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杨鸿智-后现代理论医学博客

《后现代医学》、《正反馈医学》、《自体原位器官重构技术》

 
 
 

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这是一个宣传后现代理论医学的博客.后现代理论医学是以系统理论为指导的新医学.该理论认为,在生命组织中干细胞是决定机体功能状态最基本的因素.通过调节机体内环境和为干细胞提供再生所需要的物质和能量,就可以使干细胞在患者体内原位再生,实现器官重构,使器质性病变得到治疗.现在,已经在北京医药信息学会内成立了后现代理论医学专业委员会,杨鸿智是主任委员.

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(5)量子力学之父海森堡的大学生涯  

2013-05-20 16:29:44|  分类: 干细胞病 |  标签: |举报 |字号 订阅

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5)量子力学之父海森堡的大学生涯

2007-10-23 11:01:38

http://bbs.tiexue.net/post2_2329867_1.html

 

海森堡:他令导师自愧不如

 

维尔纳?卡尔?海森堡的大名在全世界物理学家中是极其响亮的,他31岁就获得了诺贝尔奖。当他入读慕尼黑大学第三年,还不足22岁时,就以非常出色的论文获博士学位。他的导师,世界级著名物理学家、物理学慕尼黑学派领袖索末菲对他赞不绝口:“这几年来,眼看海森堡轻易地完成他的学业研究,真令人产生‘智者不难’的感觉。在理论造诣上,我们都自愧不如。”一个名导师如此评价自己的学生,是非常罕见的。海森堡有哪些过人之处呢?

 

走近物理学的殿堂

 

海森堡1901年底生于德国的维尔茨堡。他的父亲是一位精通希腊语的古文史教授,母亲是一位中学校长的女儿,也具有古语文学修养。海森堡排行老二。

 

海森堡读小学时成绩就很好,学习毫不吃力,中学时成绩总是名列前茅。学校的功课对他来说非常容易,这样他就有时间去学习弹钢琴,去自学更高级的数学和物理课程。他的数学成绩尤为优秀,13岁就学会了微积分运算,也研究过椭圆函数和数论;同时他还会用钢琴演奏大师们的名曲,是一名业余的优秀演奏家。16岁时,他去辅导过一个考化学博士的女大学生的数学,过后他曾开心地对别人说:“我不知道她懂了没有,可我自己却学懂了。”他被公认为是一个优秀的、有志气的、充满自信心的青年。

 

1920年,海森堡以优异的成绩通过了他的中学毕业考试,还因此获得了有声望的马克西米良基金会的奖学金。大学入学考试后,他和一些朋友一起去法国徒步旅行,结果得了一场重病,不得不卧床休养了好几个星期。这期间,他读到著名数学家赫?韦尔的一本著作《空间、时间与物质》,很受吸引。该书力图为爱因斯坦的相对论提供一种清晰的数学描述,并以此表明宇宙(时空)的和谐结构。这本书学术水平很高,同年龄的青年几乎都看不懂,而海森堡不但看懂了,还被韦尔深刻而抽象的数学表达和哲学思想深深迷住了,他既激动又困惑,下决心一定要到慕尼黑大学专攻纯数学。

 

海森堡于19201921年的冬季学期进入慕尼黑大学,他按自己的最初打算准备攻读数学。那时他父亲正在慕尼黑大学教中古与近现代希腊语,便利用与同事相识之机叫他去拜会数学系的林德曼教授。林德曼是一位很有水平的数学教授,但年事已高,留着花白的胡子,喜欢平静,不高兴别人打扰。海森堡去见他时,他正不大舒服,精神也不好。听了海森堡陈述自己的希望后,便不耐烦地问: “你最近读些什么书?”

 

 “读过韦尔的《空间、时间与物质》。”

 

海森堡颇为得意地回答,因为这本书是著名数学家韦尔写的关于爱因斯坦相对论的书,一般学生都看不懂,更何况他是个中学生?他以为林德曼听了一定会大吃一惊,并高兴地立即拍板收留他,结果令海森堡大失所望。林德曼认为海森堡的兴趣不是纯数学,便决断地说:“那你就根本不能学数学了!”

 

海森堡就这样被林德曼打发走了,是何原因他当时还莫名其妙。  在人生道路和学术道路上有不少三岔路口,某个随机因素被放大,就会起到改变未来的作用。海森堡走向数学的路不通,他便决定在理论物理方面试一试自己的才能。

 

回到家里,海森堡只好对父亲说:“我也能读理论物理,能安排我拜见索末菲教授吗?”

 

索末菲是慕尼黑大学物理系主任,是位长于理论物理的世界级大师,比林德曼名声大得多,父亲自然高兴并佩服儿子的眼光。

 

在一间宽敞明亮的书房里,索末菲接见了海森堡。索末菲那时刚五十出头,正是年富力强时期。他身材矮胖,长着一副向上翘的八字胡,外表严肃,酷似一位军人,可是一开口说话就显得十分和蔼可亲。他真诚地关心好学上进的青年人。在简短的对话之后,索末菲就发现海森堡在理论物理方面的敏捷思维和才华。当他发现海森堡未入大学就读懂了《空间、时间与物质》这本关于爱因斯坦相对论的名著时,便痛快地表示愿意接受海森堡为他的学生。同时,索末菲又告诫海森堡说:“一个人要敢于立大志,但做学问不能从最难的地方开始,而应从基本物理学领域开始。先做一些要求不高的、细致的工作。你在中学做过一些什么实验?”

 

“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。”海森堡坦诚地回答。

 

索末菲循循善诱地指出:一个年轻人即使想专攻理论物理,也应该以最大的耐心做一些看起来不那么重要的小题目。一些大题目,如爱因斯坦的相对论,也有许多小题目要解决。这些小题目不解决,大题目就完成不了。

 

海森堡听得不大顺心,便加了一句:“可是,我对大问题后面的哲学问题更感兴趣,对小问题不大有兴趣。”

 

索末菲虽然觉得海森堡这个毛孩子未免有些狂妄,但向来对年轻人很善意的他还是耐心地对海森堡讲搞学问要从基础、从小问题开始的道理。他又说: “你就一面听课,一面参加研讨班吧!你有没有能力,有多少能力,通过研讨班,我们很快就看得出来。”

 

这是海森堡第一次同一位理论物理学家的认真谈话,这次谈话对海森堡的发展方向有着极其深远的影响。他就这样没有走进数学领域,而被一位大师引入了物理学殿堂。幸亏林德曼不愿收留他,不然物理学史就要重写,他也未必能在数学领域做出如此辉煌的贡献。

 

索末菲的研讨班是非同寻常的,它由索末菲的一批最有才华、最有生气的学生组成。学生们经常在一起研究物理学的最新文献,讨论由文献提出的新问题。由于经常接触物理学的前沿问题,研讨班培养了许多物理学的人才。海森堡在研讨班里崭露头角,他的敏捷思维和才华,他的勤奋好学和孜孜不倦的探索精神,使他成为佼佼者。在研讨班里,有一个后来也获诺贝尔物理奖的青年学生泡利,与他成为最好的朋友。泡利是研讨班里最有才能的人,他能够对最新和最困难的理论成果加以透彻理解;他也具有较高的评判能力,常常能一针见血地指出问题的症结所在,是研讨班里最出色、最敏锐的批评家。大伙儿在讨论、批评和争论中不断深入理论物理学的“深奥王国”,海森堡觉得研讨班充满活力,非常激动人心。

 

一天课后,海森堡向泡利请教当前物理学的发展趋势和如何学好物理的若干问题,泡利回答说:“当前的物理,已不能用我们日常生活中熟悉的概念来描述,必须用抽象的数学语言才行。因此,今日物理对实验物理学家已经太难了。我们必须有现代的数学训练,否则无法研究物理学了。”海森堡听了之后,大受启发,颇有“听君一席话,胜读十年书”之感。他深深沉浸到用抽象数学语言表达的物理学王国之中。

 

在慕尼黑大学,海森堡听了索末菲讲授的所有理论物理学课程,选修了天文学、数学及一些特殊课程。不知是因为要从事抽象的理论物理学研究就难以同时进行物理实验,还是海森堡从来就不喜欢物理实验,或者是受了泡利看法的影响,海森堡对实验物理课和实验室操作一直兴趣不大。虽然他在中学时代曾制造过小火车、电动机和电感线圈之类的东西,也曾制造过近1米长的“兵舰”,并装有电触发的“大炮”,但总的来说,在仪器方面他从未真正精通过。现在他全然不喜欢实验,对上实验课敷衍了事,在这方面他与泡利可算是真正的“一对儿”。有一天,泡利和海森堡一起做实验,测定音叉的震动频率。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,我们还没动手做实验呢。”

 

海森堡也慌了:“这如何是好?”

 

还是泡利机灵,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。”

 

海森堡大为高兴。这堂实验课,就这样混过了关。

 

并不是所有的大学教授都欣赏海森堡重理论轻实验的态度的,慕尼黑大学的实验物理大师维恩是1911年诺贝尔物理奖获得者,他对海森堡等人不认真做实验的态度很生气,难免对海森堡等几位高才生抱着不信任的态度。

 

不管怎样,海森堡在理论物理学方面的才华,在慕尼黑大学的环境里得到了充分的发挥。在大学的第一学期,海森堡就开始对物理学前沿问题进行研究。在索末菲的指引下,他提出了对反常塞曼效应的初步量子论分析,一年后作为他的第一篇论文发表,这使索末菲大为高兴。接着,索末菲针对海森堡只喜欢学习他想要学习的课程(尤其是原子物理的理论问题),缺乏系统知识的缺点,要海森堡加强基础训练,定了水流中的涡漩问题作他的博士论文题目,要海森堡着力加以研究。涡漩问题是流体力学中最困难的问题。海森堡凭他扎实的数理功底和高超的研究解决问题的技巧,不负导师所望,在第二学年即发表了他的第二篇论文《论尔曼湍流》。对湍流的进一步研究,使他在第三学年就完成了他那非常出色的、令索末菲选不绝口的博士论文。索末菲和泡利等人对论文的评价是,海森堡完全掌握了数学工具,具有大胆新颖的物理思想。海森堡继续与泡利研讨、争论,并开始对牛顿经典物理学的一些理论提出质疑,一些新的重大发现在逐渐孕育、萌芽、成长起来。

 

初生牛犊不怕虎

 

19226月,索末菲带着他的得意门生海森堡到格丁根去,物理学大师玻尔将在那儿作一系列有关最子论和原子结构的讲座,这是物理学史上有名的“格丁根玻尔节”(1922612日—22日)。格丁根是一座美丽的花园城市,一栋栋红瓦屋顶的小楼房被一片起伏平缓的丘陵所环绕。山坡上布满果园与别墅,到处有鲜艳的玫瑰、葱绿的灌木。这一切给海森堡留下了美好的印象。海森堡在那儿遇到了德国乃至欧洲原子物理学的主要人物,他简直高兴极了。

 

玻尔的第一次演讲使海森堡终身难忘。大厅里挤满了人,这位伟大的丹麦物理学家站在讲台上,轻轻点头,带着充满友谊的微笑,用轻微的丹麦口音温和而彬彬有礼地讲演着。海森堡坐在大厅的后面,竖着耳朵听,有一种耳目一新的感觉。他觉得玻尔思维敏捷深邃,讲演涉及了许多极为本质的东西,令他激动,着迷和神往,当然,他也觉察到了玻尔的见解并不完全源于精确的计算,其中含有很大的直觉成分。玻尔每次讲演之后都有长时间的讨论,在第三次讲演结束时,只有21岁的海森堡突然从后排站起来发言,对玻尔的某一个见解提出了不同的看法,引起了与会众人的惊讶。要知道,玻尔的理论是不容易找出漏洞的,在如此级别的会上,能够对玻尔的讲演发表看法的,绝非平庸之辈。的确,海森堡提的问题玻尔已经有所考虑,只是一时还无法说清楚,不料这个“破绽”一下就被海森堡抓住了,玻尔不得不暗自佩服这个年轻人。他知道若没有敏锐的观察力和坚定的信心,是不可能提出这样的问题的。玻尔不由得产生了要了解这个年轻人的强烈欲望,于是在会后,他邀请海森堡和他一起出去散步。

 

这次散步在海森堡的科学生涯中具有极其深远的影响。海森堡在以后的回忆录中充满感情地写道:“这一次我与玻尔在海因山覆盖森林的高地上纵横溜达时的谈话,是我所能回忆的关于原子物理学的第一次深入的交谈;可以肯定,它同时决定性地确定了我的以后生涯。”玻尔在这次谈话中结合亲身体验,对原子物理学的发展形势作了很好的概括,并预示了理论的光明前景。海森堡深受鼓舞,开始把他个人的学术前景与原子物理学和量子理论紧紧联系在一起。他以后常常对人说:“我在科学上的成长,是从这次散步开始的。”

 

同样地,在“格丁根玻尔节”期间,格丁根大学物理研究所权威玻恩也注意到了海森堡这位青年学者。他想起他曾去慕尼大学讲学的一次经历。有一次,玻恩在慕尼黑大学讲学,课手,海森堡向他递了一张纸条,并谦虚地说:“这是我对先生研究的学理的一点心得。”玻恩当时没把这个“毛孩子”放在眼里,只是默默地把纸片折起来装进口袋里,连道谢的话也没说一句。当玻恩回到格丁根之后,有一天无意中掏口袋,翻出了海森堡递给他的纸条。这一看,使他十分吃惊,没想到“毛孩子”竟能提出这么深刻的见解,他后悔不已。他后悔在慕尼黑时未能与海森堡当面切磋,因为海森堡向他提供的正是他研究不深入或忽略了的原理。他十分欣赏海森堡。1922年至1923年冬季,海森堡的导师应邀去美国威斯康星大学担任客座教授,乘此机会,玻恩立即邀请海森堡到格丁根去做他的研究助手。后来,他知道海森堡已荣获了博士学位,就正式要求海森堡去担任自己的助教。到格丁根不到3个月,海森堡便被破格提升为讲师,而按格丁根大学的规矩,助教至少要当满3年才具有晋升讲师的资格。

 

他何以获得成功

 

1923年夏季,海森堡在慕尼黑完成了他的博士论文。在论文中他成功地处理了湍流的起动问题,这是以往物理学家和数学家所未曾解决的。博士生导师索末菲认为他的理论文章写得好极了,只有海森堡才能写出这样的文章。

 

但是要通过博士论文还要考实验。索末菲在对海森堡布置博士论文题目时就提醒过他要重视实验,应立即去补维恩的中级实验课,但海森堡始终提不起对实验的兴趣。因此,在进行博士论文答辩时,维恩向海森堡提了几个常识问题,海森堡因平时从不注意这类简单问题,几乎都答不上来,差一点没通过考试。好在索末菲拼命帮忙,最终说服了维恩,让他高抬贵手,才给海森堡及格的分数。索末菲之所以要这么做,是因为他认为实验对物理是很重要的,学物理的学生不该轻视实验,学理论物理的学生也应了解基本的实验情况。对学生平时要求要严,考试时则要全面综合考查。海森堡数学特别优秀,擅长于理论物理,对实验缺乏兴趣虽然是个缺点,但不能因此而扼杀了他的理论天赋,所以打起分来还是应当宽容。何况格丁根学派首领玻恩大师非常欣赏他的才华,正等着要他去当助教呢。

 

一毕业,海森堡就到玻恩那里去工作了。玻恩看重的是海森堡的实际水平而不是分数。其后三年,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,他的科学生涯别开生面,学术上又大大地向前迈进了一步。1925729日,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,他又发现了测不准关系。为了表彰他对量子力学及其应用上的重大贡献,他荣获了1932年诺贝尔物理学奖。

 

海森堡何以成功?值得注意的有两点:其一是他融会贯通了三大学者的学术特长;其二是他不迷信权威,注重独立思考。

 

海森堡曾在回忆录中说过:“我在索末菲那里学到了乐观精神,在格丁根学到了数学,在玻尔那里学到了物理学。”这句话深刻而生动地集中反映了三位学者的不同特征。

 

在理论物理学界,索末菲、玻恩、玻尔三大学派对量子物理学问题的解决方法是很不一样的。索末菲更多的关心的是量子理论的实际运用,他像一个“量子工程师”。玻恩热衷于在物理学问题上采用新的数学方法和技巧,他像一个“量子数学家”。玻尔在物理学方面具有着精细入微的直觉和非凡的内在观察力,但在数学方法的运用上,他就要比同行们逊色得多。玻尔自己承认:他对物理学的兴趣与其说是数学家的兴趣,不如说是手艺人和哲学家的兴趣。他是一个“量子哲学家”。海森堡兼容并蓄了这三大学者的长处,具有人才学意义上的“杂交优势”。玻恩邀请海森堡去格丁根做他的研究助手,这就相当于玻恩与索末菲两位教授联合培养博士。哥本哈根——格丁根——慕尼黑三个学派之间频繁的带有国际性的学术交流,使海森堡在穿梭于这三个不同风格的“科学共同体”之间的过程中成长起来。他是“量子工程师”索末菲、“量子数学家”玻恩和“量子哲学家”玻尔三人共同的得意门生,这几乎是科学思想史上绝无仅有的现象。如果没有这一段特殊经历,那么海森堡在量子革命中也就难以担当这么重要的角色了。

 

海森堡不迷信权威,注重独立思考,这与他父亲的言传身教分不开。他父亲是慕尼黑大学的教授,他的正直,在他的生活和工作圈子里心人皆知。在20世纪20年代的反犹浪潮期间,海森堡家楼上一个叫勒维的犹太人曾把一个装有贵重物品的包裹交给他父亲保管,他父亲叫勒维开一个清单,勒维却说:“没有这个必要,我们完全信任你。”反犹浪潮平息后,勒维取回了这个包裹,他们一家利用它逃到了国外。他父亲凭借自己对事物的观察和独立思考,对希特勒的反犹排犹持一种反对态度。这种人生观和价值观给海森堡兄弟树立了榜样。父亲的家训是:“无论什么事情,都要自己看过才能相信!”“千万不要盲目!要保证内心的自由,不要受流行见识所左右。你们只应该相信自己的严格判断,并且只对这种判断负责。”

 

当海森堡在“格丁根玻尔节”向当时的物理学“教皇”玻尔提出不同意见的时候,当他向物理学大师玻恩递纸条的时候,当他根据他的思考创立新理论的时候,他一定谨记着他父亲的家训。他把家训有效地用在科学研究上,他常对人说:“如果你决心献身于科学,就应该对任何一种想法仔细考虑,一再加以怀疑,不能毫无批判地接受下来。”他还表示过这样的信念:“在每一个崭新的认识阶段,我们永远应该以哥伦布为榜样,他勇于离开他已熟悉的世界,怀着近乎狂热的希望到大洋彼岸找到了的大陆。”

 

年轻的大学生朋友们,尤其是成绩优秀的青年朋友们,虚心向科学伟人学习是应该的,但不能只限于接受现成的知识,要敢于“站在巨人的肩膀上”,比他们看得更远!千万不要把已经学到的科学知识当做神圣不可侵犯的、亘古不变的真理。

 

海森堡的成功道路,是不是也可以给予你这样的启示?

 

 

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