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德国理论物理学家沃纳·海森伯作为现代物理学的开拓者之一,创立了量子力学的矩阵力学形式,提出了不确定性原理,把物理学带入了一个全新的世界.
兄弟俩较劲
海森伯5岁那年,差点因肺炎死去.在成长过程中,他还时常受到过敏症和其他疾病的困扰,身体不是太好.不过,这个瘦弱的孩子却自信满满、争强好胜,总想出人头地.这,大概要归因于他那具有强烈个性和学术抱负的父亲,对他及其哥哥施行的一种特殊的教育方式.
那是在20世纪最初的10年间,第一次世界大战爆发前,德国的维尔茨堡,一个非常幽静的、田园式的传统城市,伦琴就是在那里发现了X射线.出生于中产阶级手艺人家庭、任职于中学的海森伯的父亲,被批准在大学里担任无公薪讲师（后来他成为德国唯一的中世纪及现代希腊语方面的正教授）,这在当时可谓社会地位提升的一种标志.这位父亲的亲身垂范激扬了他两个儿子的雄心壮志,而他常常也刻意“诱导”哥俩在学业方面展开竞赛.
“我们的父亲习惯于和我们进行各种比賽等他是一位很好的教师,他发现比赛可以用来教育孩子们.因此,当我哥哥在他的学校作业中遇到一些数学问题时等父亲就用这些问题当作一种比赛,来看看谁能很快地做出来等我发现我能相当快地做出这些数学题,因此从那时起我对数学就有了一种特殊的兴趣.”多年以后,海森伯回忆道.
那一时期,由于受做锁匠的祖父的影响,海森伯兄弟俩十分喜欢摆弄和制造一些机械玩意.他们的“杰作”是一艘1.5米长的电动战舰,上面装有遥控的桨片,可以电动“发炮”.这或许算得上是兄弟俩在科学方面唯一的一次“合作”了.
遗憾的是,他俩的那种家庭竞赛虽然产生了“比学赶帮”的效应,但也造成了兄弟之间因较劲而导致的情感伤害,乃至终生不和.在海森伯成名之后的多次公开回忆中,他那位成了化学家的哥哥就好像不存在一样.
“奇特”和“刺激”
中学时代的海森伯似乎从来也没有被课堂作业难倒过.第二学年结束时,他的老师在他的年级报告上写道：“他像闹着玩似的取得了优异成绩,根本就不费劲.”还有老师评价他说：“他在理性方面的发展,要比幻想和想象力发展得更快.”
那时候,海森伯经常是在精神高度集中的情况下快速完成家庭作业,然后就去干更有挑战性和更有趣的事情,例如音乐、下棋之类.数学老师沃耳夫注意到了这个特别的孩子,就有意挑选一些特殊的问题,拿给他说：“试着解解这个和这个.”
然而,当课程从算术转向几何学时,海森伯却泄了气,声称对枯燥的三角形和正方形毫无兴趣.沃耳夫开导他说：“普遍成立的命题可以从几何学得出,而这些命题是跟物理现象瞬变的‘实在’世界相对应的.”海森伯顿时领悟到了数理世界之间的对应关系,感到既“奇特”,又“刺激”.此后不久,他弄到一本爱因斯坦专为中学生写的关于相对论的小册子,并惊喜地看到,书中开篇即谈及“几何命题的物理内涵”.
差不多就在这当口,他的父母交给他一个任务：帮助一位比他大8岁、正准备化学方面博士考试的女大学生温习数学.由此他提早熟悉了微积分,并在随后到来的期末考试中,演示了用微积分求解牛顿运动方程,令主考老师大为惊讶.
诱人的“角色”
1920年秋,海森伯进入慕尼黑大学不久,即在一次和朋友的对谈中展望了自己的职业理想：“在这儿,我们相信我是在未知的土地上,而且也许需要若干代的物理学家才能找到确定的答案.我觉得在所有这一切中担当某一角色是很诱人的.”
事实上确实如此.始于马克斯·普朗克量子观念的基础物理学的伟大革命,以20世纪20年代令人惊叹的突破达到了顶峰,而海森伯迈出的一大步具有决定性的意义,也使得年纪轻轻的他很快就攀登到了他的职业顶点.
1923年,海森伯以论文《流体动力学的基本方程》获得博士学位.随后他到哥廷根大学,在玻恩的指导下工作.在玻恩眼中,海森伯看起来像是一个单纯的农家子弟,有一头金色的短发,还有一双明澈的眼睛,表情迷人.他俩合作撰写了《玻尔原子分子模型中的相位关系》一文.
这个时候,量子理论仍面临许多问题.海森伯决心建立一个数学模式来解释原子结构.当时已经知道,不同元素可以根据它发出的光的频率来进行鉴定（频率几乎就像人的指纹一样具有唯一性）.玻尔早前发现并意识到,氢光谱中的光谱线是由于电子在高能和低能轨道之间的跃迁产生的.当电子跃迁时,它们发出特定频率的光子,表现出某种颜色,在频谱线上形成一条光谱.既然玻尔等人所设想的原子模型是为了揭示光谱线的位置而提出来的,那么,为什么不从那些光谱线着手,找出能说明这些谱线的数学关系呢?
海森伯另辟蹊径,记下所观察到的不同的氢原子的光谱频率,并把它们按照矩阵的形式排列起来（矩阵是把数字按行和列排列起来的数学方法）.他发现,确实可以用公式的方式来表达频谱线的频率和其他观察到的特性的关系.
1925年9月,24岁的海森伯发表论文《关于运动学和动力学的量子力学解释》,公布了计算结果.这个发现被认为是现代物理学的一个关键转折点,并奠定了不久后产生的“矩阵力学”的重要基础.英国物理学家保罗·狄拉克最终证明,海森伯的矩阵力学和奥地利物理学家埃尔温·薛定谔稍后提出的波动力学,都能导致同样的结果.正如你无论是选择以英里还是以千米为测量单位,都不会改变你所测量的距离.它们不过是迥异于日常世界所有事物的一个整体的不同方面,并且只是在原子和亚原子粒子的小尺寸层面上才具有重要意义.这也正是基本粒子令人深感困惑的特性所在：有的时候呈现为粒子——在空间上确定的点；有的时候又呈现为波——分布在一定区域内的能量.这两种可能的形态竟能合于一“体”,用哲学术语来说,那就是“统一的多样性”.
测不准和不确定性
海森伯论文参考资料：
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