杨振宁先生说海森堡是伟大的物理学家,但不喜欢他的研究方法(taste),海森堡的研究方法是怎样的?
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这一定程度上体现了黄金时代和白银时代物理学家的差异,前者作为开拓者往往更多地探讨自然哲学的理念,而后者通常不再那么关注此类问题。
海森堡此人有句话是这么说的“My mind was formed by studying philosophy, Plato and that sort of thing”,即“我的思维是通过学习哲学、柏拉图之类的东西形成的”,这就挺能反映他的特色。
进一步来讲,海森堡有本小册子,叫做《物理学与哲学》,其中探讨的问题很能反映海森堡的taste。比如关于他当时对量子力学的思考,他是这么描述的:
当薛定谔在那个夏天证明了他的波动力学形式系统在教学 上等价于量子力学以后,他一度试图全部放弃量子和“量子 跳变”的观念,并简单地用他的三维物质波来代替原子中的 电子。他当时热衷于这种尝试是由于他得到了一个成果,即 在他的理论中氢原子的能级似乎正好就是驻立物质波的本 征频率。因此,他以为把它们叫做能量是错误的;它们只不过是频率。但在玻尔、薛定谔和哥本哈根学派的物理学家们于1926 年秋在哥本哈根举行的讨论会中,很快就弄清楚, 这样一种解释甚至还不足以解释普朗克的热辐射公式。
在这些讨论以后的几个月内,在哥本哈根对有关解释量子论 的全部问题所作的紧张研究,正如许多物理学家所相信的那 样,终于对情况作出了全面的、令人满意的阐明。但这不是 一个容易被人接受的解答。我记得有一次同玻尔讨论了几个 钟头,直到深夜才几乎在绝望中结束;当讨论结束时,我独 自到邻近的花园中去散步,当时我一再反复问我自己:难道自然界真能象这些原子实验给我们的印象那么荒诞无稽吗, 最后的解答是从两条不同的道路逐渐接近的。一条是改变问 题的提法。代替这样一个问题:“人们怎样才能够在已知的 数学方案中表示出一个给定的实验状况?”提出了另一个问题:“只有能在数学形式系统中表示出来的实验状况才能在自然中发生,也许这是正确的?”如果假设这实际上是正确 的,结果就将对自牛顿以来成为经典力学基础的那些概念的适用范围施加限制。像在牛顿力学中那样,人们能够谈论一 个电子的位置和速度,并能够观察和测量这些量。但是,人 们不能以任意高的准确度同时测定这两个量。实际上已经发 现,这样两个不准确度的乘积不应当小于普朗克常数除以粒 子的质量。从其他实验状况也能推出类似的关系。它们通常 称为测不难关系,或测不准原理。人们已经知道,老概念只 是不准确地吻合自然。所以海森堡与其说关注技术性的问题,倒不如说他更多在关注最基本的物理学研究范式的问题(数学计算与实验的关系),这样的问题是不可避免涉及到相当的哲学思辨。实际上,上述内容仅仅是海森堡这本书中的一小部分,也是最物理的部分。在后续内容中,海森堡从留基波、恩培多克勒等古希腊时代的哲学理念,一路谈到康德的先天综合判断和物自体,很明显能看出来海森堡对典型的西方哲学基本知识的理解不仅仅停留在名词党,而是至少确实大体学过一遍,并和自己做的原子问题融合在一起的。
海森堡还有一本量子力学书,叫《量子论的物理原理》,其风格也很特别。第一章开头不讲量子力学,讲相对论的测量哲学,讲其中蕴含的主客体划分,然后才引入量子的测量问题,说白了就是讲了一章自然哲学。第二章通过计算批判粒子图像,第三章计算批评波动图像,第四章还花了不少工夫去讲玻尔的互补原理。一般你很少会看到物理学家写量子力学大篇幅讲这些东西(除了海森堡和玻尔)。
我想还有一个著名的“事故”能反映海森堡的特色,即他帮纳粹做原子弹,众所周知他算错了,算出来制造原子弹至少需要几吨浓缩铀,这结果太过离谱。这个计算吴从军老师曾经写过一篇文章进行了分析,其核心是海森堡用中子的无规行走来估计裂变链式反应的持续问题,无规行走的扩散距离是
d=\sqrt N l
中子平均自由程大致 6cm ,原子弹中大致发生了60步链式反应,那 d\sim \sqrt {60}\times 6cm\sim46cm ,很容易查到铀的密度是18.95 g/cm³,那么按球的体积来算
M=\rho V=\frac{4\pi}{3}d^3\rho\sim7.7\times10^3kg
也就是一颗原子弹差不多8吨铀。但他忘了裂变反应是中子增殖的,就不是这么个算法。
所以大体上来说,海森堡身上恐怕有着较为强烈的古典哲学的风味,在自然哲学的思辨上甩开绝大多数物理学家一条街,某种程度上可以说是强于道而弱于术(但也比大多数物理学家强),这种风格看起来也许不甚严谨,然而却能开创新的时代。
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拉格朗日的忧郁 - 164 个点赞 👍
没什么人能看懂海森堡的研究方法
他就在那里乱写乱算,然后出来一个结果,但是你看不懂到底他在说什么
要很久以后你才发现他这个结果解决了一个巨大的学科分支所有根本困难问题。
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wanghonyu - 153 个点赞 👍
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刘晨 - 87 个点赞 👍
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王二小 - 31 个点赞 👍
杨振宁对海森堡的评价是:海森堡所有的文章都有一个特点,那就是朦胧,不清楚,你会惊叹于他的独创力,但你仍然会感觉问题没有做完,还要继续发展下去。
1925年,海森堡重新开始研究氢原子的谱线问题,希望能从中找出量子理论的最基本原理。
在尝试了一些方法都没有进展之后,海森堡采用了一种以前物理学家不曾听说过,也不敢想象的方法——矩阵。
海森堡发现,只要把矩阵的运算规则用到经典的力学方程里面,把波尔和索末菲旧的量子条件改造成新的由矩阵构造起来的方程,可以自然而然地推导出量子化的原子能级,而不需要像旧的玻尔模型那样附加一个很不自然的量子条件。
这是量子力学发展中最关键的一步。但海森堡是如何想到的呢?答案是没人知道,海森堡自己也说不清楚,就这么想到了。
虽然早在十九世纪,数学家就已经独立地发明了矩阵,但主要目的是为了方便地求解某些微分方程组,事实上今天的大学生学线性代数也是为了解微分方程组。
作为物理学家的海森堡完全不知道矩阵的存在,为了研究物理问题,竟然独立地发明了这套数学方法,最让人难以置信的是,这种奇特的数学规则居然真的在量子世界管用。
很多年后,海森堡回忆这段研究经历,他是这么说的:就像爬山的时候,你想要爬到某个山峰,但山间到处都是雾,你知道目的地是哪儿,但仍然陷在雾中。短短几秒钟的时间,你在雾中看到了一块石头,你突然意识到,这就是你要找到的某块石头。虽然你还是无法知道通往这块石头的路在哪儿,但你已经知道自己大概在什么地方了,只要走近那块石头,就知道接下来该如何走了。
海森堡就是这样在雾中摸索,突然就想到了用这么一种独特的数学规则来研究量子力学。
海森堡的研究引出了著名的海森堡方程。但实际上,海森堡方程并不是海森堡自己写出来的,而是在海森堡发出文章几个月之后,由波恩和约尔丹用更严格的矩阵方法推出了这个方程,奠定了量子力学的数学结构。
杨振宁自己最欣赏的是狄拉克那样的研究风格。那狄拉克又是怎样的风格呢?用杨振宁自己的话来说,就是有着最简单、直接、原始的逻辑性,没有任何不清晰的地方,直达深处。
其根本是狄拉克极为强大的数学能力,和对物理方程中数学美感的追求。
比如狄拉克在1928年写下了著名的狄拉克方程,这个方程极其自然地解释了为什么电子会有自旋,而且为什么自旋角动量是1/2而不是整数,初次了解这一点的人无不惊叹。
而且这个简单的方程还蕴含了一个叫做负能的现象,在当时不被物理学家们所接受,但狄拉克坚信数学上如此美的物理方程,不可能产生没有实际意义的东西。
就在几年之后,安德森发现了反电子的存在,大家这才弄清楚了狄拉克方程中的负能究竟是什么东西,再次让人无不惊叹。
这实际上就是杨振宁的研究风格,极强的数学功底,对数学美感的追求,相信数学在物理方程中的高度有用性。因为对数学驾轻就熟地运用,所以整个思路是无比清晰,直达深处的。
实际上,狄拉克方程还有一个小插曲,更能够反映狄拉克和海森堡的风格差异。
1913年,波尔最早提出了量子数的概念。1921年,海森堡便最先提出了量子数是1/2的可能。
理论发展到这一步,得到了诸多实验的验证,非常成功。但是某种意义上,这都只是东拼西凑出来的理论。
直到1928年,狄拉克方程出来,才完美地解释了为什么自旋角动量必须是1/2。
海森堡属于那种能够冒出石破惊天想法的人,甚至你都无法去溯源他的这一想法究竟是如何出现的,不过有了想法之后很难仅凭自己将其完善。
而狄拉克则属于熟练运用数学工具,对物理学的美感有着极深的洞察,能够非常完美清晰地构建出最基本的理论,不给后人留一点补充的余地。
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Mercury - 4 个点赞 👍
可以把“造物主”当作两种隐喻:一种像“工程师/民科”,一种像“数学家”。
如果把造物主看成“工程师/民科”,意思是:他以目标或约束来“设定”世界——类似“要有光”,在现代物理里可理解为“要有对称性”“要满足某些基本原则”。细节上的分歧与冲突,交由更细的层级去调和与推导。为什么至少要自洽?因为你要“造的是一个世界”,它的基本定律必须整体一致、动力学上可稳定演化,而不是内在矛盾或自毁。也许曾有许多“失败的宇宙方案”,只有那些能够长期演化并产生复杂结构、乃至观察者的宇宙才“被看见”。这种表述可归于选择效应与人择原理:我们之所以观察到这样的宇宙,是因为只有在这样的宇宙里才有观察者。总之,在这样一种议事结构下,基本原则的表述保持笼统;实现自洽所依赖的“细节”可以替换与更新。研究的纲领在于确立并检验这些基本原则。
如果把造物主看成“数学家”,则关心的是某种几何或数学结构本身的优雅与必然性。这与古希腊的毕达哥拉斯(Pythagoras)传统相近:世界的根基更像是“数”或“结构”。在现代物理里,这体现在场的观点:所谓“粒子”,在量子场论中可被看作场的量子化激发;它们是相应场的方程(例如狄拉克方程、杨–米尔斯方程等)的解或由此导出的数学后果。在这种议事结构下,研究的纲领是寻求一组定义宇宙的基本方程——仿佛造物主正是依此生成宇宙。受制于人的认知与经验局限,这组方程很可能并非我们当下的候选式样,因此我们会不断修订乃至更换它们;潜在的目标是逼近一个“最终版”的方程(若其存在),使叙事得以闭合。
二十世纪的现代物理,在很大程度上体现了后一种自然哲学倾向:对称性、规范不变性、变分原理与数学结构在理论建构中起了核心作用。当然,这并不意味着这种取向优劣高下已定。经验约束与结构美学往往相辅相成:一方面,我们借助对称性与数学一致性来设想可能的定律;另一方面,实验与观测又不断筛选、校准那些看似“好看”的结构。将两种隐喻看作互补的建模策略,通常更贴近科学实践。
发布于 2025-11-02 02:03・中国香港查看全文>>
WanderingTrader - 0 个点赞 👍
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水木炼金