《我,海森堡》第二章,求學之路
2010-09-17
文章來源: 作者:張文卓 中國科學院物理研究所
   1920年秋天,我正式進入了慕尼黑大學(Ludwig-Maximilians-Universit?t),開始了我的學術生涯。起初我想主修數學專業,但是經過和幾位數學系的教授談論以后,我決定還是去學理論物理。也許是我看了太多的經典力學和相對論的書,思維上和這些數學家有些格格不入吧。
  慕尼黑大學的理論物理學教授名叫阿諾德.索墨菲(Arnold Sommerfeld),一位睿智而慈祥的老人,曾是著名數學家克萊因(Felix Klein)的助手,他成了我的博士導師。他的手下有兩個非常著名的學生,據說是慕尼黑大學物理系目前最聰明的兩個學生,一個叫沃爾夫岡.泡利(Wolfgang Pauli),一個叫彼得.德拜(Peter Debye)。泡利這家伙出生在1900年,比我大一歲,標準的世紀嬰兒。這個大腹翩翩的家伙一看新來了個師弟,馬上滔滔不絕地跟我地大談物理學,結果居然發現我這個“菜鳥”知道的一點不比他少,于是對我照顧有佳,好似尋覓良久終遇知音一樣。

 
 索墨菲教授和玻爾教授的合影(1919年)

  索墨菲老師給我的博士課題是關于湍流的,流體力學里一個相當變態的題目,根本無法得到解析解。索墨菲老師真實太信任我了,但是我的興趣早已轉移到了別的地方,尼爾斯.玻爾(Neils Bohr)教授的量子理論。因為在我想主攻相對論的時候,泡利這個有眼光家伙建議我說相對論領域被愛因斯坦一個人建立的差不多了,你沒有機會再做出重要工作,但是玻爾這種電子軌道模型的量子理論問題重重,你不妨試試這方面,興許有大發現呢。

 
 好兄弟泡利

   索墨菲老師1922年跑到美國去做一個一年的客座教授。他知道我的興趣轉移到量子理論上了,便把我推薦到了哥廷根(G?ttingen)的馬克斯.波恩(Max Born)那里做交流生。哥廷根,一個在數學界何其神圣的地名,大數學家高斯(Gauss)締造了這里的威望,在現在希爾伯特(Hilbert)領導下它已經成為了世界數學的中心,我在這里的導師波恩也算是他的半個學生了,他是哥廷根大學理論物理的帶頭人。
  For me personally G?ttingen has the great advantage that for once I will learn proper mathematics and astronomy.
 --Heisenberg, writing to his father, 1922.

 
 第一次世界大戰時的馬克斯.波恩教授

  剛來這里不久,我便遇見了來訪的玻爾教授,一個當時在我心中僅次于愛因斯坦的物理學家。在他的報告結束后我勇敢地走上去向他請教有關他的量子理論的一些問題,使他認識了我這個后輩。后來我才知道第一次的見面他就被初生牛犢不怕虎的我所深深打動了,又好似覓得知音一般滔滔不絕地向我講述他的工作。這一年,玻爾教授憑借電子軌道模型的量子理論那了諾貝爾獎(這個工作也有我的導師索墨菲的一部分功勞),在他的前一年得獎的是愛因斯坦。比較諷刺的是愛因斯坦居然是靠光電效應的光子解釋獲獎,而不是更為重要的狹義和廣義相對論。當然他的光子解釋和普朗克的量子化一起成為玻爾教授量子理論的基礎。
  由于我是個短期交流生,波恩教授起初沒有太在意我,但隨即便被我的能力和求知欲所打動。他手下有個數學基礎非常強的助教帕斯卡.喬丹(Pascal Jordan),我們一起通過玻爾的量子理論計算得到的結果和實驗觀測的原子光譜完全無法吻合,看來玻爾的舊量子理論存在致命問題,量子理論需要一次深入的變革。
  "Not only new assumptions in the usual sense of physical hypotheses will be necessary, but also the entire system of concepts of physics must be rebuilt from the ground up."
  --Max Born in 1923
  一年的交流期很快結束,索墨菲老師也從美國回來了,他叫我回去答辯。說實話這一年我滿腦子都是量子理論,根本無暇顧及他給我的湍流課題。不得已我用了幾個小trick,得到了一個非嚴格但是非常近似的解,作為我的博士論文內容。論文的到了通過,并且相應的結果第二年發表在了當時最好的物理學期刊上【W. Heisenberg über Stabilit?t und Turbulenz von Flüssigkeitsstr?mmen (Diss.), Ann. Physik Volume 74, Number 4, 577-627 (1924)】。于是泡利半開玩笑地說:“海森堡你真天才,這樣也行?”。
   In the handling of the present problem, Heisenberg shows once again his extraordinary abilities: complete command of the mathematical apparatus and daring physical insight.
  --Arnold Sommerfeld, evaluation of the thesis, 1923.
   萬萬沒想到的是,我的答辯會成了我人生第一個無法忘懷的噩夢。索墨菲老師這邊自然沒有問題,因為我知道在他眼中我是他最出色的學生,哪怕是跟泡利和德拜這樣的牛人相比。但是我從入學以來沒有認認真真地做過一次實驗。似乎上帝給了我敏銳的頭腦和理性思維,卻奪走了我的動手能力。在慕尼黑大學負責實驗物理的是諾貝爾獎得主瑞恩,沒錯,就是做黑體輻射實驗給普朗克先生鋪路的那位,一直被我在調儀器時候的笨手笨腳氣的發瘋。在他的眼里無論一個物理學家理論水平如何高,必須要具備一定的實驗能力,于是答辯時候我就被他搞慘了。他先問我怎么調法布里-帕羅干涉儀的分辨率,我沒答上來。他有問我蓄電池怎么工作,我還是沒答上來。瑞恩十分氣憤,自然覺得我不該通過。他在慕尼黑大學資格最老,一言九鼎,無人敢反對。這時我的導師索墨菲勇敢地站了出來替我說話,他反對用實驗能力來扼殺一個理論物理學家的天賦。我頭一次看到兩位老科學家在如此激烈地討論,如同爭吵一般。索墨菲老師在一心地幫助我,提攜我,使得我一生都對他存在著深深的敬意和感激。

 
 威廉.瑞恩

  最后討論的結果,索墨菲老師給了我最高分A,瑞恩教授給了我最低分E,于是平均下來我的答辯成績是C,剛剛及格。這對從小一直名列前茅,不甘人后的我來說是一次非常重大的打擊,如同恥辱一般。這一年,我22歲。晚上索墨菲老師組織了晚宴慶祝我拿到博士學位,我喝完香檳酒吃點東西后,在大家意猶未盡地歡聚的時候和大家匆匆道別,早早地離,回到宿舍拿起早已收拾好的行囊,背著它在夜色下只身來到火車站,買好票,目標:哥廷根。
  第二天早上,我就到了玻恩教授的辦公桌前,拿著這張難看的成績單,問他:“您說過我拿到學位后就招我過來當助教,現在您是否會改變主意?”我當時心里很忐忑,寄希望于玻恩不會放棄一個改變量子理論的機會吧。
  玻恩一開始沒有回答我,只是問我答辯時瑞恩都問了我哪些問題,然后說:“這兩個問題確實不好回答”。玻恩教授也許是為了給我面子才這么說的, offer還是照舊給了我。
  我那位賦閑在家的戰斗英雄老爸真是一直在為我擔心,甚至寫了信給哥廷根大學主管實驗物理的James Franck教授請求他好好教教我實驗,Franck教授盡力教了我很久,最后還是放棄了,留下這樣一句話:“海森堡想在物理學領域生存的唯一的出路只有去當個理論物理學家”。
 “If Heisenberg was going to survive at all in physics it would be only as a theorist.”