【物理大师】差一点得不到博士学位的海森堡

先问一个问题,如果告诉你一个诺贝尔物理学奖获得者差一点博士毕不了业,你心里会怎么想?惊讶!不敢置信?还是有点安慰,甚至有点爽,原来大牛也有当渣渣的时候(www.cunse.cn)。

反正我知道的时候,表情是这样的。

那这位博士差点毕不了业的大牛是谁呢?来,男猪脚主角出场,他就是鼎鼎大名测不准原理和矩阵力学提出者,德国著名物理学家,量子力学的主要创始人,哥本哈根学派的代表人物,1932年诺贝尔物理学奖获得者——海森堡。

看这照片,妥妥的又是一枚大帅哥,我就纳闷了,这些帅哥都有自残的倾向吗?不然干嘛都跑去学物理?不信,给你们看看几张对比图。

爱因斯坦学物理前

爱因斯坦学物理后

普朗克学物理前

普朗克学物理后

篇幅有限,就不多加介绍,想看更多帅哥照片,请自行网上搜索。不过海森堡和他们不一样,他是被数学扫地出门,才无奈选择的物理。

1920年的夏天,海森堡高中毕业了,他想进慕尼黑大学数学系,专攻数学。他父亲那时正在这所大学执教,所以海森堡是妥妥的学二代。他父亲叫他去拜会数学系的林德曼(Lindemann,1852~1939)教授。海森堡去拜见他的时候,他身体不大舒服,听说海森堡想进数学系,就问海森堡:“你最近读什么书?”

海森堡回答说:“读过韦尔的《空间、时间和物质》”。这本书许多大学生都看不懂,他一个高中刚毕业的不仅看懂了,正因为看了这本书才决定进数学系。原本以为靠着这个回答能够让教授刮目相看的海森堡却被拒绝了。那时的海森堡是这样的:

被数学系拒绝的海森堡只好退而求其次,选择了理论物理。还好索末菲很爽快地收下了这个学生,这也许是阴差阳错,也许是命中注定。 没有这次的错过也许就没有后来的测不准原理和矩阵力学,物理学界也许就少了一个牛人。所以,奔跑吧!骄傲的少年!世界之大,总想要去飞,就算满身伤痕也不曾后悔。

海森堡就是这样的一个骄傲的少年,他想学数学,碰壁了,于是学起物理了。他喜欢理论物理,喜欢研究前沿大问题,不喜欢做实验,不喜欢基础,却被索末菲教育了一番。索末菲明确无误地告诉他,要从基础学起,先做一些要求不高的、细致的工作,这让海森堡非常扫兴。

海森堡也正是因为不喜欢做实验,所以他的物理实验非常差。教他物理实验课的是获得1911年诺贝尔物理学奖的实验物理学大师维恩教授。维恩教授对海森堡一直很恼火,因为海森堡和索末菲的另一个高足泡利一样,从不认真做实验,属于实验课能糊弄就糊弄的那种人。

有一天,海森堡和泡利一起做实验,测定音叉的振动频率。但他们进了实验室之后,根本没做实验,却讨论起原子结构中一些有趣的问题。直到快下课,两人还没动手做实验,于是泡利灵机一动,出了个馊主意说:“就利用你的听觉吧!我敲一下音叉,你听出是什么音调,我就可以算出音叉的频率。”于是这堂测量实验,他两就这么蒙混过关了。(这可真是两个小机灵鬼)

年轻人总是这样,年轻气盛,尤其像海森堡这样聪明的少年,但是现实总会给我们上一课。这不,不好好做实验的后果出来了,海森堡差点拿不到博士学位。

当时的规定是:物理考试你要考理论,也要考实验,两个合起来算成绩。理论考试由索末菲负责,实验则由维恩负责。

博士考试那天,维恩问了一个很容易的光学中的分辨率的问题,但海森堡都没回答上来。维恩很恼火:“这么简单而重要的问题,你都回答不出来,恐怕我们真是在‘浪费时间’吧?”维恩教授特地把”浪费时间”几个字说得特别重,因为海森堡一直认为做基础实验是浪费时间。就这样,海森堡华丽丽地被打脸了。

没办法,维恩只好又问了个简单的问题(心疼维恩教授,恨铁不成钢的心情可想而知):“铅板蓄电池是怎么工作的?”

真要命,连汽车司机都会回答的问题,海森堡还是不会,这下把维恩教授彻底气走了。

海森堡就像霜打的茄子一样,耷拉着脑袋出了考场,见了任何人都不搭腔,一脸颓废,心想:“完了,这下博士帽戴不成了。”

但是天才毕竟是天才,海森堡的理论文章《关于流体流动的稳定和湍流》写得非常好,于是在索末菲的努力下,维恩最终还是给了个最低的及格分数,总算让海森堡毕业了。

海森堡毕业后,来到哥廷根,由马克思·玻恩私人出资聘请为助教。

1924年至1927年间,海森堡得到洛克菲勒基金会的赞助,来到哥本哈根的理论物理研究所与玻尔一起工作。正是这次机会,让海森堡得到了量子力学的另一种方案:矩阵力学。

当时量子力学进入了一个困境,虽然玻尔的理论可以预言氢原子的光谱频率,并且与观察结果相一致,但是这些频率与玻尔所假设的电子绕核运动的轨道频率都不相同。于是,一些思想激进的年轻人开始意识到,也许经典的轨道理论不适合原子领域。海森堡就说过:“我所有微弱的努力,就是要消除……那些无法观察到的轨道。”

如果轨道运动的观点是不正确的, 那么原子中的电子到底是怎么样运动?于是海森堡着手研究量子力学——一种没有轨道运动的新的力学。

1925年的夏天,海森堡因为对花粉过敏,得上了严重的花粉热病,脸肿的像挨揍过一样,对于帅哥来说,这真是一个致命的事情。

于是,海森堡只好请假离开哥廷根来到一座荒芜的岩岛疗养。正是在这远离喧嚣的小岛上,海森堡不断地思考着电子的轨道问题,这样的思考让他灵感迸发。

一个深夜,他突然意识到能量守恒!这个灵感让他把一种新的乘法规则,用到相应的经典表达式上,通过转译导出量子定态的能量,从而建立了原子中电子的基本运动模型。

1925年6月19日,海森堡回到哥廷根。经过反复考虑,把他在岛上取得的突破进行提炼总结成论文,就是《关于运动学和力学关系的量子论转译》这篇划时代重要性的论文。于是,矩阵力学就这样横空出世了。

海森堡在物理学上的成就毋庸置疑,但是由于在第二次世界大战中为纳粹德国主持研究核武器留下了著名的“海森堡之谜”。这是因为在纳粹德国研究原子弹期间,海森堡经过计算发现,原子弹的爆炸需要十几吨铀235,但以当时的工业水平,根本不可能提炼出如此多的铀235。

于是希特勒下令停止原子弹研究,开始研发导弹。然而众所周知,老美启动了“曼哈顿计划”,研制出了原子弹。原来海森堡在计算中犯了一个低级错误,他没有把中子扩散率计算进去,导致了铀235的量需要很多。而后来海森堡对外发表声明中却说:是自己故意算错的,自己不想让纳粹掌握到原子弹。

但是有很多科学家不相信海森堡的声明,认为海森堡是马后炮。然而到底真相如何,估计只有海森堡自己知道了。

1976年,海森堡溘然长逝,享年七十四岁,留下了妻子和七个儿女。

本文作者:超模君,超级数学建模公众号主编,数学与交叉科学教育自媒体博主。爱分享有用的数学建模知识,爱深挖有趣的交叉科学人物故事,爱为靠谱的现代教育产品打call。著有《芥子须弥·大科学家的小故事》,由清华大学出版社2019年出版。

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