沃勒・海森伯简介资料_年轻气盛的海森伯

时间:2018-05-10  栏目:历史故事  点击:188 次

沃勒·海森伯简介资料_年轻气盛的海森伯

沃勒·海森伯(1901—1976),德国物理学家。

1932年因为创立量子力学,尤其是它的应用导致了氢的同素异形体的发现,获得诺贝尔物理学奖。

德国物理学家海森伯

走进物理学殿堂

1920年夏天,海森伯高中毕业了,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,于是他让儿子去拜会数学系的林德曼教授。(www.guayunfan.com)

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海森伯(左)年轻时和他的父母、哥哥的合影

林德曼是一位有着白胡子的老人,年事已高。海森伯去见他时,他正不大舒服,精神也不好,听了海森伯想进数学系的要求后,就不大耐烦地问:

“你最近读些什么书?”

海森伯回答说:

“读过韦尔的《空间、时间和物质》。”

韦尔是德国鼎鼎大名的数学家,他的《空间、时间和物质》一书在当时可是热销一时的科学名著。

在回答时,海森伯可能还在暗自得意,他看的这本名著,许多大学生都看不懂,而他不但看懂了,还正因为看了这本书才决心进数学系的。他想林德曼一定会大吃一惊,并高兴地收留他。但海森伯高兴早了,林德曼一听海森伯的回答,就决断地说:

“那你就根本不能学数学了!”

完了!就这样莫名其妙地被林德曼教授打发走,还不知道是什么原因呢!海森伯只好对父亲说:

“我也可以读理论物理,试一试,行吗?”

幸亏林德曼不接收这个学生,否则海森伯就不会转向物理系了。父亲让他去会见物理系的索末菲教授。索末菲那时刚50岁出头,留着一副向上翘的八字胡,矮矮个头,精力旺盛,对人和善,而且在物理学界很有名气。索末菲教授倒是很痛快地接收了海森伯这个学生,他听说海森伯在读《时间、空间和物质》一书,沉思了一下以后对海森伯说:

“请你注意,做学问不能从最难的地方开始,你应该从基本物理学领域开始,先做一些要求不高的、细致的工作。你在中学里做过一些什么实验?”

海森伯回答说:

“曾经做过一些小仪器,如小马达等,但我不大喜欢同仪器打交道。”

索末菲知道聪明的学生往往年轻气盛,仍然耐心地对他说:

“即使你想专攻理论物理,也应该以最大的耐心做一些你认为不重要的小题目。一些大题目要解决,如爱因斯坦的相对论;但是也有许多小题目要解决,这些小问题不解决,大题目就完成不了。”

海森伯还是不虚心,又斗胆地加了一句:

“可是,我对大问题后面的哲学问题更感兴趣,而对小问题不太有兴趣。”

索末菲不大高兴了,心里想:“这年轻人也够狂的了,说了半天他还听不进去。”但索末菲向来对年轻人很善意,于是又耐心地说:

“你可知道,大诗人席勒曾经说过:‘如果国王要建造宫殿,推手车的人可有事情做啦。’首先,我们都要做推手车的人!”

海森伯不敢再多说。索末菲也不想多指责学生,就说:

“你有没有能力,我们很快会看出来的,你可以参加我们的一些讨论班。我倒想看看你的表现如何。”

就这样,海森伯没有走进数学领域,而被一位高手领进了物理学的殿堂。

混过了一次实验关

有一天,泡利和海森伯一起做实验,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。谈了许久,忽然泡利大叫一声:“糟了!马上要下课了,我们还没动手实验。”

海森伯也慌了:“这如何是好呢?”

还是泡利灵光,出了一个主意:“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。”

海森伯大为高兴。这一次的测量实验,就这样被这两位未来的理论物理学家混过了关。

差一点就不能毕业

上物理实验课的维恩教授对从来不好好做实验的海森伯一直很恼火。索末菲对海森伯说:

“维恩教授对你有些看法,你要选修中级物理实验这门课。今后你对实验要认真一点,否则会遇到麻烦的。”

海森伯忧郁地说:

“他大概不会给我及格分的。”

索末菲为了鼓励海森伯,说:

“不能说死了,关键是你要改变一下态度,不能再对别人说做实验是浪费时间。”

当时的规定是:物理考试既要考理论,也要考实验,两方面合起来算一个成绩。理论考试由索末菲负责,当第一考试人;实验则由维恩负责,当第二考试人。如果维恩不给海森伯及格,海森伯就要倒霉,不能毕业!没办法,海森伯只好到中级物理实验室去,按维恩的要求做实验。可是,他怎么也做不好,也提不起精神。过了不久,他又在实验室里偷偷研究起理论物理,把实验撂在一边。

1923年7月23日,博士毕业考试的日子终于来临了,海森伯十分紧张。维恩教授的这一关,恐怕凶多吉少。考试开始,维恩问了一个很容易的光学问题,但海森伯没有回答出来。维恩有些恼火了:

“这么一个简单而重要的问题,你都回答不出来,恐怕我们真是在‘浪费时间’吧?”

维恩特别把“浪费时间”几个字说得很重,那意思海森伯当然心领神会。

“我不想为难你”,维恩又说。“我再问你一个最简单的问题,铅板蓄电池是怎么工作的?”

这个问题的确够简单的,恐怕汽车司机都可以回答。可是真要命,海森伯从来没有关心过这类简单的问题,还是回答不出来。

维恩教授板着脸,气呼呼地说:

“好了,我的问题问完了。”

海森伯出了考场,见了任何人都不搭腔,一脸晦气,心想:“完了!博士帽戴不成了。”

幸亏他的理论文章写得好极了,索末菲颇为得意地对人说:

“这篇论文难度很高,只有海森伯可以写出来!”

可是维恩根本不同意让海森伯毕业。但索末菲自有办法,他终于说服了维恩,让他高抬贵手,给了一个最低的及格分数。好险呀,差一点不能毕业的海森伯终于毕业了。

1923年10月,海森伯来到哥廷根,被玻恩私人出资聘为助教。

斗胆批评玻尔

1922年6月12日至14日、19日至22日,玻尔在哥廷根一共做了7次有关原子结构的演讲。演讲时,听众中不仅有哥廷根的科学家,还有从慕尼黑来的索末菲和他的研究生海森伯及助手泡利。有一次玻尔讲完以后请听众提问题。海森伯正好深入考虑过玻尔讲的问题,但他的结论与玻尔的恰好不同,因此他大胆地站起来提出批评,并把自己的推算告诉了玻尔。

后来,海森伯在回忆中提到了这件事,他说:

我当时之所以想提出批评,只是想听听玻尔对我的批评有什么高见,这本身就极富趣味。而且,我还想看看玻尔的答复是不是遮遮掩掩,也想了解我的批评是否击中要害。

海森伯注意到玻尔对他的批评有些震惊,他的回答也有些含糊其辞。不过海森伯当时是第一次接触玻尔,不知道玻尔治学的风格。海森伯没有料到的是,讨论一结束,玻尔就邀请他下午一同去海茵山散步,说在散步中也许能比较深入地讨论一下整个问题。许多年之后,海森伯在一篇文章中生动地回忆了这次散步。海森伯写道:

讨论结束后,他过来邀请我到哥廷根郊外的海茵山山坡去散步。我真是求之不得。我们在林木茂盛的海茵山山坡上边走边谈。那是我记忆中关于现代原子理论的基本物理及哲学问题的第一次详尽讨论,自然对我以后的事业有着决定性的影响。我第一次了解到当时玻尔对他自己的理论比许多别的物理学家(如索末菲)更持怀疑态度;我还了解到他对原子理论结构的透彻理解并不是来自对基本假设的数学分析,而是来自对实际现象的深刻钻研,因此,他能直觉地意识到内在的关系,而不是在形式上把关系推导出来。于是我懂得了:自然知识主要是以这种方式获得的;仅仅作为第二步,才可能用数学公式把这种知识表示出来,进行完全理性的分析。从根本上来说,玻尔是位哲学家而不是物理学家;但是,他懂得我们这个时代的自然哲学如果不是每个细节都经受得住实验的无情检验的话,便是无足轻重的。

他们都穿着游泳衣吗?

做实验的时候,如果一些细节上的问题没有仔细思考,往往会出大问题。例如前面的劳伦斯因为线路设计不合理,轻易放过了人工放射性的重大发现。这说明实验并非易事,对实验的解释是一项非常重要而且精细的事情。

对此,海森伯曾经发表高论:

这些人进进出出都穿着漂亮的衣服,但是你能够由此就得出结论说,他们都穿着游泳衣而且都会游泳吗?

钉木盒子理论

海森伯认为一个理论物理学家不应该只盯着一个实验组的实验结果,他应该与所有相关的实验发展保持接触,这样在制定理论时才不至于只见树木不见森林。海森伯常常用一个故事表明这个观点。

当他还是个孩子时,一天他要在一个木盒子上钉盖子,拿了锤子与钉子试图把一根钉子一下子锤到底。他的祖父是个手艺人,制止了他。祖父先把一个钉子锤到只穿透盒盖一点点,再以同样方式钉第二根、第三根……一直到所有的钉子都在盒盖上,检查了所有露尖的钉子与盒子是否配合得很好,才把它们一一钉进去。

相应地,海森伯认为,一个人不能在一时只解决一个困难,他不得不在同时解决相当多的困难才能真正前进。他举例说,玻尔曾指出当要提出一个命题时,必须同时证明它的反命题是不正确的,所以要解决的问题不会只是一个。

成了囚犯

1944年,盟军开始轰炸德国,于是海森伯研究原子弹的实验室迁到杜宾根赫津根小镇的一个很大的地下石窟,石窟的上面是一个欧洲文艺复兴时期的教堂。这个石窟被海森伯改造成为“原子地窖”,把反应堆从柏林搬进这个石窖。

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“原子地窖”上的赫津根小镇教堂

1945年4月中旬,德国兵败如山倒,战争已接近了尾声,最后的一些掉队士兵也离开了赫津根,往东溃逃。盟军的炮声和坦克行驶的轰隆声已经可以听见。海森伯知道,他们不必再干下去了。他和同事们把铀块埋好,相互道别,各奔生路。海森伯决定骑自行车到乌尔菲德,他的母亲、妻子和孩子都在那儿,他必须与他们一起度过战争最后,也是最危险的时刻。为了安全起见,他总是晚上行动,白天或休息或准备食物。

三天三夜以后,海森伯终于到了家,家人总算平安无事。回家后,海森伯就忙于准备食物,用沙包挡住窗口。他有责任保护家庭的任何一名成员,毕竟是他决定留在德国,让全家与他一起蒙受危险和苦难。

他这时不知道,美国有一支特别行动分队,正在紧张地搜寻海森伯和德国所有知名的核物理学家。这支特别侦察队的行动代号是“阿尔索斯”行动,“阿尔索斯”在希腊文里是“小树林”的意思。有趣的是“曼哈顿工程”最高行政长官格罗夫斯将军的姓“Groves”正好是“小树林”(grove)的复数。不知这是巧合还是有意为之。

“阿尔索斯”行动的目的是搜索德国原子弹研制情报,逮捕以海森伯为首的德国负责核研究的重要科学家,绝不能让他们落入苏联人的手里。

盟军在1945年3月占领了海德堡以后就已经明白,希特勒指望的秘密武器不包括原子弹,于是“阿尔索斯”行动小组的任务就只是“准确无误地捕获德国铀俱乐部的核心成员”。当时大部分搜捕目标所在地区,都在雅尔塔会议划定的由法国、俄国军队占领地区,于是美国的这个小组与侦察部队,一定要在法、俄军队占领这些地区以前捕获这些重要的科学家。

“阿尔索斯”行动小组里有前面提到的高斯密特,他与海森伯以前是好朋友。1945年4月22日早晨8点半,美国的一支由两辆坦克、几辆吉普车和几辆大卡车组成的突击队,在法国军队之前赶到了赫津根。但海森伯已经骑自行车走了。突击队捉住了几位德国著名科学家——劳厄、魏扎克等人,挖出隐藏的铀,又急忙驱车向乌尔菲德追捕海森伯。

在赫津根发生了一件事对高斯密特十分不利。当美军侦察部队的哈利森将军和部下进入海森伯的办公室时,看见海森伯办公桌上有一张照片,居然是高斯密特和海森伯亲热握手的照片!哈利森差一点怀疑是高斯密特通敌让海森伯逃了。高斯密特无法向他解释什么叫物理学家们的“国际大家庭”,这正是“秀才遇到兵,有理讲不清”。

1945年5月4日上午,由波利斯·帕什领导的侦察小组赶到了乌尔菲德,找到了他们追捕的第一号目标——海森伯。海森伯正在照料母亲。他很有礼貌地请帕什他们进屋,并把受惊的妻子伊丽莎白和好奇的孩子介绍给他们。

帕什立即对海森伯进行了长时间的审问。第二天,海森伯在美国装甲车和侦察坦克的掩护下被带走了。伊丽莎白焦急而且是泪眼汪汪地问帕什:

“你们把他带到哪儿去!”

“不知道。”

“什么时候让他回来?”

“两三个星期吧。”

海森伯的母亲、妻子和孩子眼巴巴地看着他们的亲人被带走,消失在远处的丛林中。

帕什给伊丽莎白的回答只对了一半。他的确不知道最终会把海森伯带到哪儿去,这是真实的回答;但两三星期就会让海森伯回家却大错特错,因为他在英国剑桥附近亨丁顿的一处乡间别墅里,被拘禁了8个月之后,才从英国回到德国与亲人团聚。

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英国剑桥附近亨丁顿的乡间别墅,那里拘留了一群高贵的德国俘虏

与狄拉克打赌

1926年底,电子的自旋和相对论有着密切联系的观点得到了普遍的承认,但自旋、相对论和量子力学三者之间如何统一到一个理论之中,人们观点很不一致。在薛定谔方程里,自旋只能作为一个假设的物理量硬性地置入其中,方程本身没有这个解。这显然不能令人满意。

狄拉克有很强的信心,认为自旋问题根本不值得焦虑,也用不着海森伯摆弄模型那一套蠢方法,他相信自己用不了许久就会把它弄得一清二楚。十分有趣的是,1926年12月,当狄拉克在哥本哈根访问时,他与海森伯就什么时候能正确解释自旋还打了一个赌。1927年2月海森伯在给泡利的信中写道:

我和狄拉克打了一个赌,我认为自旋现象就像原子结构一样,至少还要三年时间才能被弄清楚。但狄拉克却认为他在三个月里(从12月初算起)就可以弄清楚什么是自旋了。

更有趣的是,一直不相信电子有自旋的泡利本人,差不多在同时与克拉默斯打赌说:

“绝对不可能构造出一个具有相对论性自旋的量子理论。不信?打赌!”

狄拉克在与海森伯打赌以后,开始全力以赴地研究电子自旋问题。结果他们打的赌,各对一半。狄拉克在三个月里没有弄清楚自旋,但在两年后(而不是三年)就意外地弄清楚了。

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