海森堡 (Heisenberg)1901年出生於德國，他父親從中學老師做起最後成為慕尼黑大學教授，他母親則是一個校長的女兒。海森堡自幼就學習優異，並且受到了很好的音樂教育，鋼琴彈得非常好。1920年海森堡(Heisenberg)進入父親任教的慕尼黑大學。他一開始想跟年邁的林德曼教授(Ferdinand
von Lindemann，1852-1939 )學數學，但被拒絕了。和父親商量後，海森堡(Heisenberg)改投索末菲(Sommerfeld)教授門下開始學習理物理，成為泡利的師弟。和湯普森一樣，索末菲(Sommerfeld)也培養了很多諾貝爾獎得主，其中最有名的就是海森堡和泡利了。索末菲(Sommerfeld)慧眼識英才，他讓海森堡(Heisenberg)和高年級學生一起參加他的高級海森堡（1901-1976）研討班。海森堡(Heisenberg)也沒讓他的老師失望，進組一年後，他就提出了一個新的原子模型。利用這個模型，海森堡(Heisenberg)可以解釋當時困擾著所有人的反常塞曼效應。荷蘭物理學家塞曼在1896年發現把產生光譜的光源置於足夠強的磁場中，磁場作用於發光體使光譜發生變化，一條譜線即會分裂成幾條偏振化的譜線，這種現象稱為塞曼效應。
這個模型用現代的眼光看有很多缺陷，但海森堡(Heisenberg)在這個工作中展示出了他特有的特質：為了解釋實驗，他願意隨時放棄舊的理論信條。當時的量子理論有個信條：量子數應該是整數。海森堡(Heisenberg)的模型裡則引進了半整數
。
這不但驚呆了老師索末菲(Sommerfeld)，就連年長一歲的師兄泡利(Pauli)也提出了激烈的抗議：如果1/2可以是量子數，那麼1/4,1/8,1/16,·· ·都可以是，這樣就沒有分立的能級了。
海森堡(Heisenberg)沒有動搖，他的回答是，“成者為王。”( Success santifies means )
由於弱外磁場作用，2S1/2態會分裂成兩個亞態，2P1/2態也會分裂成兩個亞態，但由於兩個態的朗德g因子不同，朗德 {\displaystyle
g} g因子是阿爾弗雷德·朗德試圖解釋反常塞曼效應時，於1921年提出的一個無因次物理量，反映了塞曼效應中磁矩與角動量之間的聯繫，因此從2P1/2會形成4條不同譜線；2P3/2態會分裂成四個亞態，但是從2P3/2的+3/2態不能躍遷至2S1/2的-1/2態，從2P3/2的-3/2態不能躍遷至2S1/2的+1/2態，因此從2P3/2總共會形成6條不同譜線。
自旋磁量子數為3/2
這個頗受爭議的工作為海森堡(Heisenberg)贏得了很多機會。他受玻恩(Born)之邀到哥廷根訪問了一年，在哥廷根見到了玻爾(Bohr)並展開了深入的討論。1922年初夏已經名滿天下的丹麥物理學家尼爾斯•玻爾(Bohr)應邀來到德國著名的哥廷根大學，作了七場報告。當第三場報告結束時，剛滿21歲正在攻讀博士學位的海森堡(Heisenberg)站了起來，說：「我不同意您的看法！」頓時在場的人都驚呆了，一個羽翼未豐的博士竟敢當面質疑一位功成名就、即將領取諾貝爾獎的物理學大師！
玻爾(Bohr)並不介意，依舊稍歪著頭，嘴上還帶著友好的微笑，用商量的口吻說：「會下交流，怎樣？」報告結束後，玻爾(Bohr)走到海森堡(Heisenberg)面前：「我們去郊外散步，邊走邊聊，好嗎？」
海森堡(Heisenberg)高興地點頭同意了。
海森堡(Heisenberg)深受玻恩(Born)和玻爾的賞識：玻恩(Born)希望他博士畢業後來哥廷根工作，玻爾(Bohr)則邀請他適當的時候訪問哥本哈根。從1922年到1925年，海森堡(Heisenberg)穿梭於當時量子理論的三個中心，哥本哈根、哥廷根和慕尼黑。通過和這三個中心量子理論大師們與學生的討論交流，海森堡(Heisenberg)迅速成長，他深刻了解了舊的玻爾-索末菲量子理論遇到的困難和危機，開始思考突破的可能。這種快速的成長在海森堡(Heisenberg)的知識結構裡留下了缺陷，有些缺陷顯得相當觸目驚心。比如海森堡(Heisenberg)在博士答辯時不能回答維恩教授的幾個簡單問題：顯微鏡的分辨率由什麼決定？電池是如何工作的？但具有明顯知識缺陷的海森堡卻完成了對舊量子理論的全面突破。
1925年6月時，海森堡(Heisenberg)的新量子理論已經基本有了雛形。他意識到在新的量子理論裡必須放棄電子軌道等概念，只關注那些在實驗上可觀測的量。在經典物理裡，我們可以觀測行星圍繞太陽的軌道，記錄航海的路徑。但是電子軌道是觀測不到的。
在海森堡(Heisenberg)生活的時代，人們只能觀測到電子在不同能級間的躍遷強度。海森堡(Heisenberg)開始構建關於這些躍遷強度的理論，
玻爾(Bohr)理論不能解釋電子在特定能級的能量，不能描述電子繞原子核運動時的具體軌道，我們觀測到的，只有電子在兩個能級發生躍遷時的能量差。
海森堡(Heisenberg)想，既然電子在單獨的能級不能被觀測，而只有能級差可以，他很快意識到這些可觀測量的乘法很古怪，他的計算遇到了困難。這時海森堡(Heisenberg)花粉過敏發作，他決定離開哥廷根去一個叫赫爾格蘭德(Helgoland )沒有什麼植物的小島度假修養。海森堡(Heisenberg)在這裡待了十天，病好了，同時也克服困難完成了計算。
1925年9月海森堡在Zeitschrift für Physik 發表了一篇論文，論文的題目是《量子理論對運動學和力學關係的重新解釋》“On a Quantum-theoretical Reinterpretation of Kinematic and
Mechanical Relations”，看起來並不很吸引眼球。但這篇論文具有里程碑的意義。
海森堡(Heisenberg)自己在文中寫道，這篇論文的目的是“建立量子力學的基礎，這個基礎將只包括可觀測量之間的關係。”海森堡(Heisenberg)發現這些可觀測量依賴於兩個指標，它們的乘法是不對易的。即如果A和B是兩個可觀測量，那麼AB ̸= BA。海森堡(Heisenberg)自己也不清楚這些變量是什麼，對自己的新理論框架並沒有太多信心。由於這些帶有兩個指標的變量把計算弄得非常複雜，海森堡(Heisenberg)在這篇論文裡只能對簡諧振子進行計算，他不知道如何在他的新理論框架裡得到氫原子的能級。
但玻恩(Born)立刻看出了海森堡(Heisenberg)工作的重要性，並很快意識到海森堡(Heisenberg)提出的這些古怪的可觀測量其實就是數學上的矩陣。他和他的學生約當(Pascual Jordan, 1902-1980 )很快證明了動量和位置這兩個可觀測量間的對易關係。在1925年11月，玻恩、海森堡和約當聯合發表了一篇論文，清楚地給出了矩陣力學的基本框架。
海森堡(Heisenberg)為了研究氫原子光譜就提出了矩陣力學的概念，發展成一個學科了，但是要通過矩陣力學來算出氫原子光譜，是需要好的數學基礎的，所以當時很多物理學家都很痛苦。
到1926年初，泡利和狄拉克各自獨立地在矩陣力學的框架內給出了氫原子的能級。
20歲時，海森堡(Heisenberg)勇敢地引入了半整量子數；24歲時，海森堡(Heisenberg)勇敢地突破了舊的量子理論，創立了矩陣力學。
當海森堡(Heisenberg)穿梭於當時量子理論的黃金三角–哥廷根、哥本哈根和慕尼黑–之間尋求新的量子理論時，量子理論也同時在黃金三角之外沿著一條完全不同的思路平行發展。這些努力最後導致了量子力學的另外一個版本的出現，薛定諤的波動方程。
下一集講德布羅意 波粒二象性 粒子是波 波是粒子
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