海森堡與中國物理學界_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-08-29 17:12
德國物理學家海森堡（1901－1976）是20世紀最偉大的物理學家之一。他於20世紀20年代創立量子力學的矩陣形式，提出了測不準原理，創建了關於原子核的中子－質子模型，獲得了1932年度的諾貝爾物理學獎，對20世紀物理學產生了廣泛而深遠的影響。在我國老一輩物理學家模糊的記憶中，他曾訪問過中國。然而，他何時來訪，中國物理學界如何接待他等諸多情況，迄今未有相關文章予以披露。本文廣徵文獻，向讀者作一介紹。不當之處，請讀者指正。
1 海森堡其人
1901年12月5日，海森堡生於德國巴伐利亞州小城維爾茨堡，他的父親奧古斯特·海森堡在慕尼黑大學擔任中古及現代希臘語言學終身教授。1910年，海森堡全家遷居巴伐利亞州首府慕尼黑市。1911年，海森堡進入久負盛名的慕尼黑馬科斯密連斯中學。
1920年10月海森堡考入慕尼黑大學學習物理，師從索末菲（Arnold Sommerfeld，1868－1951）教授。索末菲精通原子理論，引導海森堡進入了新興的量子論領域。1922年6月，索末菲帶領他到哥廷根大學，聆聽物理學大師玻爾（Niels Bohr，1885－1962）關於原子結構的演講會。年輕的海森堡給玻爾留下了深刻印象，兩人的友誼也從此開始。1922年10月至1923年5月，索末菲訪問美國期間，海森堡在哥廷根跟隨玻恩（Max Born，1882－1970）學習。
索末菲為海森堡選定的博士學位研究課題是一個經典難題——湍流，1923年海森堡完成了他的博士學位論文《關於流體流動的穩定性和湍流》，繼而獲得在哥廷根大學的授課資格，並擔任玻恩的助手。1924年6月，他在哥廷根第一次見到了來訪的愛因斯坦，兩人在校園內散步並討論了海森堡的最新工作。1925年7月，海森堡發表了《關於運動學和力學關係式的量子理論新解釋》的論文，奠定了矩陣力學的基礎，此後這方面的工作為他贏得了諸多榮譽。1926年5月，他在哥本哈根大學任理論物理學講師，與玻爾一起工作。1927年3月，海森堡發表了關於測不準原理的論文。1928年2月，海森堡任萊比錫大學理論物理學教授。1933年12月11日，海森堡因創立量子力學，並導致發現氫的同素異形體而被授予1932年度的諾貝爾物理學獎。
1937年，海森堡同伊麗莎白·舒馬赫相識並結婚，這個家庭共孕育了7個孩子。1942年，他任柏林威廉皇帝物理學研究所的所長，1948年，該研究所改名為馬克斯·普朗克物理研究所。1951年任德國研究協會主席，1953年任亞歷山大·封·洪堡基金會主席。1970年辭去馬克斯·普朗克物理研究所的所長職位。1975年辭去亞歷山大·封·洪堡基金會的主席職位。1976年2月1日，因患癌症在慕尼黑家中逝世。
二次大戰之初，海森堡與納粹政權保持距離。但在1939年9月世界大戰爆發後，海森堡成為納粹政權下“鈾研究計劃”的領導成員之一。人們不能不想到，倘若希特勒政權掌握了原子彈，世界將成何景況？而海森堡在戰後自辯道：其研究只在於尋找一種新能源，並未着手在原子彈技術方面多做研究。其是非得失，迄今仍是物理學史謎團之一。
2 海森堡訪華
在布勞恩（Laurie Brown）和雷肯堡（Helmut Rechenberg）合著的《保羅·狄拉克和沃爾納·海森堡——對科學夥伴》一書中介紹了海森堡1929年出國講學的過程。1928年2月13日，海森堡致信狄拉克（Paul Dirac，1902－1984）：”我很有可能1929年4月到9月期間去芝加哥……或許我們可以經由日本到印度或者中國而後返回歐洲。當然，你肯定會這麼做的，這正是你最喜歡的”。
1929年春季，海森堡和狄拉克這兩個好夥伴進行了各自首次赴美國的旅行。海森堡在芝加哥大學講授量子力學，狄拉克在麥迪遜的威斯康星大學作了一個學期的訪問學者。他們在麥迪遜會面並且一致同意經由太平洋回到歐洲。海森堡負責訂船票，狄拉克則同日本物理學家仁科芳雄（ Yoshio Nishina，1890－1951）取得聯繫，商定好在日本的行程和離開日本後的計劃。海森堡和狄拉克按計劃從舊金山出發，1929年8月20日到了美國夏威夷州首府檀香山，8月30日到達日本橫濱。兩人自9月2日至7日在東京作了8次演講，9月8日到達日光逗留度假，最後又在京都帝國大學作了演講。離開日本之後，他們分別旅行，海森堡選擇了經過中國上海、香港、新加坡和印度的南部路線，而狄拉克坐船至前蘇聯的符拉迪沃斯託克（海參崴），然後坐火車穿越西伯利亞。
選擇了南部路線的海森堡在離開日本之後乘船來到了中國上海。有關海森堡的上海之行，《中國科技史料》1982年3期有一文曾述及與本文相關的話題。該文據我國著名學者周培源（1902－1993）生前信件指出：海森堡在上海時，曾給周培源寫了信，請周培源的一位表弟轉交，周培源回國後才瞭解此事。周培源回國到上海後，胡剛復曾告訴他：海森堡來到上海後，曾到中央研究院物理研究所參觀。但該文對海森堡中國之行未作具體敍述。筆者查閲了當時的一些報紙，可惜的是鮮見相關報道。究其原因，可能有二，一則海森堡當時尚未成名且在上海停留時間短暫；二則當時中央研究院物理所剛成立不久，缺乏與國際學者交往的經驗。物理研究所初為中央研究院理化實業研究所之物理組。1928年7月改組為中央研究院物理研究所。1929至1930年該所的主要事項是購買儀器和書刊並完成該所在上海的建設，初期的研究工作定為無線電信研究和重力測驗。當時常在所裏的是三位專任研究員：丁燮林（物理研究所首任所長）、楊肇燫、胡剛復。他們於20世紀初，分別留學英國和美國，海森堡訪華前與他們都未有過任何聯繫，也不相識。
周培源在其留學期間（1924－1928）曾經受教於海森堡。1929年3月海森堡啓程去美國芝加哥大學講學，行前周培源建議他從美國返回德國途中經過上海時到我國訪問。在海森堡誕辰100週年時，周培源曾撰文緬懷海森堡。在這篇題為《沃納·海森堡身邊的愉快記憶》的文章中，周培源提到：”在海森堡到芝加哥義務講學之後，接到了去日本訪問的盛情邀請。而後在他返回德國的路上，還乘船到過上海。我很榮幸，將他的來訪先行告知了中國物理學家。繼1922年愛因斯坦到上海訪問之後，海森堡是第二位在中國登陸的偉大的科學家”。
在《科學》第14卷3期（1929年11月出版）上載有一則社聞“招待德國物理學家海深堡記略”，該文記錄了海森堡的上海之行：“德國勒不格大學海深堡博士，年僅二十八歲，系著名物理學家。海氏專攻波動力學及新量子論，曾講學於美、日、印度，當其歸途，取道我國，已由中央研究院及本社共同招待，現研究院已聘其為名譽物理研究員雲”。
有關這次上海之行，在海森堡1929年9月25日寫給其父母的家信中有所描述：“在上海我受到了物理界人士的歡迎，研究院迎接了我。我在這個城市參觀並且受到晚宴邀請。那是真正的中國菜，真的很有意思。很特別的是吃中國菜要用筷子代替刀叉，使起來有點費力。上海這個城市其實不是那麼吸引人，這個典型的中國人的社區與我先前所瞭解到的完全不一樣。擁擠的人羣，做買賣的，乞丐和禱告的，大家都較混亂。病人和健康人，老人和年輕人，人們相互之間很陌生”。此信中還述及海森堡到香港時曾在德國駐港大使館逗留。海森堡1929年12月致狄拉克的信中又説：“我從上海到香港的旅行，十分愉快有趣 ”。
從海森堡寫給父母的家信推斷，他到上海的行程應該是在1929年9月11日之後，25日之前。海森堡的家信顯示他11日還在日本京都，而25日則已經在日本船隻北野丸上航行並回憶中國之行了。海森堡在中國上海停留時間估計不會超過3天，也未見有關其在上海或中央研究院物理所作學術報告或演講等報道。海森堡來華，是其環球旅行之一部分，也可能與周培源的建議有關。
海森堡來華，或許給中國物理學界帶來驚喜。中央研究院物理所在海森堡離華後不久，即決定聘請其為名譽研究員。
在《國立中央研究院院務月報》第一卷第三期（1929年）二十八頁”本院要聞：職員之進退訊”中記載了物理研究所新聘名譽研究員及特約研究員的情況：“該所（國立中央研究院物理所）於本年9月27日所務會議議決聘請德國萊勃茲大學理論物理院教授海森堡博士為該所名譽研究員，當經徵得本人同意，並由院長髮送聘書。查海森堡博士青年碩學，世界知名為新波動力學創始人之一，今能與本院物理研究所聯絡，實堪欣幸”。
中央研究院物理所1930年2月起正式聘請海森堡為名譽研究員，1929年至1934年該院的文件中一直載有相關紀錄。《國立中央研究院物理研究所十八年度報告》載有“國立中央研究院本年度人員統計表”，該表顯示物理研究所有名譽研究員一人；該年度報告中的“本院十八年度大事志”中記錄到：“十九年二月份：十九日，聘海森堡維納為物理研究所名譽研究員”。《國立中央研究院物理研究所十九年度報告》記載物理研究所有名譽研究員一人：“名譽研究員一人為德國萊勃慈大學教授海森堡博士（Prof. Dr. WienerHeisenberg）”。直到 1934年在該院的《二十三年總報告》中仍然載有“名譽研究員為德國萊勃茲大學理論物理學教授海森堡維納”。
在中國物理學史上，自西學東漸以來，中國學堂多聘請外國教師以充西學教席，外國人所辦的教會學校更是如此。20世紀前30年，多數高等院校也聘有少量外籍西學教師，但他們都是實際在校任教者，或今日所言的在崗教師，而僅授其榮譽或聘其為名譽教授（研究員）者，海森堡當是中國近代物理史上之第一人。
筆者所找到的有關海森堡上海之行的材料僅限於此，無法準確推測出海森堡中國之行的具體時日。筆者曾與德國相關方面聯絡以求找到更多海森堡的書信，並企圖發現其上海之行更具體的線索。遺憾的是，據悉相關材料已於二戰期間被毀。
3 海森堡理論在中國的傳播
1925年海森堡提出量子力學的新理論。在海森堡本人來華的前一年，相關學術訊息已見諸中國報端。張崧年於1928年發表《現代物理科學的趨向》，文中提到當時有兩種新學説拋棄了玻爾原子唯一的直覺性，其中一種為海森堡（該文譯為: 海森巴格）所主張的“純粹的不相續”説。對於舊理論所描述的原子結構，這個理論認為：“這種軌道只於人觀察之時，始發生”。同年，蕭桐翻譯了玻恩與M. Boll合寫的《德國近十餘年物理學之進步》一文，其中“能子力學及波動力學”一節寫道：“一九二六年時德人海森堡（Heisenberg）發表一論文，此論文篇幅並不多，而其所生之影響則甚大，物理學中久懸為未解之問題，因此而得大放光明，能子力學因此而得迅速發展。該能子力學，將原子與波動兩大學説貫通一氣清晰正確不減於拉個郎（Lagrange）之普通力學也，近年物理學家應用此種能子力學已得到許多驚人的結果”。
在海森堡訪華後，有關他的物理學成就和榮譽等事一直為中國學者所關注，報刊中屢見相關文字。1930年金詠深翻譯了密立根（R. A. Milikan,1868-1953）的《二十世紀物理學的進步》，該文作者認為海森堡所倡的新力學具有革命性，並且使人們驚奇的發現，對於微觀觀察，經典力學之根本基礎是不牢實的。同年，劉朝陽寫了《波浪力學》一文，文章首先介紹了舊量子力學的困難，對比了海森堡（該文譯為: 海森勃）的量子力學與德布羅意（L. V. Broglie，1892-1989）及薛定諤（E. Schrödinger，1887-1961）的波動力學這兩種新理論，而後詳細論述了波動力學。
1931年，嚴濟慈與葉藴理合譯了德布羅意的文章《在當代物理學中的確定律與因果律》，該文介紹了當時人們對物理學中自然現象的確定律產生疑問，闡述了海森堡（該文譯為: 歐生白）的不確定原理，譯註中給出了不確定關係式。1933年，劉朝陽寫了《方陣力學》一文，較為系統地介紹了海森堡所創立的矩陣力學理論的出發點、性質、量子條件、攝動論等內容。較之當時國內所發表的相關文章而言，這篇文章對矩陣力學的介紹深刻、嚴謹，既有一般引論，又有數學推導，其時發表，極為可貴。
1934年，姚國珣翻譯了拉登堡（Rudolf Ladenburg，1882-1952）與維格納（ Eugene Wigner，1902-1995）所寫的《諾貝爾物理學獎金之贈授》，介紹了海森堡獲得諾貝爾物理學獎的情況。同年，成希顒翻譯了A. Hass寫的《原子世界第十講》，這是該系列文章的第10 篇，文章副標題為:原子的波動力學，其中有一節題為：“哈才堡的學説”（Heisenberg’s Theory），介紹了海森堡的理論，並指出量子力學的意義。
1935年，華國楨翻譯了亨特（Arthur Haut）寫的《原子物理學的進展》，提到海森堡（該文譯為: 海森保克）在研究原子構造的問題時拋棄了舊力學所描述的原子中電子的理論位置。同年，筱竹以《三十歲以內的科學家》為題，介紹海森堡的神童奇蹟：“21 歲，在國際間已聲名洋溢，蓋於原子構造有特殊貢獻也；24 歲，改進量子力學，為應用數學以説明電子所以繞原子核轉動之第一人；30 歲，得諾貝爾獎金”。同年，王恆守寫了《近二十年來原子物理學之演進》。該文第二、三節專門講述量子力學的進展，作者把當時的量子力學分為四 個 派 別: Schrödinger 派（用二次波方程） 、Heisenberg派（用矩陣學）、Dirac 派（ 用矩陣代數及相對論）、Weyl 派（用羣論），並認為這四派雖然運算程式完全不同，但彼此相互為用，各有建樹。
1939年王普寫了《再記德國之物理學家》，記述海森堡的生平貢獻。1941年蔣允功發表了《量子力學與自然辯證法》。1947年戴運軌和劉朝陽發表專文《最近三十年之物理學》。同年陳嶽生寫了《原子能發展年表》。這些文獻都涉及海森堡的學術成就和貢獻。
筆者查閲的只是1950年之前的部分科學刊物，海森堡的學術成就及其學術思想在中國的傳播情況，從中可見一斑。不僅海森堡的生平、榮譽和學術成就在中國屢見報端，有三位中國早期物理學者也曾隨海森堡學習，他們是周培源、王守競、王福山。
北京大學校長、中國科學院院士周培源是和海森堡接觸的第一個中國人。1928年10月已經獲得博士學位的周培源來到萊比錫大學，向海森堡請教量子力學的相關問題，並在他指導下工作了五個月。周培源敬佩這位年輕教授在物理學方面的才華，海森堡也非常認可週培源的學識，兩人年齡相仿且同樣非常喜歡打乒乓球，相處十分融洽。在赴美講學前的最後一次乒乓球賽聯歡茶話會上，海森堡讚揚了中國文化以及周培源温文爾雅的風度。1974年夏天，周培源率領中國科學院代表團訪問西德，與海森堡在慕尼黑相見。久別重逢的兩人談了彼此都非常感興趣的學術問題: 流體力學中的湍流理論。在周培源的記憶中海森堡是令人尊敬的老師和可愛的朋友。
王守競不僅是中國重型機械事業的開拓者，而且是中國第一位研究量子力學並卓有成就的學者。據周培源説，1929年海森堡到芝加哥大學作訪問教授時，王守競在其指導下做過量子電動力學的計算。王守競的物理功底以及他在量子力學方面所做過的工作給海森堡留有深刻印象。
王福山曾先後任同濟大學、復旦大學物理系主任，他也是海森堡培養過的唯一的一位中國博士研究生。1933年4月王福山到了萊比錫，接受海森堡的指導，進行學術研究。王福山在萊比錫期間，見證了海森堡獲得諾貝爾獎、娶妻生子等事情。儘管王福山身患肺病，其學業進展受到影響，但海森堡對他還是很照顧的。1940年王福山的博士論文《關於能量很高的質子和中子的軔致介子輻射》發表在德國著名的《物理雜誌》上。同年王福山回國。回國後的王福山曾與海森堡多次通信並給海森堡寄過食品，而海森堡也將其所發表的幾篇論文寄給王福山。在王福山的記憶中，海森堡講課思路清楚、容易筆記、印象深刻，其科學態度十分嚴謹且非常尊重別人的工作。
本文經授權轉載自微信公眾號“中國物理學會”，原發表在《物理》2010年第2期，有所刪減，並省去了參考文獻部分。設計：大萌；美編：農民；責編：理趣