海森堡之謎—20世紀科學史上最大的謎題!海森堡真的計算錯誤了嗎

沃納·海森堡，德國著名的理論物理學家、哲學家。作為量子力學的奠基者，他改變了人們對客觀世界的基本觀點及其在實際應用中對雷射、電晶體、電子顯微鏡等現代化設備中都產生了巨大影響。他於20世紀20年代創立的量子力學，可用於研究電子、質子、中子以及原子和分子內部的其它粒子的運動，從而引發了物理界的巨大變化，開闢了20世紀物理時代的新紀元。成為繼愛因斯坦和波爾之後的世界級的偉大科學家。

如果說玻爾-愛因斯坦之爭是二十世紀科學史上最有名的辯論，那麼海森堡在二戰中的角色恐怕就是二十世紀科學史上最大的謎題。二戰已經結束70多年，海森堡也已經逝世40多年，學術界至今仍在為「海森堡之謎」爭辯不休：海森堡究竟是真的計算錯誤，還是故意犯錯誇大困難，才導致德國沒能造出原子彈？本期，就讓我們帶著這個疑問，一起走近這位徘徊在國家與道之間的科學家——沃納·海森堡。

沃納·海森堡

1901年12月5日，海森堡出生於德國巴伐利亞州的維爾茨堡。他的父親A.海森堡博士是名噪一時的語言學家和東羅馬史學家，曾在慕尼黑大學擔任中世紀和現代希臘語教授。受其影響，年幼的海森堡學到了一定的語言知識。

1911年海森堡進入久負盛名的慕尼黑麥克希米中學，並獲得巴伐利亞州麥克希米基金會頒發的獎學金。他的外祖父曾任該校校長。麥克希米學校培養了不少未來的科學家，如量子思想的創始人普朗克就曾在此求學。中學時，海森堡迷上了數學，並且很快掌握了微分學和積分學。那時的他，一直憧憬著在未來成為一名數學家。

海森堡的中學時代恰逢第一次世界大戰。1917年至1919年間他作為志願者服務於戰爭後方從事救助工作。

1920年，海森堡以優異成績完成了中學學業，考入慕尼黑大學，開始學習物理，數學，化學和天文學。在大學第一學期海森堡想加入數學家F.林德曼的研討班，卻被拒絕了。他轉而在索末菲、維恩等指導下攻讀物理學。索末菲教授精通原子理論，引導海森堡進入了新興的量子論最前沿領域。

1922年冬，索末菲帶著海森堡來到哥廷根大學聆聽物理學大師尼爾斯·玻爾關於原子結構的系列講座。年輕的海森堡給玻爾留下了深刻印象，兩人的師生友誼也從此開始。

1923年，海森堡寫出了題為《關於流體流動的穩定和湍流》這篇流體力學的博士論文，詳細研究了非線性理論的近似性，年終取得了慕尼黑大學的哲學博士學位。10月，回到哥廷根，由馬克思· 玻恩私人出資聘請為助教。這時他的主要研究興趣轉到了量子理論。經過一年的努力，海森堡在哥廷根順利通過了申請終身教授職位的資格考試。

1924年6月7日在哥廷根第一次遇見愛因斯坦。7月，海森堡的《關於反常塞曼效應》論文通過審核，使其晉升為教師，獲得德國大學任意級別的講學資格。9月海森堡離開哥廷根，以洛克菲勒基金會研究員的身份奔赴他嚮往已久的理論物理學聖地—哥本哈根大學的理論物理研究所與玻爾一起工作。此後，海森堡置身於長期激烈的學術爭鳴的氛圍中，開始卓有成效的學術研究工作。

海森堡

1925年5月，海森堡返回德國，暫時任教於哥廷根大學。當時，這位年輕科學家正患枯草熱。6月，在海格蘭島養病期間，海森堡的研究有了突破性進展，從而導致了全新自洽的原子理論——量子力學的誕生。之後得益於愛因斯坦的相對論的思路，海森堡和玻恩、P.約丹在哥廷根大學建立了量子力學的完備數學體系，稱為矩陣力學。從此，人們找到了原子微觀結構的自然規律。愛因斯坦曾開玩笑似的評價道：海森堡下了一個巨大的量子蛋！

這是一個在基本概念上與經典牛頓學說有著根本不同的新學說。這個新學說在海森堡的繼承人做了某些修正後──取得了光輝的成果，今天被公認為可以應用於所有的物理體系，而不管其類型如何或規模大小。

1926年，海森堡收到邀請，萊比錫大學有意提供給他一個特聘教授職位。但是他放棄了這個難得的機會，5月，他再次訪問哥本哈根大學，擔任理論物理學講師和玻爾的主要研究助手。次年，海森堡發表了《量子理論運動學和力學的直觀內容》一文，提出了著名的「不確定性原理」（測不準原則），奠定了從物理學上解釋量子力學的基礎。被認為是科學中所有道理最深奧、意義最深遠的原理之一。測不準原理所起的作用就在於它說明了我們的科學度量的能力在理論上存在的某些局限性，具有巨大的意義。它是對科學上的基本哲學觀——決定論思想的一次重大革新：它告訴人們，測量儀器的不斷改進，也不可能克服實際存在的誤差。因而，在實踐中，這一原理被越來越多的科學家所接受。

1927年年關前後，萊比錫大學的兩位物理學終身教授T.德司考蒂意斯和O.維也納相繼去世。他們空出的實驗物理學教授職位由索末菲的第一個博士生P.德拜填補上，而理論物理學教授職位則給了海森堡。於10月到萊比錫任職，吸引了許多天才後生前來求學。海森堡帶領學生們開始了凝聚態量子力學的研究工作，並同其它原子理論研究中心(比如哥本哈根，哥廷根，慕尼黑和蘇黎世)一直保持密切的學術交流。

1929年3月初海森堡完成了一篇重要的研究手稿，概括了他兩年來推導相對論性量子場論的嘗試和結果。之後他開始訪問美國，首先到達東海岸的麻省理工學院(波士頓)和哥倫比亞大學(紐約),接著來到芝加哥大學並做了題為「量子理論的物理原理」的系列講座。

1932年他再次應邀訪問美國。許多美國和日本學生及學者頻繁來萊比錫求學或講學。國際著名的物理學大會也紛紛邀請海森堡參加並作報告。這些國際大會以及玻爾研究所舉辦的精英薈萃的小型研討會激發了海森堡的物理思想也同時傳播了他的最新研究成果，其中包括關於原子核結構的理論和關於宇宙線中的高能基本粒子過程的理論。

1933年初由新納粹政府蓄意煽動的第一波種族歧視浪潮對德國各大學造成嚴重衝擊。11月，首次針對海森堡的人身攻擊開始了，原因是他拒絕在一篇向希特勒獻媚的致詞中簽名。然而海森堡依舊公開反對政府強行解僱更多的猶太同事，儘管他和他的朋友們的這種努力在殘酷的現實面前是徒勞的。同年12月11日，海森堡榮獲1932年度的諾貝爾物理學獎。

1934年6月21日提出正子理論。

1939年9月第二次世界大戰在歐洲在歐洲。期間，當愛因斯坦等科學家受到納粹迫害時，海森堡因其對德國的熱愛而留在德國，並儘可能地挽救德國的科學。

原子核結構模型圖

1941年，他被任命為柏林大學物理學教授和凱澤·威廉皇家物理所所長，成為德國研製原子彈核武器的領導人，與核裂變的發現者之一哈恩一起研製核反應堆。

儘管海森堡肩負戰時秘密使命，他仍被允許數次出訪國外，其中包括1941年9月的哥本哈根之行。海森堡是否在哥本哈根將德國的核武器計劃洩露給了玻爾已成為一個歷史謎團。就海森堡本人而言，他希望訪問交流能使自己與丹麥、荷蘭、匈牙利以及瑞士的同事和朋友保持學術聯繫。

1942年，納粹軍任命海森堡為凱薩-威海姆物理研究所所長兼柏林大學教授，計劃在柏林進行核武器的具體研製和大規模實驗。6月，海森堡向德國軍方報告鈾計劃難以在短時間內產生任何實際結果，並讓德國軍方相信德國在這一領域處在世界領先地位。最終德國軍方暫時擱置這一計劃，但軍方也給與一定經濟支持。由於戰爭條件的限制，該計劃直到1945年初才在德國南部小城海格勞赫實施並近乎取得成功。

在歐洲戰事即將結束時，一個美國特別分隊逮捕了海森堡和其他九位德國原子物理學家。他們被拘留在英國將近一年，接受盟軍的秘密審訊。在拘留所裡，海森堡等人獲悉了日本廣島和長琦被美軍原子彈摧毀的消息。第二次世界大戰以核武器的研製成功和毀滅性使用後果而告終。

1945年10月，和海森堡一同被拘留在英國的德國物理學家哈恩榮獲1944年度的諾貝爾化學獎—該獎項肯定了他率先發現鈾裂變的科學意義。

廣島原子彈爆炸

1946年，海森堡與同事一道在哥廷根重建了哥廷根大學物理研究所，從事物理學和天文物理學研究，並擔任所長。

1948年，該研究所易名為馬克斯·普朗克物理研究所。10年以後，他又被聘為慕尼黑大學的物理教授，研究所也隨他遷入慕尼黑，並改名為馬克斯·普克物理及天文物理研究所。

第二次世界大戰後，海森堡在促進原子能和平應用上做出了很大貢獻。1949至1951年間，海森堡擔任德意志研究院院長。他同時是西德政府處理核問題的科學顧問。到了五十年代中期，西德也參加了一些開發利用核能的項目。然而海森堡、哈恩、馮魏茨塞克和其他科學家堅決反對政府生產製造任何核武器。他們為此於1957年4月發表了著名的哥廷根限制核武器宣言。

1952年6月，由海森堡等人倡議的西歐核子研究中心(CERN)在日內瓦正式創建。這是一個以研究基本粒子和原子核的性質與相互作用為目標的國際物理中心，海森堡是該中心的首任科學政策委員會主席。德國的許多科研機構都參加了西歐核子中心的合作項目。

1953年成為洪堡基金會的主席，歐洲核研究委員會德國代表團團長，日內瓦和平利用原子能會議上西德的代表。此後的20年中，海森堡把重點轉向基本粒子理論的研究。

1957年，海森堡和其他德國科學家聯合反對用核武器武裝德國軍隊。他還與日內瓦國際原子物理學研究所密切合作，並擔任了這個研究機構的第一任委員會主席。

1958年4月，海森堡提出了非線性旋量理論。這個理論的基礎是4個非線性微分方程及其包括引力子在內的所謂「宇宙公式」。這些方程系運用於自然界中，能體現出普遍對稱性的基本形式的微分系統，而且能解釋高能碰撞中產生的基本粒子的多樣性。海森堡以他的研究不斷推動現代物理向前發展。9月，海森堡回到慕尼黑，將他原先的研究所擴展為國際著名的馬克思-普朗克物理和天體物理研究所，並與L.比爾曼共同擔任所長。以此為模式，海森堡又在慕尼黑附近的伽興市推動成立了馬普等離子體研究所和馬普大氣物理所，在斯坦堡市推動成立了馬普生態環境研究所。

海森堡晚年致力於建立一個描述基本粒子及其相互作用的統一量子場論。他的研究工作最初得到了泡利的支持，但是後來泡利開始懷疑海森堡的物理想法並最終退出了合作。1959年後，海森堡的有關研究結果陸續發表，卻沒有被物理學界廣泛接受。儘管如此，海森堡的所謂非線性旋量場理論包含了許多具有創新意義的物理思想，啟發後人最終成功地建立了電磁和弱相互作用的統一量子理論。

1976年2月1日，海森堡溘然長逝，享年74歲。這位「永遠以哥倫布為榜樣」的科學家，在物理學微觀世界中，開拓了新的途徑，成為量子力學的創始人之一，在微觀粒子運動學和力學領域中做出了卓越的貢獻。

而在海森堡逝世後，其作為德國原子彈計劃的負責人，他在德國未能造出原子彈這一事件中究竟扮演著怎樣的角色一直飽受爭議。早在1940年，海森堡就意識到鈾炸彈是可能的，但不知道他是否真的確切知道維持鏈式反應的最小量（戰後海森堡爭辯說自己清楚最小量）。1942年，（且不論有意無意）海森堡在向德軍的報告中，認為至少需要幾噸的鈾235才能造出原子彈。致使德軍製造原子彈的計劃擱置。

戰後，海森堡等人曾起草過一份備忘錄，說明原子裂變是德國人發現的，德國在技術上是存在可能性造出原子彈的，但資源上仍有不足。如重水，當時唯一的重水來源是挪威的一個工廠，但這個工廠被盟軍的特遣隊多次破壞，已無法使用。並且，製造分離出足夠的鈾235需要大量的資源和人力物力，這項工作在戰爭期間難以完成。此外，海森堡還稱，德國的科學家一開始就意識到原子彈所引發的道德問題，但是對國家的義務，卻使他們不得不投身到工作中去！因此，他們消極怠工，並有意無意的誇大製造難度，加上外部環境的惡化，使實際能製造出原子彈的德國，最終沒能成功造出。

然而，海森堡的說法惹怒了他原本的好友古德施密特，他認為認為德國不清楚原子彈技術原理和關鍵參數，之所以沒能造出原子彈，是因為海森堡等人算錯了一個重要參數。

2000年以後，即便是波爾家人和海森堡家人陸續公開了一些以前未曾公開的資料、信件，爭論依然在繼續，也許會永遠繼續。這就是著名的「海森堡之謎」！

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