學幾率詮釋的物理基礎。
社會任職
人才培養(yǎng)
所獲榮譽
相關爭議
海森堡之謎
1939年，歐洲戰(zhàn)爭的爆發(fā)和柏林核裂變的發(fā)現(xiàn)增強了物理學家的信心。海森堡作為德國核武器開發(fā)計劃研制的參與者，和“計劃”中的其他同事開始研究核裂變的實際應用。不過納粹德國自始至終都沒有能力將核武器從理論變?yōu)楝F(xiàn)實。海森堡本人提供的一種說法稱，他其實并不信任阿道夫·希特勒政權(quán)，因此在盡力拖延納粹德國的研究計劃。但曼哈頓計劃重要領導人古德施密特等一些人對這種說法嗤之以鼻，這也被稱之為“海森堡之謎”。
哥本哈根之謎
1941年9月底，德國物理學家海森堡來到丹麥首都哥本哈根，看望丹麥物理學家奧格·玻爾，兩人進行了一次只有10分鐘的秘密會談，然后便不歡而散。經(jīng)過半個多世紀的論證，哥本哈根謎局浮現(xiàn)出兩個謎底。但由于證據(jù)不足，這兩個謎底仍然只能稱為“可能性”，不能稱為“定論”?？赡苄灾唬汉Ｉさ?941年哥本哈根之行，其秘密身份是納粹間諜，他希望通過這次會面，打探反法西斯同盟研制原子彈的進展情況?？赡苄灾汉Ｉご舜蝸砀绫竟?，是希望奧格·玻爾幫助德國研制原子彈。
后世紀念
AMC 電視連續(xù)劇《絕命毒師》講述了一位化學老師轉(zhuǎn)為毒品生產(chǎn)者，名叫沃爾特·懷特，他用“海森堡”這個名字作為他的筆名來向這位科學家致敬。
在計算機編程術語中，heisenbug 是一種軟件錯誤，當人們試圖研究它時，它似乎會消失或改變其行為。
人物評價
索末菲（Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld）的評價：湍流問題確實太難了，除了海森堡，我不會讓別的學生拿它作博士論文。海森堡在理論造詣上，我們都自愧不如。
電子自旋的發(fā)現(xiàn)者之一古德施密特（Goudsmit, Samuel Abraham）評價：海森堡是一位很偉大的物理學家，一位深刻的思想家、一位很有教養(yǎng)的人，同時也是一個很有勇氣的人。他是我們這個時代最偉大的物理學家之一，但是他在一些狂熱的同事沒根據(jù)的攻擊下經(jīng)受了嚴重的痛苦。按照我的意見，他在某些方面應該被看成是納粹政權(quán)的受害者。
尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）評價：海森堡在物理學發(fā)展中所起的作用，將被當作一種超等的作用而永志不忘。
利奧波第那科學院評價：海森堡是20世紀最重要的物理學家之一，他對基本粒子物理學和核物理學做出了重要貢獻。
人物關系
在量子學說領域中，除了海森堡，還有他的前輩馬克斯·普朗克、阿爾伯特·愛因斯坦、尼爾斯·玻爾以及法國物理學家路易·德·希羅格列，這些人都對量子力學有著深遠的影響，海森堡不是此領域中唯一成果顯赫的科學家。另外，海森堡發(fā)表了關于矩陣力學的論文后，其他一些科學家相繼做出了許多關于量子力學的成果，例如奧地利科學家歐文·施羅丁格，英籍科學家保羅·狄拉克等等。
海森堡的愛好古典音樂，同時他也是一位多才多藝的鋼琴家。 1937年1月，海森堡在一場私人音樂演奏會中結(jié)識了其妻子伊麗莎白·舒馬赫（Elisabeth Schumacher）。同年4月29日，海森堡與邁克爾·舒馬赫完婚。次年，他們有了一對雙胞胎，名為瑪麗亞（Maria Heisenberg）和沃爾夫?qū)╓olfgang Heisenberg）。后續(xù)12年，又陸續(xù)有了5個孩子分別為芭芭拉（Barbara Heisenberg）、克里斯汀·斯圖爾特（Kristen Heisenberg）、約亨（Jochen Heisenberg）、馬?。∕artin Heisenberg）和維雷娜（Verena Heisenberg）。其中，約亨后來也成為了一名物理學家，從事核物理研究。而馬丁成為了一位德國神經(jīng)生物學家和遺傳學家。
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