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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?

非生而知之者
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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。

拉格朗日的忧郁
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