矩阵力学。海森堡:定量的关系来代替玻尔定性的对应原理

矩阵力学。海森堡

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德国青年物理学家海森堡(W.K.Heisenberg),早年就读于慕尼黑大学和哥廷根大学,1923年获博士学位后,在哥本哈根物理研究所深造,在玻尔领导下从事量子论的研究工作.德布罗意提出物质波之后,在玻恩和约尔丹的协助下创立了矩阵力学.海森堡的矩阵力学是用定量的关系来代替定性的对应原理的一个成功尝试.他在以后不长的时段里,又提出了测不准原理.1932年,因其矩阵力学的创立而获诺贝尔物理学奖.海森堡矩阵力学的创立是为了克服玻尔原子结构模型的局限而产生的结果.当时海森堡在考察了玻尔原子结构理论后,发现玻尔的轨道假说是一个不可观察的假说,实验依据不足,甚至可以说是虚构的.因此海森堡考虑:若电子确实有轨迹的话,应当在原子的定态特性和辐射特性中表现出来,然而任何实验都不能说明电子是按一定轨迹运行的.再说了,在实验中,人们只能够知晓原子所发出的光的频率和强度这两个量值,而与谱线强度相联系的频率和振幅这两个值是直接可以被观察到的.这正符合拉坡特(Laporte)所说:“试图揭开原子之迷,物理学家必须只考虑可观测的数量”,所以海森堡大胆抛弃了玻尔的轨道概念,在可观察的原子发出的光频率和强度这两个量值的基础之上,按经典力学中用频率和振幅表示坐标的方法,把量子论中代表跃迁特征的量对应于经典理论中振幅的平方,并把这个力学量进行傅里叶展开,然后根据对应原理把经典频率转换成量子频率.这样一来,由可观察的谱线频率和振幅的二维数集来代替经典的电子轨道,因而奠定了矩阵力学的基础.后经哥廷根大学物理学家玻恩(Max.Boon)和他的学生约丹尔((P.Jorolan)用数学矩阵的方法把海森堡的思想发展成了系统的理论,即矩阵力学.它宣告了新量子力学诞生了.然而,由于海森堡的数学解方案难懂,加之爱因斯坦反对(认为理论没有必要一定要建立在可观察的基础之上),所以矩阵力学一直没受到科学家的青睐.1927年,海森堡又提出了测不准原理,这对量子力学来讲又是一大贡献.测不准关系的描述大体是:在经典理论的宏观运动中,运动物体的位置和动量可以用实验的手段同时准确测出的;而在研究微观系统时,会遇到测量的仪器是宏观的,而研究的对象是微观的矛盾,这样一来,由于仪器对微观粒子的干扰,就不能用实验的手段同时测出微观粒子的准确位置和动量.根据数学推导,海森堡给出了一个测不准关系式,就一维坐标和动量而言,这个关系式为Δx˙Δp≥h(h为普朗克常数)也就是说Δx与Δp不能同时为零,对一个量的准确测量必须以另一个量的牺牲为前提.当Δx˙Δp=0,那么在h可以忽略不计时,说明物体的位置和动量可以准确测出,此时适用于经典的宏观运动物体.当Δx˙Δp≥h时,也就是说h不可以忽略,这就必然要考虑客体的波粒二象性了.这也说明了微观客体的运动规律不在服从宏观机械的因果决定论,而只能服从统计因果决定论了.测不准原理表明了微观粒子的一个基本特性,而决不仅仅是一个测量手段的问题.鉴于海森堡对量子力学开创性的贡献,荣获了1932年诺贝尔物理学奖.海森堡在他科学研究的生涯中非常强调科学研究的创新精神.他说:“在每一个崭新的认识阶段,我们永远都应当以哥伦布为榜样,他勇于离开他熟悉的世界,怀着近乎狂热的希望到大洋彼岸去寻找新的大陆.”