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爱因斯坦死对头:一直钟情于数学,却一举改变了整个物理世界|物理|数学|爱因斯坦

2021-09-07  珠江红棉

  来源:超级数学建模

  一不小心

  改变物理世界

  之前小编写了一篇关于科学家颜值的文章(传送门),很多模友提出:“怎么能把我帅气海森堡给遗忘了!”

  难道我海森堡不要面子吗?

  作为量子力学的最早建立人,怎么能没姓名!于是超模君我决定单独为海森堡写一篇!

      沉迷数学 无法自拔    

  1901年,海森堡出生于德国乌兹伯格市的一个书香世家,他父亲是慕尼黑大学的一名精通希腊语的古文史教授,他外祖父曾任马克希米廉斯中学(慕尼黑的名校)的校长,海森堡母亲也具有良好的古语文学修养。

  左→右:海森堡大哥,父亲,海森堡

  5岁那年,海森堡就进入到乌兹伯格市的小学就读,学习成绩非常好,除了本身的天赋以外,他父亲也有很大一部分功劳。

  由于父亲是位老师,在他眼里,容不得自己的孩子学习成绩比别人差,所以,父亲一直严格要求他们两兄弟,并经常拿他们两个来比较,互相竞争,这样,海森堡与他哥哥的成绩就一直名列前茅,而后来他哥哥也成为了一名化学家。

  1911年,海森堡来到外祖父曾任校长的学校——马克希米廉斯中学,在这里,海森堡显现出了极强的数理方面的天赋,学校的课程对他来说似乎毫无难度。

  于是,他便有了很多时间去学习钢琴,后来,他会经常演奏大师们的名曲,妥妥的一名业余的优秀演奏家。

  海森堡对音乐的解释是:音乐如同语言,极具个性化;而物理研究也如同作曲,古典物理犹如巴赫的交响曲。

  当然,海森堡更多的时间是去自学更高级的数学和物理了。

  13岁时,海森堡就学会了微积分运算,也研究过椭圆函数和数论,被数学中的严谨、理性深深吸引,沉迷其中。

  16岁的时候,海森堡去辅导过一个考化学博士的女大学生的数学,辅导完之后,他还开心地对别人说:“我不知道她懂了没有,可我自己却学懂了。”

  后来,海森堡的自然科学老师一直在课堂上介绍汽车,飞机,电话等的发明,终于将沉迷于数学的海森堡稍微拉出来一点,终于开始研究物理,甚至还开始自学爱因斯坦的相对论。

  在同学和老师眼中,海森堡无疑是一位自信、帅气的优等生。

  在1920年的毕业考试中也取得优异的成绩,还因此获得了著名的马克西米良基金会的奖学金。而老师们是这样评价海森堡的:“他能看到事物的本质,而不仅仅拘泥于表象和细节。”“他在数学物理领域的独立工作,远远超出了学校的要求。”

  大学入学考试之后,海森堡与朋友们一起去法国徒步旅行,结果却得了一场重病,不得不卧床休养。。。

  不过,在这段无聊的修养时间里,海森堡看到了著名数学家赫·韦尔的一本著作《空间、时间与物质》,这本书学术水平非常高,一般学生都是看不懂的,而海森堡不仅把它看懂看透彻了,还被韦尔深刻而抽象的数学表达和哲学思想深深迷住了(又被数学迷住了),于是便下定决心到慕尼黑大学专攻纯数学!

  阴差阳错,专攻物理

  1920年秋,海森堡终于正式进入到慕尼黑大学,本来,按照海森堡的本意,肯定是要进入数学系的,然而。。。

  海森堡父亲当时正在慕尼黑大学教中古与近现代希腊语,知道儿子想要学数学,于是便让海森堡去拜会数学系著名的林德曼教授。不过,此时的林德曼已经年事已高,不太喜欢有人来打扰,而且那天海森堡去见他时,正值他身体不太舒服的时候。

  于是,在得知海森堡想要进入到自己的研讨班时,林德曼便不耐烦地问:“你最近读些什么书啊?”

  海森堡很得意地回答:“前段时间刚读完韦尔的《空间、时间与物质》。”

  心想:

  结果,林德曼却认为海森堡的兴趣不是纯数学,决断地拒绝:“那你就根本不能学数学了!”

  海森堡此时

  最后,海森堡就只能跟着索末菲去研究物理了。(就是那位培养出N多诺贝尔物理学奖获得者,而本人却没得过的物理学家)。

  当时,索末菲手下就有两个非常著名的学生,一个叫沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli),一个叫彼得·德拜(Peter Debye)。

  泡利(传送门)跟海森堡一见如故,像找到知音一样,便经常跟这位小师弟大谈物理学。海森堡与泡利交谈时,经常会有“听君一席话,胜读十年书”之感,就这样,两个人很快成为了好朋友。

  有趣的是,海森堡不知是受泡利的影响还是自己本身就不喜欢物理实验,对平常的物理实验课总是敷衍了事,可以说是对实验仪器方面从来没精通过,在这方面,他和泡利真是“天生一对”。。。

  有了索末菲的引导加上这些牛逼的同学们,海森堡很快就了解到当时物理界的最前沿信息,凭着他出色的理论物理方面的才华,刚入学就开始着手研究量子论的相关问题,一年后便发表了第一篇论文——对反常塞曼效应的初步量子论分析。

  索末菲非常欣赏海森堡的才华,但是看着海森堡平常只学习他自己感兴趣的课程(尤其是量子物理),缺乏对系统知识的了解,于是便决定加强海森堡的基础训练,让海森堡研究水流中的涡漩问题(流体力学中最困难的问题),并将此作为他的博士论文题目。

  关乎到自己的博士毕业,海森堡只好从量子物理中抽身出来,千赶万赶,终于完成了博士论文,并且还得到了导师索末菲的强烈赞扬。

  索末菲曾写信给海森堡的父亲称赞道:“你的家庭出了一位物理学与数学奇才”

  本来以为轻轻松松拿个“A”就可以毕业的,半路却杀出个威廉·维恩(负责海森堡的实验课)。

  海森堡的物理实验能力实在是不忍直视,因此,在答辩的时候,对于维恩平常都讲到烂的问题,海森堡都不会回答,这让维恩十分气愤,坚决判定海森堡答辩不及格!

  最终,海森堡仅仅得了个及格(来自索末菲最高分和维恩最低分的平均),勉强毕业。

  好在,哥廷根大学物理教授波恩(Max Born)并没有在意海森堡的分数,他看中的是海森堡的实际水平,于是便让海森堡过来当他的助手。

  其实,在1922年,索末菲带着海森堡去参加了“格丁根玻尔节”,从而见到了波尔大神(Niels Henrik David Bohr),而且,波尔也对海森堡这位年轻小伙照顾有加,并且也想要海森堡当他的研究助手。(哥本哈根大学玻尔研究所)

  所以,在1923年至1927年,海森堡来往于格丁根和哥本哈根之间,不断汲取两地的学术营养,这时是海森堡学术生涯的第一个巅峰期。1925年,海森堡的论文《论解释运动学和力学相互关系的量子理论》脱稿,确定了矩阵形式的量子理论,奠定了量子力学的基石。1927年,他又发现了不确定关系。

  海森堡对量子力学及其应用上的重大贡献,使得他荣获了1932年诺贝尔物理学奖,成为继爱因斯坦和波尔之后的世界级的伟大科学家。

 海森堡与妻子

  不过,尽管海森堡提出的不确定原理被认为是物理学的一个基本定律,这却得不到爱因斯坦的认同。

  早在1926年,海森堡去到柏林做一个量子力学的报告时,就与爱因斯坦进行了初次的会面,海森堡还去到爱因斯坦的房间里进行私聊,然而,过程并不愉快,爱因斯坦无法认同海森堡对量子力学的诠释。

  在1927年的索尔维会议期间(在海森堡提出了不确定原理之后),爱因斯坦完全不认同这个不确定原理,几乎每天早上都会想出一个反例来否定它。

  不过,一到晚上,海森堡、玻尔和泡利就会证明这个反例实际上与不确定原理并不矛盾。。。

  爱因斯坦可是海森堡心中最为尊敬的大神,海森堡表示非常想要得到爱因斯坦的认可。于是,在未来的几十年间,海森堡先后N次拜访、会面爱因斯坦,直到1955年,爱因斯坦去世,依旧无法改变他对不确定关系的立场。

  还是那句话:

  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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