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如不确定性原理一般的人生:海森堡誕辰|科學史上的今天:12/5

1941年9月,德軍佔領丹麥已近一年半,德國物理學家海森堡特地前來哥本哈根大學拜訪波耳(Niels Bohr)。他走進熟悉的校園,心中感慨萬千,更為曾經亦師亦友的波耳將會如何待他而忐忑不安。等到會晤結束後,海森堡沮喪地向波耳道別,他心裡明白恩師與他真的從此恩斷義絕了……。

維爾納‧海森堡。圖片來源:wikimedia

他初識波耳已是十九年前,那時他還在攻讀博士學位,隨著老師前往哥廷根聆聽波耳的講學,得以結識這位物理巨擘。想必他留給波耳極佳的印象,兩年後特地通知他有筆獎學金可以讓他前往哥本哈根接受波耳一年的指導。因此已取得博士學位,正跟著玻恩(Max Born)作研究的海森堡在獲得玻恩首肯後,欣然前往。

這短短的一學年影響深遠。他深入探討波耳的氫原子模型,發現它假設電子分佈在不同能階,就像行星一樣在特定軌道繞行。但其實我們根本無從得知這些軌道的距離遠近,甚至是不是真的有所謂的軌道;我們唯一能觀測到的只有電子躍遷前後的能量差異,以及所產生或吸收之電磁波的頻率。因此,海森堡主張無需行星軌道這種古典模型的假設,而應該用觀測到的能量與頻率來描述粒子的行為。回到德國後,在玻恩與同僚約爾丹(P. Jordan)的協助之下(幫他用數學本來就有的矩陣解決複雜的運算),海森堡於1925年發表矩陣力學,開創了量子力學的理論基礎。

第二年,在波耳的力邀之下,海森堡來到哥本哈根大學講課同時擔任波耳的助理。1927年,他發表了更令古典物理搖搖欲墜的「海森堡測不準原理」──不可能同時確定粒子的位置與動量。他曾用淺顯易懂的方式說明:想知道粒子愈精確的位置就得用波長更短的光來「照射」,而波長越短能量就越強,也就更會改變粒子的動量,所以永遠都會顧此失彼。但波耳卻給他當頭棒喝:這樣的解釋等於承認粒子有客觀的位置和動量,只是我們無法精確測出來;這還是未脫古典物理的觀念。事實上,原本就沒有精確的位置與速度,所以粒子才有波粒二象性。

海森堡大澈大悟:不確定性並非測量的誤差,而是萬物的本質。問客觀事實是什麼是沒有意義的,只有觀測者所量得的結果才有意義。因此我們應該改稱為「不確定性原理」了;它為日後的哥本哈根詮釋奠下根基,海森堡與波耳並列哥本哈根學派的創立者。海森堡成為物理界耀眼的新星,1932年還獲頒諾貝爾物理獎,未來一片光明,直到納粹崛起……。

當他的科學家朋友們或為顧全性命,或不願為納粹效命而紛紛逃離德國時,海森堡卻基於愛國情操留了下來,甚至後來還接受徵召擔任原子彈計畫的主持人。很多科學家因為他為虎作倀而對他唾棄,其中也包括波耳。海森堡即是為此前來丹麥試圖向波耳解釋。

我們已經知道波耳並不接受,從此未再與海森堡見面。關於此次晤談的內容,兩人都未透露太多,因此海森堡究竟是為了克服原子彈的研發瓶頸,才來尋求波耳的協助?或只是來告訴波耳他決不會讓原子彈研發成功,尋求波耳對他為納粹服務一事諒解?至今科學家與史學家們仍各有主張,其真相究竟如何,恐怕就像海森堡的不確定性原理,永遠無法得知了。

延伸閱讀:10月7日──波耳誕辰

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。