《我，海森堡》第一章，小小少年
2010-09-17
文章来源: 作者：张文卓 中国科学院物理研究所
我就是沃纳.海森堡（Werner Heisenberg），没错，就是现在陪伴着我的父母和妻子，静静地躺在慕尼黑市区Waldfriedhof森林的第163号墓地的角落里的家伙。我是那个曾经的量子力学的第一位建立者，一个被物理学领域的人们所铭记，却对公众越来越陌生的人。在我的一生中，经历了太多的是非成败，太多的荣辱曲折，太多太多和20世纪的物理学，乃至整个世纪的历史紧密相连的故事。
我的一生越来越像一个传说，却真真实实地发生在20世纪的时间轴上。通过我的故事，您将看到什么是20世纪物理学的革命，尤其是量子理论激情澎湃的建立和发展。您将看到我与20世纪那些最伟大的物理学家们一个个精彩纷呈却又鲜为人知的故事。您将看到我的祖国德意志带给了这世界什么样的财富，又在两次世界大战中带给了世界怎样的伤害。您将看到我们在战争的创伤中又如何崛起，反思人类究竟该怎样的活着？
我，海森堡，量子力学最早的建立人，爱因斯坦和普朗克的晚辈，波尔，波恩和索墨菲的学生，泡利的好兄弟，薛定谔和狄拉克的好友兼竞争者，费米的和奥本海默的朋友兼对手，将会把我一生沧桑坎坷却又精彩纷呈的故事奉献给各位。
在我出生的那一年，德意志帝国影响力最大的物理学家马克思.普朗克（Max Planck），面对黑体辐射（Black-body radiation）的难题做出了一个开创性的工作【Planck, Max, "Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum", Ann. Phys. 309 (3): 553–6 (1901)】。因为慕尼黑的实验物理学家维恩（Wilhelm Wien）给出的公式和英国物理学家瑞利（Lord Rayleigh）给出的公式一个不能解释低频实验结果，另一个能解释低频结果却在高频发散。于是普朗克先生大胆提出光的辐射能量非连续而是离散的观点，即一个固定长度的黑体辐射腔内，辐射的频率模式是离散的（在腔长内具有整数或半整数个周期），而辐射能量本身是和这些离散的频率成正比的，即E=hν，h为普朗克常数（6.626×10−34 J.s）
我四岁那年，物理学界出现了一位年仅26岁的绝世天才，他在世界家上最好的物理学杂志Ann. Phys上那一年发表了5篇论文，改变了整个物理学。三篇建立划时代的狭义相对论，一篇有关布朗运动，一篇便是光电效应。没错，他就是我们的偶像，阿尔伯特.爱因斯坦（Albert Einstein）。爱因斯坦提出了光本身具有粒子属性，即光子的假说。一个电子吸收一个光子，光子的能量和频率符合普朗克的光辐射能量量子化后的关系E=hν，于是光电效应被成功地解释清楚，算作普朗克先生的理论的进一步发展。后来在我十四岁那年，爱因斯坦又提出了广义相对论，用一个极其简洁漂亮等效原理和黎曼时空的模型成功解释了牛顿引力理论中不能解释的诸多问题，被后续的观测所证实。于是爱因斯坦成了人类历史上比肩牛顿的最伟大的物理学家，这些都是后话。
Ok，谈谈我的童年。我的父亲，奥古斯都.海森堡博士（Dr. August Heisenberg），是一名希腊语言学家。我的母亲，安娜.海森堡（Anna Heisenberg，婚后随了父亲的姓），从天主教皈依了父亲信奉的路德宗，他们在1900年生下了我的哥哥埃尔文.海森堡（Erwin Heisenberg），后来他成为了一名化学家。我是他们的第二个儿子。
5岁那年，我进入了乌兹伯格市的小学。由于父亲是位老师，他一直拿我和我哥哥来比较，想让我们互相竞争，共同成长。在他的眼中容不得自己的孩子学习成绩比其他人差。也的确是这样，我和我哥哥的学习成绩在班级里一直名列前茅。
He is more developed toward the side of rationality than of fantasy and imagination.
--A school teacher
The pupil is also extraordinarily self-confident and always wants to excel.
--A school teacher
没错，在小学老师的眼中，我就是这样一个孩子，理性成分比想象力更出色，并且及其自信，想做到非常出色。也许你们想起了爱因斯坦小时候很笨的例子？切，那一切都是谣言。他小时候肯定比我更出色。那种做板凳的故事大概是后人杜撰用来鼓励资质平平的孩子们的。“Although Einstein had early speech difficulties, he was a top student in elementary school”【Sowell, Thomas (2001), The Einstein Syndrome: Bright Children Who Talk Late, Basic Books, pp. 89–150】
在我九岁那年，慕尼黑大学给了我父亲一个希腊语言文学的教授职位，于是我们举家搬到慕尼黑。从此这个城市成了我的故乡。第二年我进入了Maximilians-Gymnasium中学，9年的时间将我们培养进慕尼黑大学。
Of those early days at the Gymnasium I recall that both my interests in languages and in mathematics were awakened rather early.
--Heisenberg
那是一个不公平的年代，我们的学校中只有男生没有女生，真是耽误年轻人成长啊！这九年中，我显示了数理方面很强的天赋，课堂上的一切知识对我来说似乎都那么容易，我开始学习只有大学才能学到的课程，开始自学微积分，用它来简单地解决很多中学数学中比较难的题。那时我真的非常喜爱数学，因为它是那么的严谨，理性，清晰，可以让你从根本上理解它是什么。我的自然科学老师Christoph Wolff不断地用汽车，飞机，电话的发明来引起我的兴趣。那个时候，我甚至开始自学爱因斯坦的相对论，我的物理学生涯也就真正诞生于这个时候。在毕业的考试中，老师们给了我极高评语，认为我的知识已经超越了中学的要求。
With his independent work in the mathematical-physical field he has come far beyond the demands of the school.
--Teacher's report on Heisenberg's final oral exams
也就是在这九年中，德国发生了翻天覆地的变化。19世纪末到20世纪初的电力革命让德国走在了世界最前沿，科技实力已超越英法，雄踞世界第一。可惜在俾斯麦统一德国意志的时候，地球上的殖民地已经被西班牙，葡萄牙，荷兰，法国，尤其是大英帝国给瓜分干净了，德国只在非洲的几个贫瘠地方扶植了自己的势力。一个后起之秀势必要打破前人的格局。那时我们联合了奥匈帝国与奥斯曼帝国组成同盟国，开始与英法对抗。英法自然不敢小视，拉拢了和德国几乎同时崛起的美国与俄罗斯组成协约国。表面上看他们集团的势力似乎更强大，但是我们从不畏惧，第一次世界大战变在巴尔干半岛这个火药桶的引爆下展开了。
俗话说不怕虎一样的对手，就怕猪一样的队友。奥斯曼帝国已是昨日黄花，早已没有了几百年前消灭拜占庭，封锁欧亚通道的实力，很快投降。奥匈帝国更是一个半路夫妻，很快就分崩离析。我们德意志的勇士们把东西两线的战场都推到了国境之外，却发现只剩下自己一人对抗英法美俄的全面包围，失败在所难免。
从1914年一战的开始，大量的民用资源被消耗在战场，我的家庭就开始了忍饥挨饿。有一次我居然饿的从自行车上摔了下来，后来只有加入学校的军事训练营当预备兵才能吃饱饭。这些年的营养不良造成了我们这一代很多人没有长好身体。在军训营中，我被选为了一个小组Bund Deutscher Neupfadfinder的领导者，一起爬山，远足，玩古典音乐，讨论科学艺术，在残酷的战争年代享受少有的宁静。
Others, including myself, had been working two years earlier as farm hands on farms in the Bavarian Highlands. So the raw wind was no longer alien to us; and we were not afraid to form our own opinions on the most difficult problems.
--Heisenberg, recollection
一战之后，面对凡尔赛和约的巨额赔款，德国经济陷入全面崩溃，我们进入了食不果腹的时代。笼罩在战争失败的阴影下，慕尼黑的街头天天上演着几个派别的血腥搏杀，国家一片混乱，弱肉强食。我在二十岁之前就切切实实地感受到了政治的虚伪和残忍，也许只有在自然科学才能找到那份真实。成王败寇的残酷让我感觉到只有让自己变得更出色，更强大才能更好地活下来，
It is probably not right of me, but I simply prefer to be among my young friends.
--Heisenberg in 1919
我的一生越来越像一个传说，却真真实实地发生在20世纪的时间轴上。通过我的故事，您将看到什么是20世纪物理学的革命，尤其是量子理论激情澎湃的建立和发展。您将看到我与20世纪那些最伟大的物理学家们一个个精彩纷呈却又鲜为人知的故事。您将看到我的祖国德意志带给了这世界什么样的财富，又在两次世界大战中带给了世界怎样的伤害。您将看到我们在战争的创伤中又如何崛起，反思人类究竟该怎样的活着？
我，海森堡，量子力学最早的建立人，爱因斯坦和普朗克的晚辈，波尔，波恩和索墨菲的学生，泡利的好兄弟，薛定谔和狄拉克的好友兼竞争者，费米的和奥本海默的朋友兼对手，将会把我一生沧桑坎坷却又精彩纷呈的故事奉献给各位。
第一章． 小小少年
1901年12月5日，我出生在德国南部巴伐利亚州的乌兹伯格市（Wurzburg）。三十多年前，铁血宰相俾斯麦领导着普鲁士军队所向披靡，将一百年前被拿破仑的铁骑蹂躏的支离破碎的“神圣罗马帝国”的小国们，包括我老家的巴伐利亚王国一个个征服，并入德意志联邦的版图。面对其他大国的阻挠，普鲁士于1864年战胜了丹麦，1866年战胜了奥地利并将他排除出德意志联邦，以1871年大胜法国（普法战争），夺回边境两个州，正式建立了以普鲁士为中心的德意志帝国。于是我生来就是一名德国人。在我出生的那一年，德意志帝国影响力最大的物理学家马克思.普朗克（Max Planck），面对黑体辐射（Black-body radiation）的难题做出了一个开创性的工作【Planck, Max, "Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum", Ann. Phys. 309 (3): 553–6 (1901)】。因为慕尼黑的实验物理学家维恩（Wilhelm Wien）给出的公式和英国物理学家瑞利（Lord Rayleigh）给出的公式一个不能解释低频实验结果，另一个能解释低频结果却在高频发散。于是普朗克先生大胆提出光的辐射能量非连续而是离散的观点，即一个固定长度的黑体辐射腔内，辐射的频率模式是离散的（在腔长内具有整数或半整数个周期），而辐射能量本身是和这些离散的频率成正比的，即E=hν，h为普朗克常数（6.626×10−34 J.s）
我四岁那年，物理学界出现了一位年仅26岁的绝世天才，他在世界家上最好的物理学杂志Ann. Phys上那一年发表了5篇论文，改变了整个物理学。三篇建立划时代的狭义相对论，一篇有关布朗运动，一篇便是光电效应。没错，他就是我们的偶像，阿尔伯特.爱因斯坦（Albert Einstein）。爱因斯坦提出了光本身具有粒子属性，即光子的假说。一个电子吸收一个光子，光子的能量和频率符合普朗克的光辐射能量量子化后的关系E=hν，于是光电效应被成功地解释清楚，算作普朗克先生的理论的进一步发展。后来在我十四岁那年，爱因斯坦又提出了广义相对论，用一个极其简洁漂亮等效原理和黎曼时空的模型成功解释了牛顿引力理论中不能解释的诸多问题，被后续的观测所证实。于是爱因斯坦成了人类历史上比肩牛顿的最伟大的物理学家，这些都是后话。
Ok，谈谈我的童年。我的父亲，奥古斯都.海森堡博士（Dr. August Heisenberg），是一名希腊语言学家。我的母亲，安娜.海森堡（Anna Heisenberg，婚后随了父亲的姓），从天主教皈依了父亲信奉的路德宗，他们在1900年生下了我的哥哥埃尔文.海森堡（Erwin Heisenberg），后来他成为了一名化学家。我是他们的第二个儿子。
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| 奥古斯都.海森堡夫妇的婚礼（1899） |
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| 海森堡（右）和他的哥哥埃尔文.海森堡（1905） |
He is more developed toward the side of rationality than of fantasy and imagination.
--A school teacher
The pupil is also extraordinarily self-confident and always wants to excel.
--A school teacher
没错，在小学老师的眼中，我就是这样一个孩子，理性成分比想象力更出色，并且及其自信，想做到非常出色。也许你们想起了爱因斯坦小时候很笨的例子？切，那一切都是谣言。他小时候肯定比我更出色。那种做板凳的故事大概是后人杜撰用来鼓励资质平平的孩子们的。“Although Einstein had early speech difficulties, he was a top student in elementary school”【Sowell, Thomas (2001), The Einstein Syndrome: Bright Children Who Talk Late, Basic Books, pp. 89–150】
在我九岁那年，慕尼黑大学给了我父亲一个希腊语言文学的教授职位，于是我们举家搬到慕尼黑。从此这个城市成了我的故乡。第二年我进入了Maximilians-Gymnasium中学，9年的时间将我们培养进慕尼黑大学。
Of those early days at the Gymnasium I recall that both my interests in languages and in mathematics were awakened rather early.
--Heisenberg
那是一个不公平的年代，我们的学校中只有男生没有女生，真是耽误年轻人成长啊！这九年中，我显示了数理方面很强的天赋，课堂上的一切知识对我来说似乎都那么容易，我开始学习只有大学才能学到的课程，开始自学微积分，用它来简单地解决很多中学数学中比较难的题。那时我真的非常喜爱数学，因为它是那么的严谨，理性，清晰，可以让你从根本上理解它是什么。我的自然科学老师Christoph Wolff不断地用汽车，飞机，电话的发明来引起我的兴趣。那个时候，我甚至开始自学爱因斯坦的相对论，我的物理学生涯也就真正诞生于这个时候。在毕业的考试中，老师们给了我极高评语，认为我的知识已经超越了中学的要求。
With his independent work in the mathematical-physical field he has come far beyond the demands of the school.
--Teacher's report on Heisenberg's final oral exams
也就是在这九年中，德国发生了翻天覆地的变化。19世纪末到20世纪初的电力革命让德国走在了世界最前沿，科技实力已超越英法，雄踞世界第一。可惜在俾斯麦统一德国意志的时候，地球上的殖民地已经被西班牙，葡萄牙，荷兰，法国，尤其是大英帝国给瓜分干净了，德国只在非洲的几个贫瘠地方扶植了自己的势力。一个后起之秀势必要打破前人的格局。那时我们联合了奥匈帝国与奥斯曼帝国组成同盟国，开始与英法对抗。英法自然不敢小视，拉拢了和德国几乎同时崛起的美国与俄罗斯组成协约国。表面上看他们集团的势力似乎更强大，但是我们从不畏惧，第一次世界大战变在巴尔干半岛这个火药桶的引爆下展开了。
俗话说不怕虎一样的对手，就怕猪一样的队友。奥斯曼帝国已是昨日黄花，早已没有了几百年前消灭拜占庭，封锁欧亚通道的实力，很快投降。奥匈帝国更是一个半路夫妻，很快就分崩离析。我们德意志的勇士们把东西两线的战场都推到了国境之外，却发现只剩下自己一人对抗英法美俄的全面包围，失败在所难免。
从1914年一战的开始，大量的民用资源被消耗在战场，我的家庭就开始了忍饥挨饿。有一次我居然饿的从自行车上摔了下来，后来只有加入学校的军事训练营当预备兵才能吃饱饭。这些年的营养不良造成了我们这一代很多人没有长好身体。在军训营中，我被选为了一个小组Bund Deutscher Neupfadfinder的领导者，一起爬山，远足，玩古典音乐，讨论科学艺术，在残酷的战争年代享受少有的宁静。
Others, including myself, had been working two years earlier as farm hands on farms in the Bavarian Highlands. So the raw wind was no longer alien to us; and we were not afraid to form our own opinions on the most difficult problems.
--Heisenberg, recollection
一战之后，面对凡尔赛和约的巨额赔款，德国经济陷入全面崩溃，我们进入了食不果腹的时代。笼罩在战争失败的阴影下，慕尼黑的街头天天上演着几个派别的血腥搏杀，国家一片混乱，弱肉强食。我在二十岁之前就切切实实地感受到了政治的虚伪和残忍，也许只有在自然科学才能找到那份真实。成王败寇的残酷让我感觉到只有让自己变得更出色，更强大才能更好地活下来，
It is probably not right of me, but I simply prefer to be among my young friends.
--Heisenberg in 1919
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| 海森堡（右）和埃尔文.海森堡（左）送父亲奥古斯都.海森堡（中）去第一次世界大战的战场（1914） |