我的学术启蒙之路：慕尼黑大学实验物理学

1920年秋天，我正式进入了慕尼黑大学，开始了我的学术生涯。起初我想主修数学专业，但是和几位数学系的教授谈论以后，我决定还是去学理论物理。也许是我看了太多的经典力学和相对论的书，思维上和这些数学家有些格格不入吧。

慕尼黑大学的理论物理学教授名叫阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld），一位睿智而慈祥的老人，曾是著名数学家费列克斯·克莱因（Felix Klein）的助手，他成了我的博士生导师。他的手下有两个非常著名的学生，据说是慕尼黑大学物理系目前最聪明的两个学生，一个叫沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli），一个叫彼得·德拜（Peter Debye）。泡利这家伙出生在1900年，比我大1岁，标准的世纪婴儿。这个大腹便便的家伙一看新来了个师弟，马上滔滔不绝地跟我地大谈物理学，结果发现我这个“菜鸟”居然知道的一点不比他少，于是对我照顾有加，好似寻觅良久终遇知音一样。

图3-4　索末菲教授和玻尔教授的合影（1919）

索末菲老师给我的博士课题是关于湍流的，是流体力学里一个相当变态的题目，根本无法得到解析解。索末菲老师太信任我了，但是我的兴趣早已转移到了别的地方——尼尔斯·玻尔（Neils Bohr）教授的量子理论。因为在我想主攻相对论的时候，泡利这个有眼光的家伙建议我说，相对论领域被爱因斯坦一个人建立得差不多了，你没有机会再做出重要成果，但是玻尔研究的这种电子轨道模型的量子理论问题重重，你不妨试试这方面，也许有大发现呢。

索末菲老师1922年跑到美国去做一个为期一年的客座教授。他知道我的兴趣转移到量子理论上了，便把我推荐到了哥廷根的马克斯·玻恩（Max Born）那里做交流生。哥廷根，一个在数学界何其神圣的地名，大数学家高斯（Gauss）建立了这里的威望。如今在希尔伯特（Hilbert）的领导下，它已经成为世界的数学中心，我在这里的导师玻恩也算是他的半个学生了，他是哥廷根大学理论物理的带头人。

图3-5　好兄弟泡利

图3-6　第一次世界大战时的马克斯·玻恩教授

对我来说哥廷根再好不过，因为我可以在这里学到纯粹的数学和天文学。

——1922年海森堡写给父亲的家书

刚来这里不久，我便遇见了来访的玻尔教授，一个当时在我心中仅次于爱因斯坦的物理学家。在他的报告结束后，我勇敢地走上去向他请教有关他的量子理论的一些问题，使他认识了我这个后辈。后来我才知道，第一次见面他就被初生牛犊不怕虎的我所深深打动了，滔滔不绝地向我讲述他的工作。这一年，玻尔教授凭借电子轨道模型的量子理论拿了诺贝尔奖（这个工作也有我的导师索末菲的一部分功劳），在他的前一年得奖的是爱因斯坦。比较讽刺的是爱因斯坦居然是靠光电效应的光子解释获奖，而不是更为重要的狭义相对论和广义相对论。当然，他的光子解释和普朗克的量子化一起成为玻尔教授量子理论的基础。

由于我是个短期交流生，玻恩教授起初没有太在意我，但随即便被我的能力和求知欲所打动。他手下有个数学基础非常强的助教帕斯卡·乔丹（Pascal Jordan），我们一起通过玻尔的量子理论计算得到的结果和实验观测的原子光谱完全无法吻合，看来玻尔的旧量子理论存在致命问题，量子理论需要一次深入的变革。

物理学不仅需要更多的新的假设，甚至整个物理学概念系统都需要重建。

(www.xing528.com)

——玻恩，1923年

一年的交流期很快结束，索末菲老师也从美国回来了，他叫我回去毕业答辩。说实话这一年我满脑子都是量子理论，根本无暇顾及他给我的湍流课题。不得已，我用了几个小技巧，得到了一个非严格但是非常近似的解，作为我的博士论文内容。论文得到了通过，并且相应的结果第二年发表在了当时最好的物理学期刊上。于是泡利半开玩笑地说：“海森堡，你真是天才，这样也行？”

在处理这个问题上，海森堡又一次显示出了他超强的能力：对数学工具的完全运用和非常勇敢和深入的物理视角。

——索末菲对海森堡博士论文的评语，1923年

万万没想到的是，我的博士答辩会成了我人生第一个无法忘怀的噩梦。索末菲老师这边自然没有问题，因为我知道在他眼中我是他最出色的学生，哪怕是跟泡利和德拜这样的牛人相比。但是我从入学以来就没有认认真真地做过一次实验。似乎上帝给了我敏锐的头脑和理性思维，却夺走了我的动手能力。在慕尼黑大学负责实验物理的是诺贝尔奖得主瑞恩，没错，就是做黑体辐射实验给普朗克先生铺路的那位，一直被我在调仪器时候的笨手笨脚气得发疯。在他的眼里无论一个物理学家理论水平如何高，都必须要具备一定的实验能力，于是，答辩时候我就被他搞惨了。他先问我怎么调法布里-帕罗干涉仪的精细度，我没答上来。他又问我蓄电池怎么工作，我还是没答上来。瑞恩十分气愤，觉得我不该通过。他在慕尼黑大学资格最老，一言九鼎，无人敢反对。这时我的导师索末菲勇敢地站了出来替我说话，他反对用实验能力来扼杀一个理论物理学家的天赋。我头一次看到两位老科学家在如此激烈地争吵。索末菲老师在一心地帮助我，提携我，使得我一生都对他存在着深深的敬意和感激。

图3-7　威廉·瑞恩

最后讨论的结果，索末菲老师给了我最高分A，瑞恩教授给了我最低分E，于是平均下来我的答辩成绩是C，刚刚及格。这对从小一直名列前茅、不甘人后的我来说是一次非常重大的打击，如同耻辱一般。这一年，我22岁。晚上索末菲老师组织了晚宴庆祝我拿到博士学位，我喝完香槟酒吃点东西后，在大家意犹未尽地欢聚的时候和大家匆匆道别，早早地离开。回到宿舍我拿起早已收拾好的行囊，背着它在夜色下只身来到慕尼黑火车站，买好车票，目的地——哥廷根。

第二天早上，我就到了玻恩教授的办公桌前，拿着这张难看的答辩成绩单，问他：“您说过我拿到学位后就招我过来当助教，现在您是否会改变主意？”我当时心里很忐忑，寄希望于玻恩不会放弃一个改变量子理论的机会吧。

玻恩一开始没有回答我，只是问答辩时瑞恩都问了我哪些问题，然后说“这两个问题确实不好回答”。玻恩教授也许是为了给我面子才这么说的，录取通知书还是照旧给了我。

我那位赋闲在家的战斗英雄老爸真是一直在为我担心，他甚至写了信给哥廷根大学主管实验物理的詹姆斯·弗兰克（James Franck）教授，请求他好好教教我实验。詹姆斯·弗兰克教授尽力教了我很久，最后还是放弃了，留下这样一句话：“海森堡想在物理学领域生存的唯一的出路只有去当个理论物理学家。”