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科学网量子纠缠背后的故事(十七):海森堡的矩阵

海森堡万万没想到他会在毕业时栽一个大跟斗。

索末菲从美国讲学回来后,海森堡也从哥廷根回到慕尼黑。虽然他在哥廷根的时间并不长,也已经足以让那里的玻恩给爱因斯坦写信报告:“海森堡绝对是与泡利同等的天才。”索末菲当然深有同感。他安排只上了三年大学的海森堡直接提交博士论文——正与泡利一样。

海森堡最突出的科研成果是在反常塞曼效应的解释中引进半量子数,曾引起广泛争议。为避免不必要的麻烦,索末菲建议海森堡另起炉灶,做一项流体力学的湍流研究作为学位项目。

湍流属于已经成熟的经典物理,只是繁复的数学计算使其成为难题。这对海森堡来说自然不是问题,他很快完成了论文。那是1923年7月,他也只有21岁。

四年前,曾在柏林大学与普朗克一起研究黑体辐射的维恩来到了慕尼黑。他理所当然地是海森堡答辩委员会的成员之一。已经年届花甲的维恩对他在这里次于索末菲的地位颇为不满,也对物理学越来越倾向于索末菲式的理论研究、忽视他所钟情的实验牢骚满腹。偏偏那年海森堡还选修了维恩的实验课却屡屡旷课,丝毫没当回事。维恩一直在等待机会,给索末菲和他的得意门生一点好看。

海森堡的答辩在下午五点举行。他信心十足,有条不紊地对答如流。突然,维恩问起一个与湍流不相干的实验设计问题。海森堡没有准备,不禁张口结舌,说不出个所以然。老练的维恩随即连续发问,逐步降低问题的难度,试探学生的知识底线。海森堡疲于应付,漏洞百出。旁边的索末菲屡次插话,问一些理论问题试图缓解局面,但无法扭转维恩的一意孤行。

不久,维恩以戏剧性的口吻问道:“难道你连一个普通显微镜的原理都解释不了吗?”年轻的海森堡已经丢盔卸甲,无以为答。

在随后的评议中,维恩坚持海森堡的物理基础知识欠缺,打出罕见的零分。索末菲针锋相对地给了个满分。陷入夹缝的另外两位教授只好明哲保身,给了及格分数。平均下来,海森堡还是以勉强及格的成绩赢得博士学位。

从教室里狼狈逃出后,海森堡当晚就离开了慕尼黑,跑到哥廷根去找玻恩诉苦。厚道的玻恩安慰海森堡,并保证不会因此撤回已经给了他的助手职位。

经此突然打击,曾经在阿尔卑斯山中劳筋骨苦心志的海森堡万念俱灰。他给父亲写信,悲愤地宣告他的物理生涯已然终结。然后,他与早年的童子军伙伴们再度聚集,远赴芬兰远足,在大自然中又重新寻回勇气和信心。

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1924年3月,在哥廷根给玻恩当助手的海森堡利用假期第一次来到哥本哈根。他渴望再一次当面请教玻尔,理清他越来越强烈的疑惑。时间治愈了他论文答辩的心理伤痕,却还无法消除他对量子理论的迷茫。

1924年,海森堡在哥廷根讲学。

玻尔的原子模型已经问世十年了,在氢原子、氦离子的光谱上成功之后裹足不前,似乎已经穷途末路。泡利的氢分子离子只是那些年无数失败中的一例。即使在那少有的成功背后,这个模型也只能给出光谱线的频率,无法计算谱线的强度。更糟糕地,它预测的谱线也并不完全与实验相符:在准确预测观察到的谱线同时,也经常会预测出一些不存在的“多余”谱线。

这说明玻尔的原子模型其实存在重大的缺陷。海森堡不得不怀疑那些少有的成功不过是瞎猫撞上了死老鼠,并不是真实的物理。

他在波尔研究所的客房里住了几天,一直没能见到玻尔。终于,玻尔突然出现在他的门口,二话不说告诉他收拾行李,第二天一早出远门。

接下来,这两个身体强壮、酷爱野外生活的师徒长途背包远足,在三天里徒步了大约160公里。玻尔带着海森堡领略了丹麦北部的山野风光,包括传说中哈姆雷特王子(Prince Hamlet)的宫殿。

玻尔解释道,这个才开张不久的研究所已经容纳不下越来越多的来访者。他已经买下旁边的地皮,正在筹建新楼以扩展。这些繁忙的事物占据了他太多的时间精力,只有这样逃出来才可能有时间思考。

在那几个难得的日子里,他们没有怎么谈论量子、物理,而是老朋友似地交流各自的成长经历,尤其是战争对生活所造成的影响。这对海森堡又是一次出乎意料的人生体验。他感受到玻尔与他熟悉的那些传统德国教授迥然不同,是一个真真切切的性情中人。

他决定接受邀请,半年后来哥本哈根接替泡利的职位。

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回到哥廷根,海森堡终于第一次见到了他心目中的偶像爱因斯坦。

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