【精品】高三物理 第二十一章 電子論初步 五、不確定關(guān)系(備課資料)

1、備課資料一、海森伯生平簡介海森伯，W.K.(Werner Karl Heisenberg 19071976)德國理論物理學(xué)家，量子力學(xué)第一種有效形式（矩陣力學(xué)）的創(chuàng)建者.1901年12月5日生于維爾茲堡，出身于一位教古希臘語言的中學(xué)教師家庭，從小就受到家庭在古代文學(xué)方面的熏陶.1920年中學(xué)畢業(yè)，進慕尼黑大學(xué)學(xué)習(xí)理論物理學(xué)，他在慕尼黑大學(xué)時，在索末菲（Summerfield）指導(dǎo)下學(xué)習(xí)理論物理學(xué).1923年在那里獲得哲學(xué)博士學(xué)位.然后，他到哥廷根大學(xué)深造，成為玻恩教授和希爾伯特教授的學(xué)生，備受玻恩教授賞識.據(jù)玻恩回憶：“海森伯是我所能想象的最敏銳和最有能力的合作者”，“要跟上年青人，這對我一個

2、上了年紀(jì)的人來說是很困難的”.1924年，海森伯開始在哥廷根大學(xué)講課.兩年后成為哥本哈根大學(xué)的講師.在那里，由洛克菲勒基金發(fā)給薪水，在N.玻爾的指導(dǎo)下進行研究.1927年，年僅26歲的海森伯回到德國擔(dān)任萊比錫大學(xué)的理論物理學(xué)教授，一直到1941年，1941年至1945年間，他在德國柏林大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)教授兼任凱澤·威廉（Kais-Wilhelm)物理學(xué)研究所所長.1946年他再度到哥廷根大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)教授并兼任哥廷根的普朗克物理學(xué)研究所所長，一直到1958年.在此期間，1955年至1956年還兼任圣安德勒斯大學(xué)（Gifford)講座講師，1955年成為英國皇家學(xué)會會員.1958年至19

3、70年，在德國慕尼黑擔(dān)任物理學(xué)與天體物理學(xué)的普朗克研究所所長兼慕尼黑大學(xué)教授.1970年以后成為上述研究所的榮譽退休所長.1932年度的諾貝爾物理學(xué)獎于1933年授予海森伯，因為他創(chuàng)立了量子力學(xué)（矩陣力學(xué)）.它導(dǎo)致了氫的同素異形形式的發(fā)現(xiàn).此外，他還獲得許多其他方面的獎勵.1976年2月1日海森伯教授與世長辭，終年75歲.二、科學(xué)成就海森伯在物理學(xué)中的主要成就是和別的學(xué)者一起創(chuàng)立了量子力學(xué)，發(fā)現(xiàn)了測不準(zhǔn)原理，第一個提出基本粒子中的同位旋概念.海森伯于1925年7月在德國物理學(xué)雜志上發(fā)表第一篇關(guān)于矩陣力學(xué)的論文，題目是關(guān)于運動學(xué)和動力學(xué)的量子力學(xué)解釋.海森伯認為量子力學(xué)的問題不能直接用不可觀測的

4、軌道來表述，應(yīng)該采用躍遷幾率這類可以觀測的量來描述.接著，海森伯就和玻恩、約爾丹（1902）一起進行研究，創(chuàng)立了量子力學(xué)的一種表達方式矩陣力學(xué).1927年海森伯首先提出了測不準(zhǔn)原理，他在原子核物理學(xué)一書中提出：“有兩個參數(shù)：微觀粒子的位置和速度，可以確定該微觀粒子的運動.不過，任何時候也不可能同時準(zhǔn)確地了解這兩個參數(shù).任何時候也不可能同時了解：微觀粒子處于何處，以多大的速度和向哪個方向運動.如果進行實驗測量，如精確地測定粒子在特定時刻所處的位置，那么運動即遭到破壞，以致以后不可能重新找到該粒子.反之，如果精確地測出它的速度，那么它的位置圖象就完全模糊不清.”后來海森堡還提出，不但坐標(biāo)和動量，而

5、且方位角和角動量、能量和時間等也都是成對的測不準(zhǔn)量.為了表彰他在科學(xué)上的重大貢獻建立量子力學(xué)，海森伯獲得1932年諾貝爾物理學(xué)獎，并獲得馬克斯·普朗克獎?wù)?海森伯從1930年起作了長期而系統(tǒng)的理論和實驗研究，證實了中子和中子、質(zhì)子和質(zhì)子、質(zhì)子和中子之間的相互作用力都是相同的，是一種特殊的核力.從這個事實出發(fā)，海森伯認為質(zhì)子和中子實際上是同一種粒子的兩種量子狀態(tài)，只是內(nèi)部坐標(biāo)不同，這種內(nèi)部坐標(biāo)被稱為同位旋.此外，海森伯還對高能粒子的碰撞作用進行過理論研究，創(chuàng)立了S矩陣?yán)碚?在鐵磁體理論的研究方面，海森伯也做出了一定的貢獻.三、趣聞軼事1.走進物理學(xué)世界海森伯有一個幸福和安寧的童年，他最

6、早的回憶，是維爾茨堡高地的學(xué)校五彩繽紛的窗玻璃所展現(xiàn)給他的一個五光十色的世界.他在11歲時，曾因在歡迎攝政王路德維希（Ludwig，即后來的國王路德維希三世）訪問馬克西米利安高級文科中學(xué)時背誦了他母親所寫的一首小詩，而獲得路德維希贈給他的一副刻有王冠的純金飾物.家庭和生活圈子對他的熏陶不只是古典文學(xué)，還有古典音樂.他在十三四歲時，已能準(zhǔn)確無誤地看譜演奏鋼琴，參加室內(nèi)音樂的演奏，以至于考慮是否應(yīng)該做一個音樂家，可是在那個時候，他的興趣和未來的生活道路已經(jīng)基本上確定了.海森伯8歲時，他的家庭從維爾茨堡遷到了慕尼黑，這里雖然看不到故鄉(xiāng)維爾茨堡那令人陶醉神往的山川河流和森林，卻是他有聲有色的物理學(xué)生涯

7、的真正故鄉(xiāng)和出發(fā)點.學(xué)校的功課對他算不了什么，所以他有足夠的時間按照自己的計劃忙個不停.他曾和哥哥一道做了一只有0.75米長的大型軍艦?zāi)Ｐ停厦嫜b有自己制作的小炮，真的可以射擊，并且是用電來觸發(fā)的.在這個時期，海森伯已經(jīng)深深地被自然科學(xué)特別是數(shù)學(xué)和物理學(xué)吸引住了.后來在回憶這一時期的生活時，他曾有點靦腆地說過：“我有點像個神童.”他在14歲時，就曾幫助過家庭的一位女友準(zhǔn)備化學(xué)博士考試中的數(shù)學(xué)問題.除了數(shù)學(xué)本身外，海森伯很早就意識到與數(shù)學(xué)緊緊聯(lián)系的那些哲學(xué)問題的重要性.H.韋耳（Well）的空間、時間和物質(zhì)（Raum-Zeit-Materie,Berlin,1918)那本書使他著了魔，以至他在中

8、學(xué)畢業(yè)后就去找慕尼黑大學(xué)的數(shù)學(xué)家F.林德曼（Lineman)教授討教.林德曼拒絕了他，因為教授認為讀這本書已毀了他學(xué)數(shù)學(xué)的前途.后來是A索末菲（Sommerfield)教授把他的這個興趣富有成效地引導(dǎo)到同物理結(jié)合起來.2.一個有膽識的大學(xué)生1920年海森伯中學(xué)畢業(yè)后，進入慕尼黑大學(xué)學(xué)習(xí)理論物理，在索末菲的指導(dǎo)下，海森伯很快就進入當(dāng)時物理學(xué)研究的前沿，表現(xiàn)出出眾的才華.第一學(xué)期，為了解釋反常塞曼效應(yīng)的譜線，他首先引進了半量子數(shù).這需要很大膽識，當(dāng)時普遍認為量子數(shù)都是整數(shù).第二學(xué)期上流體力學(xué)課，海森伯寫了一篇關(guān)于卡門渦流的絕對大小的論文，深得索末菲的贊賞，1922年6月，海森伯隨索末菲到格丁根大學(xué)

9、，參加由M.玻恩（Born)和J.夫蘭克（Franck)發(fā)起的關(guān)于原子物理的討論，這個討論會是圍繞玻爾（Bohr)的一系列關(guān)于原子物理和元素周期律的演講而展開的，在一次討論中，當(dāng)時年僅20歲的海森伯竟站起來對玻爾的某些論點提出異議，并勇敢地進行辯論.討論結(jié)束時玻爾約他當(dāng)日下午一同去散步，以便繼續(xù)討論.這次與玻爾在散步中的長時間談話，對海森伯啟發(fā)很大，無怪乎他說，這次散步是他科學(xué)上成長的起點.3.治學(xué)特色愛因斯坦和狄拉克的思考方式與研究風(fēng)格，是從第一性的原理出發(fā)，經(jīng)過嚴(yán)密的邏輯推理和數(shù)學(xué)演繹，來獲得對物理現(xiàn)象的深入和全新理解.這是理論物理學(xué)家思考方式與研究風(fēng)格的一種類型.而海森伯的思考方式與研究

10、風(fēng)格更接近玻爾，他們先從具體物理實驗和現(xiàn)象的分析中發(fā)掘新的思想觀念和物理原理，然后在此基礎(chǔ)上建立理論體系.這是理論物理學(xué)家思考方式與研究風(fēng)格的又一種類型.他們熟悉具體的實驗現(xiàn)象，強調(diào)新的實驗現(xiàn)象蘊含著新的物理，而在研究工作中往往更依賴于過去的經(jīng)驗、對現(xiàn)象的綜合和物理的直覺.多數(shù)獲得了實際成果的理論研究都屬于這后一種類型，所以海森伯的思想和哲學(xué)在西方物理學(xué)界有很大影響.海森伯具有一種能夠從物理上把握問題關(guān)鍵的直覺，這使他成為20世紀(jì)最富于創(chuàng)造性和最成功的物理學(xué)家之一.海森伯對于從一般哲學(xué)的深度來提出和分析問題的偏愛，使他成了關(guān)于量子力學(xué)的解釋的哥本哈根學(xué)派中僅次于玻爾的領(lǐng)袖人物.由于對哲學(xué)以及有關(guān)人情、藝術(shù)和文學(xué)方面的共同觀點，海森伯與玻爾曾經(jīng)建立了深厚的友誼，只是由于在發(fā)生于德國而隨后殃及全人類的那一場法西斯浩劫中，海森伯為納粹在制造核武器的可能性方面所作的物理學(xué)研究，致使他無可挽回地失去了玻爾以及其他一些物理學(xué)家的信任和友誼.海森伯生活中的這段經(jīng)歷，則成了戰(zhàn)后物理學(xué)界乃至社會公眾爭議的一個話題.海森伯是一個舉止文雅的人，容易與人交朋友.他多才多藝，對人類文化的各個方面都感興趣.他是一個鋼琴家，一個登山和滑雪運動的愛好者.他青年時常和朋友結(jié)伴作徒步旅行，或與音樂愛好者舉行室內(nèi)音樂會.他留下的著作除量子論的物理原理和基本