加入收藏 网站地图 网站首页    
中国在线 首页
站内搜索
您的位置: 首页 >> 科技 >> 科技前沿 >> 正文
分享到:
海森堡之谜—20世纪科学史上最大的谜题!海森堡真的计算错误了吗
2018-12-27 1:16:00           作者: 小名新说

沃纳·海森堡,德国著名的理论物理学家、哲学家。作为量子力学的奠基者,他改变了人们对客观世界的基本观点及其在实际应用中对激光、晶体管、电子显微镜等现代化设备中都产生了巨大影响。他于20世纪20年代创立的量子力学,可用于研究电子、质子、中子以及原子和分子内部的其它粒子的运动,从而引发了物理界的巨大变化,开辟了20世纪物理时代的新纪元。成为继爱因斯坦和波尔之后的世界级的伟大科学家。

如果说玻尔-爱因斯坦之争是二十世纪科学史上最有名的辩论,那么海森堡在二战中的角色恐怕就是二十世纪科学史上最大的谜题。二战已经结束70多年,海森堡也已经逝世40多年,学术界至今仍在为“海森堡之谜”争辩不休:海森堡究竟是真的计算错误,还是故意犯错夸大困难,才导致德国没能造出原子弹?本期,就让我们带着这个疑问,一起走近这位徘徊在国家与道之间的科学家——沃纳·海森堡。


海森堡之谜—20世纪科学史上最大的谜题!海森堡真的计算错误了吗

沃纳·海森堡

1901年12月5日,海森堡出生于德国巴伐利亚州的维尔茨堡。他的父亲A.海森堡博士是名噪一时的语言学家和东罗马史学家,曾在慕尼黑大学担任中世纪和现代希腊语教授。受其影响,年幼的海森堡学到了一定的语言知识。

1911年海森堡进入久负盛名的慕尼黑麦克希米中学,并获得巴伐利亚州麦克希米基金会颁发的奖学金。他的外祖父曾任该校校长。麦克希米学校培养了不少未来的科学家,如量子思想的创始人普朗克就曾在此求学。中学时,海森堡迷上了数学,并且很快掌握了微分学和积分学。那时的他,一直憧憬着在未来成为一名数学家。

海森堡的中学时代恰逢第一次世界大战。1917年至1919年间他作为志愿者服务于战争后方从事救助工作。

1920年,海森堡以优异成绩完成了中学学业,考入慕尼黑大学,开始学习物理,数学,化学和天文学。在大学第一学期海森堡想加入数学家F.林德曼的研讨班,却被拒绝了。他转而在索末菲、维恩等指导下攻读物理学。索末菲教授精通原子理论,引导海森堡进入了新兴的量子论最前沿领域。

1922年冬,索末菲带着海森堡来到哥廷根大学聆听物理学大师尼尔斯·玻尔关于原子结构的系列讲座。年轻的海森堡给玻尔留下了深刻印象,两人的师生友谊也从此开始。

1923年,海森堡写出了题为《关于流体流动的稳定和湍流》这篇流体力学的博士论文,详细研究了非线性理论的近似性,年终取得了慕尼黑大学的哲学博士学位。10月,回到哥廷根,由马克思· 玻恩私人出资聘请为助教。这时他的主要研究兴趣转到了量子理论。经过一年的努力,海森堡在哥廷根顺利通过了申请终身教授职位的资格考试。

1924年6月7日在哥廷根第一次遇见爱因斯坦。7月,海森堡的《关于反常塞曼效应》论文通过审核,使其晋升为教师,获得德国大学任意级别的讲学资格。9月海森堡离开哥廷根,以洛克菲勒基金会研究员的身份奔赴他向往已久的理论物理学圣地—哥本哈根大学的理论物理研究所与玻尔一起工作。此后,海森堡置身于长期激烈的学术争鸣的氛围中,开始卓有成效的学术研究工作。


海森堡之谜—20世纪科学史上最大的谜题!海森堡真的计算错误了吗

 

1925年5月,海森堡返回德国,暂时任教于哥廷根大学。当时,这位年轻科学家正患枯草热。6月,在海格兰岛养病期间,海森堡的研究有了突破性进展,从而导致了全新自洽的原子理论——量子力学的诞生。之后得益于爱因斯坦的相对论的思路,海森堡和玻恩、P.约丹在哥廷根大学建立了量子力学的完备数学体系,称为矩阵力学。从此,人们找到了原子微观结构的自然规律。爱因斯坦曾开玩笑似的评价道:海森堡下了一个巨大的量子蛋!

这是一个在基本概念上与经典牛顿学说有着根本不同的新学说。这个新学说在海森堡的继承人做了某些修正后──取得了光辉的成果,今天被公认为可以应用于所有的物理体系,而不管其类型如何或规模大小。

1926年,海森堡收到邀请,莱比锡大学有意提供给他一个特聘教授职位。但是他放弃了这个难得的机会,5月,他再次访问哥本哈根大学,担任理论物理学讲师和玻尔的主要研究助手。次年,海森堡发表了《量子理论运动学和力学的直观内容》一文,提出了著名的“不确定性原理”(测不准原则),奠定了从物理学上解释量子力学的基础。被认为是科学中所有道理最深奥、意义最深远的原理之一。测不准原理所起的作用就在于它说明了我们的科学度量的能力在理论上存在的某些局限性,具有巨大的意义。它是对科学上的基本哲学观——决定论思想的一次重大革新:它告诉人们,测量仪器的不断改进,也不可能克服实际存在的误差。因而,在实践中,这一原理被越来越多的科学家所接受。

1927年年关前后,莱比锡大学的两位物理学终身教授T.德司考蒂意斯和O.维也纳相继去世。他们空出的实验物理学教授职位由索末菲的第一个博士生P.德拜填补上,而理论物理学教授职位则给了海森堡。于10月到莱比锡任职,吸引了许多天才后生前来求学。海森堡带领学生们开始了凝聚态量子力学的研究工作,并同其它原子理论研究中心(比如哥本哈根,哥廷根,慕尼黑和苏黎世)一直保持密切的学术交流。

1929年3月初海森堡完成了一篇重要的研究手稿,概括了他两年来推导相对论性量子场论的尝试和结果。之后他开始访问美国,首先到达东海岸的麻省理工学院(波士顿)和哥伦比亚大学(纽约),接着来到芝加哥大学并做了题为“量子理论的物理原理”的系列讲座。

1932年他再次应邀访问美国。许多美国和日本学生及学者频繁来莱比锡求学或讲学。国际著名的物理学大会也纷纷邀请海森堡参加并作报告。这些国际大会以及玻尔研究所举办的精英荟萃的小型研讨会激发了海森堡的物理思想也同时传播了他的最新研究成果,其中包括关于原子核结构的理论和关于宇宙线中的高能基本粒子过程的理论。

1933年初由新纳粹政府蓄意煽动的第一波种族歧视浪潮对德国各大学造成严重冲击。11月,首次针对海森堡的人身攻击开始了,原因是他拒绝在一篇向希特勒献媚的致词中签名。然而海森堡依旧公开反对政府强行解雇更多的犹太同事,尽管他和他的朋友们的这种努力在残酷的现实面前是徒劳的。同年12月11日,海森堡荣获1932年度的诺贝尔物理学奖。

1934年6月21日提出正子理论。

1939年9月第二次世界大战在欧洲在欧洲。期间,当爱因斯坦等科学家受到纳粹迫害时,海森堡因其对德国的热爱而留在德国,并尽可能地挽救德国的科学。


海森堡之谜—20世纪科学史上最大的谜题!海森堡真的计算错误了吗

原子核结构模型图

1941年,他被任命为柏林大学物理学教授和凯泽·威廉皇家物理所所长,成为德国研制原子弹核武器的领导人,与核裂变的发现者之一哈恩一起研制核反应堆。

尽管海森堡肩负战时秘密使命,他仍被允许数次出访国外,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将德国的核武器计划泄露给了玻尔已成为一个历史谜团。就海森堡本人而言,他希望访问交流能使自己与丹麦、荷兰、匈牙利以及瑞士的同事和朋友保持学术联系。

1942年,纳粹军任命海森堡为凯萨-威海姆物理研究所所长兼柏林大学教授,计划在柏林进行核武器的具体研制和大规模实验。6月,海森堡向德国军方报告铀计划难以在短时间内产生任何实际结果,并让德国军方相信德国在这一领域处在世界领先地位。最终德国军方暂时搁置这一计划,但军方也给与一定经济支持。由于战争条件的限制,该计划直到1945年初才在德国南部小城海格劳赫实施并近乎取得成功。

在欧洲战事即将结束时,一个美国特别分队逮捕了海森堡和其他九位德国原子物理学家。他们被拘留在英国将近一年,接受盟军的秘密审讯。在拘留所里,海森堡等人获悉了日本广岛和长琦被美军原子弹摧毁的消息。第二次世界大战以核武器的研制成功和毁灭性使用后果而告终。

1945年10月,和海森堡一同被拘留在英国的德国物理学家哈恩荣获1944年度的诺贝尔化学奖—该奖项肯定了他率先发现铀裂变的科学意义。


海森堡之谜—20世纪科学史上最大的谜题!海森堡真的计算错误了吗

广岛原子弹爆炸

1946年,海森堡与同事一道在哥廷根重建了哥廷根大学物理研究所,从事物理学和天文物理学研究,并担任所长。

1948年,该研究所易名为马克斯·普朗克物理研究所。10年以后,他又被聘为慕尼黑大学的物理教授,研究所也随他迁入慕尼黑,并改名为马克斯·普克物理及天文物理研究所。

第二次世界大战后,海森堡在促进原子能和平应用上做出了很大贡献。1949至1951年间,海森堡担任德意志研究院院长。他同时是西德政府处理核问题的科学顾问。到了五十年代中期,西德也参加了一些开发利用核能的项目。然而海森堡、哈恩、冯魏茨塞克和其他科学家坚决反对政府生产制造任何核武器。他们为此于1957年4月发表了著名的哥廷根限制核武器宣言。

1952年6月,由海森堡等人倡议的西欧核子研究中心(CERN)在日内瓦正式创建。这是一个以研究基本粒子和原子核的性质与相互作用为目标的国际物理中心,海森堡是该中心的首任科学政策委员会主席。德国的许多科研机构都参加了西欧核子中心的合作项目。

1953年成为洪堡基金会的主席,欧洲核研究委员会德国代表团团长,日内瓦和平利用原子能会议上西德的代表。此后的20年中,海森堡把重点转向基本粒子理论的研究。

1957年,海森堡和其他德国科学家联合反对用核武器武装德国军队。他还与日内瓦国际原子物理学研究所密切合作,并担任了这个研究机构的第一任委员会主席。

1958年4月,海森堡提出了非线性旋量理论。这个理论的基础是4个非线性微分方程及其包括引力子在内的所谓“宇宙公式”。这些方程系运用于自然界中,能体现出普遍对称性的基本形式的微分系统,而且能解释高能碰撞中产生的基本粒子的多样性。海森堡以他的研究不断推动现代物理向前发展。9月,海森堡回到慕尼黑,将他原先的研究所扩展为国际著名的马克思-普朗克物理和天体物理研究所,并与L.比尔曼共同担任所长。以此为模式,海森堡又在慕尼黑附近的伽兴市推动成立了马普等离子体研究所和马普大气物理所,在斯坦堡市推动成立了马普生态环境研究所。

海森堡晚年致力于建立一个描述基本粒子及其相互作用的统一量子场论。他的研究工作最初得到了泡利的支持,但是后来泡利开始怀疑海森堡的物理想法并最终退出了合作。1959年后,海森堡的有关研究结果陆续发表,却没有被物理学界广泛接受。尽管如此,海森堡的所谓非线性旋量场理论包含了许多具有创新意义的物理思想,启发后人最终成功地建立了电磁和弱相互作用的统一量子理论。

1976年2月1日,海森堡溘然长逝,享年74岁。这位“永远以哥伦布为榜样”的科学家,在物理学微观世界中,开拓了新的途径,成为量子力学的创始人之一,在微观粒子运动学和力学领域中做出了卓越的贡献。


海森堡之谜—20世纪科学史上最大的谜题!海森堡真的计算错误了吗

海森堡

而在海森堡逝世后,其作为德国原子弹计划的负责人,他在德国未能造出原子弹这一事件中究竟扮演着怎样的角色一直饱受争议。早在1940年,海森堡就意识到铀炸弹是可能的,但不知道他是否真的确切知道维持链式反应的最小量(战后海森堡争辩说自己清楚最小量)。1942年,(且不论有意无意)海森堡在向德军的报告中,认为至少需要几吨的铀235才能造出原子弹。致使德军制造原子弹的计划搁置。

战后,海森堡等人曾起草过一份备忘录,说明原子裂变是德国人发现的,德国在技术上是存在可能性造出原子弹的,但资源上仍有不足。如重水,当时唯一的重水来源是挪威的一个工厂,但这个工厂被盟军的特遣队多次破坏,已无法使用。并且,制造分离出足够的铀235需要大量的资源和人力物力,这项工作在战争期间难以完成。此外,海森堡还称,德国的科学家一开始就意识到原子弹所引发的道德问题,但是对国家的义务,却使他们不得不投身到工作中去!因此,他们消极怠工,并有意无意的夸大制造难度,加上外部环境的恶化,使实际能制造出原子弹的德国,最终没能成功造出。

然而,海森堡的说法惹怒了他原本的好友古德施密特,他认为认为德国不清楚原子弹技术原理和关键参数,之所以没能造出原子弹,是因为海森堡等人算错了一个重要参数。

2000年以后,即便是波尔家人和海森堡家人陆续公开了一些以前未曾公开的资料、信件,争论依然在继续,也许会永远继续。这就是著名的“海森堡之谜”!


关于“海森堡之谜”,欢迎大家在评论区留下自己的观点!点击收藏+关注,少一分对娱乐圈的追逐,多一分对科学历史的关注!

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
免责申明】 【打印文章
 相关文章:
[更 多]
 
最新新闻
海森堡之谜—20世纪科学史上最大的谜
什么情况!日本军舰要来华受阅?
还记得CS中“鸟狙”吗?其实是把超强
中国最大的地铁站竟然不在北京上海?
第二个起跑,天津是怎么“掉队”的?
九牧淋浴房,教你怎么优雅地打造标杆
055型万吨驱逐舰再次海试,预示着该
今天 公安警卫部队正式集体退役!
热门TOP
圣诞老人进化史:一部幽默而搞笑的
国产新一代核潜艇已经上路敬请期待
俄军宣布“萨尔马特”洲际导弹将于
美军B21隐形轰炸机获得重大进展:2
国家宪法日,一起学宪法!
韩国陆军计划12年内完成“师改旅”
我国产歼FC31或终于要获得订单?过
未来100年内,地球将从0.72型文明
     
精彩推荐

圣诞老人进化史:一部幽默而搞笑

圣诞老人进化史:一部幽默而搞笑

  
| 关于我们 | 广告服务 | 免责申明 | 网站地图 |
·主办: 中国在线 网络信息中心 旌华传媒
·官方门户: 中国在线 CNN.OOO China Online
·信箱: cn1n@163.com
·网址: www.cn1n.com  www.cnn.ooo For more information , please visit our website
·版权所有: 中国在线 网络信息中心 (C) 2005 - 2016
·备案许可: 鄂ICP备15005328号