《我,海森堡》第一章,小小少年
2010-09-17
文章來源: 作者:張文卓 中國科學院物理研究所
   我就是沃納.海森堡(Werner Heisenberg),沒錯,就是現在陪伴著我的父母和妻子,靜靜地躺在慕尼黑市區Waldfriedhof森林的第163號墓地的角落里的家伙。我是那個曾經的量子力學的第一位建立者,一個被物理學領域的人們所銘記,卻對公眾越來越陌生的人。在我的一生中,經歷了太多的是非成敗,太多的榮辱曲折,太多太多和20世紀的物理學,乃至整個世紀的歷史緊密相連的故事。
   我的一生越來越像一個傳說,卻真真實實地發生在20世紀的時間軸上。通過我的故事,您將看到什么是20世紀物理學的革命,尤其是量子理論激情澎湃的建立和發展。您將看到我與20世紀那些最偉大的物理學家們一個個精彩紛呈卻又鮮為人知的故事。您將看到我的祖國德意志帶給了這世界什么樣的財富,又在兩次世界大戰中帶給了世界怎樣的傷害。您將看到我們在戰爭的創傷中又如何崛起,反思人類究竟該怎樣的活著?
   我,海森堡,量子力學最早的建立人,愛因斯坦和普朗克的晚輩,波爾,波恩和索墨菲的學生,泡利的好兄弟,薛定諤和狄拉克的好友兼競爭者,費米的和奧本海默的朋友兼對手,將會把我一生滄??部绤s又精彩紛呈的故事奉獻給各位。

第一章.  小小少年

   1901年12月5日,我出生在德國南部巴伐利亞州的烏茲伯格市(Wurzburg)。三十多年前,鐵血宰相俾斯麥領導著普魯士軍隊所向披靡,將一百年前被拿破侖的鐵騎蹂躪的支離破碎的“神圣羅馬帝國”的小國們,包括我老家的巴伐利亞王國一個個征服,并入德意志聯邦的版圖。面對其他大國的阻撓,普魯士于1864年戰勝了丹麥,1866年戰勝了奧地利并將他排除出德意志聯邦,以1871年大勝法國(普法戰爭),奪回邊境兩個州,正式建立了以普魯士為中心的德意志帝國。于是我生來就是一名德國人。
   在我出生的那一年,德意志帝國影響力最大的物理學家馬克思.普朗克(Max Planck),面對黑體輻射(Black-body radiation)的難題做出了一個開創性的工作【Planck, Max, "Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum", Ann. Phys. 309 (3): 553–6 (1901)】。因為慕尼黑的實驗物理學家維恩(Wilhelm Wien)給出的公式和英國物理學家瑞利(Lord Rayleigh)給出的公式一個不能解釋低頻實驗結果,另一個能解釋低頻結果卻在高頻發散。于是普朗克先生大膽提出光的輻射能量非連續而是離散的觀點,即一個固定長度的黑體輻射腔內,輻射的頻率模式是離散的(在腔長內具有整數或半整數個周期),而輻射能量本身是和這些離散的頻率成正比的,即E=hν,h為普朗克常數(6.626×10?34 J.s)
   我四歲那年,物理學界出現了一位年僅26歲的絕世天才,他在世界家上最好的物理學雜志Ann. Phys上那一年發表了5篇論文,改變了整個物理學。三篇建立劃時代的狹義相對論,一篇有關布朗運動,一篇便是光電效應。沒錯,他就是我們的偶像,阿爾伯特.愛因斯坦(Albert Einstein)。愛因斯坦提出了光本身具有粒子屬性,即光子的假說。一個電子吸收一個光子,光子的能量和頻率符合普朗克的光輻射能量量子化后的關系E=hν,于是光電效應被成功地解釋清楚,算作普朗克先生的理論的進一步發展。后來在我十四歲那年,愛因斯坦又提出了廣義相對論,用一個極其簡潔漂亮等效原理和黎曼時空的模型成功解釋了牛頓引力理論中不能解釋的諸多問題,被后續的觀測所證實。于是愛因斯坦成了人類歷史上比肩牛頓的最偉大的物理學家,這些都是后話。
   Ok,談談我的童年。我的父親,奧古斯都.海森堡博士(Dr. August Heisenberg),是一名希臘語言學家。我的母親,安娜.海森堡(Anna Heisenberg,婚后隨了父親的姓),從天主教皈依了父親信奉的路德宗,他們在1900年生下了我的哥哥埃爾文.海森堡(Erwin Heisenberg),后來他成為了一名化學家。我是他們的第二個兒子。
 
 奧古斯都.海森堡夫婦的婚禮(1899)
 
 海森堡(右)和他的哥哥埃爾文.海森堡(1905)
   5歲那年,我進入了烏茲伯格市的小學。由于父親是位老師,他一直拿我和我哥哥來比較,想讓我們互相競爭,共同成長。在他的眼中容不得自己的孩子學習成績比其他人差。也的確是這樣,我和我哥哥的學習成績在班級里一直名列前茅。

He is more developed toward the side of rationality than of fantasy and imagination.
--A school teacher
The pupil is also extraordinarily self-confident and always wants to excel.
--A school teacher
   沒錯,在小學老師的眼中,我就是這樣一個孩子,理性成分比想象力更出色,并且及其自信,想做到非常出色。也許你們想起了愛因斯坦小時候很笨的例子?切,那一切都是謠言。他小時候肯定比我更出色。那種做板凳的故事大概是后人杜撰用來鼓勵資質平平的孩子們的?!癆lthough Einstein had early speech difficulties, he was a top student in elementary school”【Sowell, Thomas (2001), The Einstein Syndrome: Bright Children Who Talk Late, Basic Books, pp. 89–150】
   在我九歲那年,慕尼黑大學給了我父親一個希臘語言文學的教授職位,于是我們舉家搬到慕尼黑。從此這個城市成了我的故鄉。第二年我進入了Maximilians-Gymnasium中學,9年的時間將我們培養進慕尼黑大學。

Of those early days at the Gymnasium I recall that both my interests in languages and in mathematics were awakened rather early.
  --Heisenberg

  那是一個不公平的年代,我們的學校中只有男生沒有女生,真是耽誤年輕人成長??!這九年中,我顯示了數理方面很強的天賦,課堂上的一切知識對我來說似乎都那么容易,我開始學習只有大學才能學到的課程,開始自學微積分,用它來簡單地解決很多中學數學中比較難的題。那時我真的非常喜愛數學,因為它是那么的嚴謹,理性,清晰,可以讓你從根本上理解它是什么。我的自然科學老師Christoph Wolff不斷地用汽車,飛機,電話的發明來引起我的興趣。那個時候,我甚至開始自學愛因斯坦的相對論,我的物理學生涯也就真正誕生于這個時候。在畢業的考試中,老師們給了我極高評語,認為我的知識已經超越了中學的要求。

With his independent work in the mathematical-physical field he has come far beyond the demands of the school.
  --Teacher's report on Heisenberg's final oral exams

  也就是在這九年中,德國發生了翻天覆地的變化。19世紀末到20世紀初的電力革命讓德國走在了世界最前沿,科技實力已超越英法,雄踞世界第一??上г谫滤果溄y一德國意志的時候,地球上的殖民地已經被西班牙,葡萄牙,荷蘭,法國,尤其是大英帝國給瓜分干凈了,德國只在非洲的幾個貧瘠地方扶植了自己的勢力。一個后起之秀勢必要打破前人的格局。那時我們聯合了奧匈帝國與奧斯曼帝國組成同盟國,開始與英法對抗。英法自然不敢小視,拉攏了和德國幾乎同時崛起的美國與俄羅斯組成協約國。表面上看他們集團的勢力似乎更強大,但是我們從不畏懼,第一次世界大戰變在巴爾干半島這個火藥桶的引爆下展開了。
   俗話說不怕虎一樣的對手,就怕豬一樣的隊友。奧斯曼帝國已是昨日黃花,早已沒有了幾百年前消滅拜占庭,封鎖歐亞通道的實力,很快投降。奧匈帝國更是一個半路夫妻,很快就分崩離析。我們德意志的勇士們把東西兩線的戰場都推到了國境之外,卻發現只剩下自己一人對抗英法美俄的全面包圍,失敗在所難免。
  從1914年一戰的開始,大量的民用資源被消耗在戰場,我的家庭就開始了忍饑挨餓。有一次我居然餓的從自行車上摔了下來,后來只有加入學校的軍事訓練營當預備兵才能吃飽飯。這些年的營養不良造成了我們這一代很多人沒有長好身體。在軍訓營中,我被選為了一個小組Bund Deutscher Neupfadfinder的領導者,一起爬山,遠足,玩古典音樂,討論科學藝術,在殘酷的戰爭年代享受少有的寧靜。

   Others, including myself, had been working two years earlier as farm hands on farms in the Bavarian Highlands. So the raw wind was no longer alien to us; and we were not afraid to form our own opinions on the most difficult problems.
  --Heisenberg, recollection

  一戰之后,面對凡爾賽和約的巨額賠款,德國經濟陷入全面崩潰,我們進入了食不果腹的時代?;\罩在戰爭失敗的陰影下,慕尼黑的街頭天天上演著幾個派別的血腥搏殺,國家一片混亂,弱肉強食。我在二十歲之前就切切實實地感受到了政治的虛偽和殘忍,也許只有在自然科學才能找到那份真實。成王敗寇的殘酷讓我感覺到只有讓自己變得更出色,更強大才能更好地活下來,

It is probably not right of me, but I simply prefer to be among my young friends.
  --Heisenberg in 1919

 
 海森堡(右)和埃爾文.海森堡(左)送父親奧古斯都.海森堡(中)去第一次世界大戰的戰場(1914)