海森堡的科学原创之道

维尔纳·海森堡(Werner KarlHeisenberg)，20世纪有创见的思想家，影响世界进程的科学大师，其最重要的贡献是在量子物理学方面创立了量子理论的矩阵力学，并提出了著名的“测不准原理”。1932年，因其在量子物理学方面的巨大成就被授予“诺贝尔物理学奖”。

海森堡在量子物理学方面的工作是20世纪重大的原始性创新。他从进入大学学习物理到做出举世瞩目的贡献只经历了短短的5～7年时间，他的成长历程以及“测不准原理”创立的经过有许多值得思索和借鉴的经验，对于研究原始创新具有重要的指导作用。

一、学科交叉的运用——哲学思辨、数学方法、物理学的结合

学科交叉或边缘学科的研究是现代科学创新的一个重要源泉。海森堡的科学成就在很大程度上得益于学科交叉的广泛应用。主要表现于哲学、数学与物理学的有机结合。

海森堡在学生时代就对哲学思辨产生了浓厚的兴趣。在其著作《原子物理学的发展与社会》中，他曾经多次提到过阅读柏拉图《理想国》中的《蒂迈欧篇》的体会。在艰难地通读全文后，他说“尽管如此，还是很难让我找到一个哲学家，具有柏拉图由于想象力驱使的批判眼光。我期望有一种能够帮助我给柏拉图的猜测找到某种适当根据的原理，但是，虽然我一直等待着，却一无所获。即使这样，那种打算把物质最小粒子需要简化为某些数字形式的思想，使我入了迷。”早期培养的哲学兴趣使海森堡在理论物理学特别是量子物理学方面受益颇多。对应原理与可观察量原则是海森堡在量子力学方面取得突破性进展的两大指导性哲学原理。

凭借着哲学高度的批判力与洞察力，海森堡在量子力学的道路上不断前进，超越了许多同辈科学家。在他身上也体现了量子力学两大学派：重视哲学思辨的哥木哈根学派与重视数学分析的哥廷根学派的结合。现代物理学的研究离不开现代数学工具进行推导、证明和建构理论体系。海森堡的著名成就之一——“测不准原理”的提出正是哲学思想、数学与物理学完美结合的典范：既有哲学的沉思冥想，又有数学的严谨精确，同时兼有物理学的实验检验。

二、自由、竞争的科学讨论

科学讨论在海森堡原创之路上扮演了重要的角色。他的成长以及测不准原理的酝酿与提出都离不开自由、竞争的科学讨论。海森堡在跟随索末菲学习时，每天课后都到学院的讨论班参加讨论。索末菲教授不仅参加讨论班还经常与学生面对面地讨论。科学的争论无疑对海森堡独立解决科研难题起到了重要作用。1921年12月发表的有关半量子数理论的文章就是这种科学争论的成果。

对海森堡科学生涯产生重大影响的一次科学争论是1922年6月与尼尔斯·玻尔的对话。当时玻尔被哥廷根大学邀请去讲他的原子理论，海森堡跟随索末菲参加了讨论班。在演讲后的讨论中，海森堡就一个问题提出了异议。会后，玻尔邀请海森堡一同散步，以便好好地讨论这个问题。在这次讨论中，玻尔给海森堡讲了原子理论的历史，他的理论的真正出发点，还讨论了与原子有关的哲学问题。1926年5月，玻尔邀请海森堡到哥本哈根大学工作，海森堡成了玻尔的助手，哥本哈根大学的专职讲师。这期间，海森堡就量子力学的诠释问题与玻尔进行了充分的讨论和研究，提出了著名的测不准原理，和玻尔一起建立了量子力学的哥本哈根解释。

显而易见，充满自由与竞争气氛的科学讨论有助于科学原创性思维的产生，科学讨论能迅速交流讨论者所需要的信息，能使思维变得活跃，因为讨论常能激发灵感，使解决问题的方案一触即发。科学讨论最能够营造出一种浓厚的外部创造气氛，在这种气氛下有益于创造精神的发挥，有利于创造的各种因素或条件的形成。而且，科学争论还能有效地发挥集体创造力，把多个具有不同专长、不同类型人的聪明才智结合在一起，共同解决同一个关键性的问题。因此，科学讨论是海森堡原创之道的一个重要方面。他的著作《原子物理学的发展和社会》几乎就是一部科学争论文集，里面翔实地记录了他同众多物理学家及朋友对科学、哲学、宗教等问题的讨论以及这些讨论对他的影响。

三、科学美、直觉与想象力

海森堡非常强调科学研究中对科学美的欣赏与体悟。他在《精密科学中美的含义》一文中明确提出：把美限制在有形有象的事物上，显然是片面的。因为在人类文明中，还存在着另一个美的广阔天地，这就是自然科学中所呈现出的“美”。海森堡对科学美的体悟从少年时代就开始了。他对科学美的认识极其深刻，已经达到了哲学理解的层面。他曾经指出：“虽然‘美的’(或‘精巧的’)这个表示性质的形容词在这里确实是用来表征艺术特性的，但美的王国却远远延伸到艺术领域之外。它无疑也包括精神生活的其它领域；自然美也反映在自然科学的美之中。”

海森堡对科学美的鉴赏与领悟力是非凡的。在他看来，科学美对于求真的认识论意义是明显的、深刻的、巨大的和不可抗拒的。面对着20世纪物理科学理论研究高度数学化和抽象化的发展趋向，他坚信，理论物理的创造性原则寓于数学之中。崇尚和执着地追求数学美，几乎支配着海森堡的全部工作。从矩阵力学的创立，测不准关系式的推算，到统一场论方案的提出，无一不体现着他对于数学神秘力量的信仰。

海森堡认为科学思维决不是那种纯之又纯的抽象逻辑思维过程，在它当中含有艺术思维的因素。即在科学思维中，抽象与具体、逻辑与非逻辑总是交织在一起的。他觉得，对物理世界的认识过程就是一个对新定律、新原理探求的过程，是一个“猜想一计算结果与实验比较的过程”。而作为第一步的“猜想”，是一种审美直觉的过程。没有这种直觉，没有对物理定律所服从的美学观念，诸如和谐性、对称性、简单性等的深刻领悟，就无法透过观察和实验事实的表面而直观事物的本质，然而必须注意把这一直觉的知识转移到意识之中，使它与特殊的、在理性上可以系统表示的理念联系起来，才能形成科学理论，发现自然界隐而不现的基本结构和普遍性原理。海森堡经常能以直觉体悟的方式对自然的行为获得一种新颖而深刻的理解，并通过简洁而完整的和谐数学关系表达出来，令人耳目一新。

四、良师、益友的指导与合作

科学大师的指导是使海森堡迅速成才、取得重大科学原创的另一重要原因。第一位对海森堡有重要影响的是素有“量子工程师”美誉的索末菲教授。他的主要研究领域是量子光谱学，培养了海森堡对实验的理解，促使海森堡迅速融入量子物理学的前沿研究等方面。

玻恩是影响海森堡的第二位大师。1922年10月，海森堡来到哥廷根，他在新环境中的最大感受是受到了哥廷根这个“数学王国”的特殊气氛的熏陶。他说：“对我个人来说，哥廷根有一个巨大的优点，就是我将学习一次正确的数学和天文学。”玻恩的研究方针与路线跟索末菲之间存在明显的区别，这位哥廷根的“量子数学家”把注意力集中在如何使玻尔模型获得逻辑上的彻底一致性。玻恩对海森堡的主要影响是使他学到了严密的数学和天文学的方法，如微扰方法。这些数学技巧使他在后来的科学研究中做出重要成就奠定了坚实的基础。

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