时东陆:诺贝尔奖得主海森堡的故事

选择字号:   本文共阅读 2544 次 更新时间:2012-04-27 22:01:22

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时东陆 (进入专栏)  

  

  启蒙

  

  1922年秋天一个晴朗的上午,德国哥庭根大学物理系高才生海森堡夹着一本十分厚重的原子物理书急匆匆的穿过校园。他那天特意穿上笔挺的灰色西装,并把领带的结拉得很紧。他甚至有点紧张,可以说特别的紧张,因为今天,他要去见一位物理学界的泰斗人物:丹麦哥本哈根理论物理研究所所长,刚刚获得诺贝尔奖的波尔博士。

  

  波尔是谁?天啊!在当时的欧洲物理学界波尔可是与爱因斯坦齐名的物理学大师(那时美国可能还没有数的上的人物呢!)。在几年前的欧洲物理年会上,波尔唇枪舌箭地与爱因斯坦激烈的展开关于解释自然基本理论的辩论。爱因斯坦认为,天下宇宙完全可以用他刚刚提出的相对论解释。而波尔却认为,他的原子模型是物质世界最好的解释。但是,很多到会的学者都嘲笑这种“粗糙” 的模型,好像波尔把宇宙星球的卫星关系与微观世界机械的联系在一起了。所以他们站在爱因斯坦的立场上攻击波尔。但波尔当仁不让,坚持自己的观点,最后终于向世界证明了自己的理论,并以“波尔原子模型”获得1922年度的物理学诺贝尔奖。

  

  在21世纪的今天,科学界已经完全接受了波尔的原子模型。可以想象,如果没有波尔原子模型,我们今天无法建立晶体学以及所有的固体理论,包括半导体,超导体,和激光晶体。

  

  去会见世界如此著名的物理学家,年轻的海森堡除了心中的胆怯,却又有一大堆疑问。他甚至有对波尔模型的质疑。“见面之后该怎么说呢?” 海森堡心里嘟囔着。但是他主意已定,今天必须问个明白,机会实在难得。他在古典而森严的物理楼大门前停住脚步,然后深深的呼吸,稳了稳神,便鼓足勇气地登上大厅前的阶梯。

  

  波尔先生今年37岁。一年前被任命为丹麦理论物理所所长,第二年就获得诺贝尔奖。可谓在事业上如日中天。由于他当时的名望,欧洲许多最为著名的大学和研究所都邀请他讲演所谓的“波尔模型。” 哥庭跟大学是德国最为著名的大学之一,这种邀请,波尔不会错过的。

  

  这位丹麦物理天才不仅是科学大师而且是一名颇有名气的足球健将。不知道是否由于波尔的爱好,在物理学界内部,热爱足球一直是一种世界性的传统。搞物理研究的,十有八九爱踢足球。

  

  阳光穿过硕大的窗户洒进屋里,让室内的人与物都形成强烈的光色反差。由于阳光十分的刺眼,刚刚走进办公室的海森堡一时看不清对面波尔的面孔。他发现屋里坐满了物理系的教授和研究生们。于是他走上前冷静的自我介绍:

  

  “瓦尔诺,海森堡,十分荣幸见到您。”

  

  波尔站起来,显出一种威严,但又伴随一丝和蔼。他眉毛很重,略长的脸型,结实的腮帮,厚厚的嘴唇。由于是背光,他站立起来的时候,头部和肩膀动态地拨动着直射的阳光,就好像是披着早晨金黄色的彩霞。在海森堡眼里,这位如雷贯耳的波尔博士简直就是一尊神。波尔的到来似乎是向物理界,不,是向人类宣讲万物的起源和奥秘。在那个时代,连诺贝尔委员会都搞不懂爱因斯坦的相对论是怎么回事。德国物理学界甚至极端地排斥他的相对论。所以,整个世界都在向波尔倾斜。

  

  “啊,是你,早听说了,非常高兴!” 他会德文,但是带有适当的丹麦口音。他们斯文地握手。

  

  海森堡在众人前似乎有些矜持,但仍然十分的平静。他们几乎是同时,却会意地侧过脸,看着黑板上密密麻麻的数学物理公式。有些他不熟悉,有些好像能猜出一点意思。物理学家有个习惯,可以基本不用语言交流,只要把公式写在黑板上,大家明白了,就你一笔我一笔地用数学和物理沟通。如果意识到对方懂得自己的意思,那便是同行了,兴奋的与你讨论。你从哪里来,叫什么名字好像并不重要。但是如果你对他的概念毫无认识,那么无论你多么热情,都是外人,只好敷衍一下了。

  

  海森堡虽然年轻,却是物理学的高手。当时正是现代物理的初期,许多问题都不清楚,没有定论。这时的海森堡早已经开始考虑量子效应的核心问题了。他大胆的走到黑板前,凝视着一个草图,是波尔画的原子模型。可能有人刚刚和他讨论过了。虽然仅仅几分钟的时间,海森堡已经十分迅速地看懂了公式的含义。波尔一直注视着他的动作。

  

  “电子出现的轨迹不可能这样,” 海森堡指着黑板说,语气似乎有点狂妄。

  

  一个21岁的学生试图向理论所所长,诺贝尔奖获得者波尔博士提出挑战和质疑,而且是在第一次见面的时候。顿时,全场为之大哗,有人瞪大了眼睛盯着这个不知天高地厚的学生。他们似乎在说:你怎么可以如此直白的质疑波尔先生,知道他是谁吗?难道你疯了吗?要知道,在古典的德国,学生在教授面前一定是毕恭毕敬的,更谈何在众人面前提出否定性的质疑!

  

  在波尔眼里,海森堡的确仅仅是一个未经世面的学生。他那年才21岁。在当时的欧洲,学术界可谓等级森严。在著名教授面前当众发问,不仅需要足够的学识,而且得有极大的胆量。而今天海森堡将要面对的不仅仅是一位著名的教授,而且是物理界具有绝对统治地位的权威。

  

  “为什么?” 波尔有点皱眉头了,尽管他仍然保持着教授的威严,但是也感觉到一种十分真实的挑战。他知道来者不善,却又从内心对海森堡发生一种极大的兴趣。

  

  “我现在一时无法证明,但是电子更应该是一种波动。这种波动应该由一种波谱来表征,而不是简单的轨迹图形。”

  

  “嗯,好像很有道理。电子的辐射不是由于它的周期性,而是不同能级轨道之间的越迁造成的。但是它们的轨道图解应该是什么样的呢?” 波尔似乎赞同的说道。他这时立即意识到面前这位21岁的德国学生可以像自己那样思维。这在他以前遇到的学生中间不曾发生过。

  

  “很难用一般的图形表示出来。也许唯一的方式是一套矩阵,或者是一组波动方程的解。但是无法用您这样的示意图画出来的。所以,嗯。。。。您的数学表达也许有问题。”

  

  海森堡不看波尔,只是凝神盯着黑板。他双手抱着肘,开始显示出一种自信的坦然,虽然没有自己的结论,但是他知道波尔模型需要一种新的理论解释,而这种解释不会是牛顿力学,而应该是一种全新的思维和想象。

  

  那天的讨论结束了。讨论没有任何结果。但是波尔与海森堡的科学合作却历史性的开始了。谁都未曾预料,就在十年之后,海森堡也因为他著名的“测不准原理” 而获得了诺贝尔奖。而他的灵感正是来自于波尔模型!所以,他们今天的会面好像上帝早有安排。

  

  两年之后,海森堡大学毕业。他很快收到波尔的邀请,去他那里继续他们的讨论。海森堡欣然前往,一去数年,之至1927年。在这个期间,他建立了量子力学中最为著名的“测不准原理,” 并因此在1932年获得诺贝尔奖。

  

  科学与民族

  

  30年代初的德国显得十分躁动。德国国家社会工党的成立使得人们感觉到一种从未有过的振奋,像是刚刚注射了兴奋剂。“第三帝国”的崛起更让德国精英们满怀信心的面对未来。他们希望从第一次世界大战的失败中重新找回日尔曼民族昔日的尊严和骄傲。这种民族情绪的狂热很快在社会上蔓延,并且影响到科学界。

  

  当时德国十分著名的物理学家,也是诺贝尔奖获得者:廉纳德 (Philipp Lenard),就是一位民族主义情绪十分浓厚的学者。他甚至把物理学划分为所谓的“德国物理” (Deutsche Physik) 和“犹太物理” (Jewish physics) 。因为在当时的德国有许多犹太物理学家。爱因斯坦的相对论就被认为是典型的“犹太物理”而遭到德国物理学界的怀疑和排斥。“德国物理”领袖人物:托马奇克(Rudolf Tomaschek)首先从他编著的著名物理教科书中删除了爱因斯坦关于洛仑兹变换的经典论述。许多“古典物理学家” 十分反感爱因斯坦对于“以色” 概念所采取的冷淡态度。

  

  “德国物理” 学者们不仅排斥“犹太物理,” 甚至反对“英国物理。” 以廉纳德为首,许多著名德国物理学家,包括普朗克都开始公开宣称所谓的“思想之战。” 他们主张直接用德文来注明许多由德国人发明和建立的概念。比如,用“仑琴射线” (R?ntgen ray) 来代替所谓的“X-射线” 的物理名词。在这场征战中,英国著名物理学家汤姆逊就是廉纳德的劲敌。

  

  如果说18世纪世界的思想论战发生在启蒙思想家与宗教学者之间,那么20世纪初期科学界内部的分歧却带有明显的民族与种族色彩。这是令今天的科学家们难以想象的。在30年代的德国,科学家们甚至卷入了纳粹的政治浪潮。

  

  这个时候的海森堡已经是世界著名的理论物理学家,诺贝尔奖获得者。但是由于他与现代物理的几位重量级人物,比如波尔,爱因斯坦,迪拉克,泡利,薛定愕,等人有十分密切的关系,因而也被“德国物理” 的经典学者们排挤。甚至讥讽他为“白色犹太人” (“犹太”在当时的德国是一种蔑视的称呼) 。但是,海森堡曾经是纳粹党主要头目希姆莱的同学。经过他的干涉,“德国物理” 的同仁们才决定放海森堡一马。

  

  由于这种思想分歧和种族排斥,许多非德国裔的科学家,尤其犹太科学家离开了德国。他们很多选择了去英国和美国。爱因斯坦就是他们中间最为著名的一位。他离开德国来到美国的普林斯顿大学。

  

  1941年后的德国已经是战云密布了。在希特勒的闪电式战争中,欧洲大部分国家很快沦陷,包括波尔的家乡丹麦。不得已,波尔也登上了奔赴美国的海轮。而海森堡被纳粹德国任命为与武器相关的核物理研究主管。

  

  波尔的担忧

  

  1943年秋天的一个早晨,酣睡的波尔先生忽然被一串紧急的电话铃声吵醒。头天晚上,他睡晚了。这早早的电话令他十分心烦的企图怒斥对方。但是,就在他还未开口的时候,对方冷静而清晰的男低音,让波尔惊醒:

  

  “美国中央情报局*,波尔先生,我们打扰了。”

  

  自从来到美国,波尔周围几乎都是学者。今天却头一次有中情局电话,令他有点不解,同时有些担心。当时的世界正值二战,到处充满敌意,警惕,和威胁。

  

  “先生,有何公干?”

  

  波尔有些冷淡。他讨厌这些非科学组织对他私人的干涉,尤其是政方,军方,警方,秘密组织。

  

  “不好意思,先生,我们有很重要的事情需要和您面谈。”

  

  对方十分的客气。

  

  “有事电话里讨论吧,今天我有会议。”

  

  波尔想尽快的打发这位中情局特工。

  

  “先生,请您明白,我们需要尽快见面。。。。嗯,这是美国政府的意思。”

  

  客气中,对方有些在施加压力了。波尔一惊,什么重要的事情呢?

  

  大约2个小时之后,一辆黑色的雪夫莱轿车无声地停在波尔别墅的入口。三位身着深色西服的中年人健步走进客厅。这间客厅,从来都是物理界泰斗们聚会的场所,包括爱因斯坦,费米,奥本海默,还有年轻的费曼。但是今天,三位中情局的黑衣人像是来审讯的警官,表情呆滞,但是威严地端坐着。

  

  “各位有何公干?” 波尔有些不耐烦。尽管他们是中情局的特务,这位大牌物理学家也毫无畏惧之感。

  

  “啊,是这样。。。。,” 其中那位领头首先表示出一种歉意。

  

  “中情局长官希望从您这里了解一些情况。” 他说着从怀中掏出一迭资料。

  

  “什么情况?难道你们希望知道物理界的进展吗?”

  

  波尔有些诧异他们的到来,因为自从来到美国,还未与官府打过交道。但是,这时他忽然想起几年前的一件事情。

  

  那是大约不久前的一天。他的物理同行,哥伦比亚大学物理学者,席拉德博士忽然来电话告诉他关于核裂变的一些进展。在交谈的过程中,席拉德博士告诉波尔,德国正在积极进行关于核原料铀的提炼和重水的生产。而领导核反应研究的就是波尔当年的学生海森堡。他从纳粹那里得到了大量的物理实验经费。他还告诉波尔,爱因斯坦和费米都十分关注德国核物理的研究进展。但是他们目前无法确定德国是否在研制原子弹。他们已经在策划给美国总统卢瑟福写信,要求美国能尽快开展核武器的研制。

  

  “也许他们的到来与此有关?” 波尔心里想着,立时感到一种紧迫。

  

  “您一定认识海森堡吧?” 中情局官员有些冷冷的说道。

  

  如果是在战前,他很为这位学生得意,尤其在他1932年获得诺贝尔奖之后。但是今天,海森堡是敌军阵营的重要人物。波尔先生显得有点尴尬。

  

  “是的,但是我们很久没有联系了,” 波而慢吞吞地说。

  

  “啊,不要紧的,我们知道关于海森堡的情况。” 中情局官员希望波尔能放下顾虑。

  

  “我们是想知道,他的物理专长,政治背景,以及他现在可能在做些什么。”

  

  “海森堡是一位当代最杰出的物理学家,(点击此处阅读下一页)

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