从法兰克福到哥丁根
1919年1月4日,玻恩接到普鲁士教育部的通知,他被法兰克福大学录用为全职教授。此后的一段日子,他异常繁忙,一方面准备搬家,一方面要往返于柏林和法兰克福,为两所大学授课。
法兰克福的社会秩序比柏林好得多,物价攀升也不像柏林那么恐怖,行于街头不用随时防着盗贼。然而在法兰克福的工作要比柏林更加忙碌,玻恩一方面要在这里组建研究所,收拾战争残局,整顿教学秩序,筹集研究所资金,规划研究所的人选与课程计划,忙得团团转。他按不同领域把研究生课程重新做了调整,分成高等数学、量子论、理论物理引论和专题讲座及晚间座谈会几个系列。研究所的几位主力,如斯特恩(Stern)、兰德(Lande)等人分别来自哥丁根与布雷斯劳,其中兰德曾是玻恩的助手,先后与他合作长达10年。随着实验物理学家沃克马斯(Wachsmuth)和数学家海林格的到来,研究所的阵容初具规模,工作很快运转起来。
研究所的资金是玻恩最头痛的问题。1919年夏季,由于战后的通货膨胀,最初筹集的3000马克很快用光了,研究所开展的5个系列项目眼看就要因为资金短缺而停顿,其中包括斯特恩刚开始不久的关于麦克斯韦—玻尔兹曼的原子物理实验,玻恩不得不写信向爱因斯坦求助。作为凯撒—威廉柏林研究所主任,爱因斯坦正是他们的上级主管。爱因斯坦很快给了回复,他说:“将竭尽全力为他挤出一点资金来。”[43]
就在这封回信的几天以后,爱因斯坦广义相对论的预言——“太阳对光线的引力弯曲效应”得到了实验证实,这个结果一经公之于众,立刻引起物理学界甚至全世界公众的轰动,物理学界人士的兴奋焦点立刻集中到了这一奇特效应之上。玻恩不失时机地一连用了三个晚上开设广义相对论讲座。通过这次讲座,他获得了教育部7000马克的奖金资助,足够维持研究所运转一个时期,为此玻恩大大地松了一口气。爱因斯坦对玻恩开玩笑说:“嘿!马克斯,你竟然靠我的相对论为你的研究所脱贫,你简直成了一个‘骄傲而独立’的年轻人,不再让‘家长’为你着急了,是不是?”[44]事实上,玻恩并不感到自己像爱因斯坦所说的,那么“骄傲而独立”,他正为哮喘病的发作挣扎着。这个病常在季节变换时困扰着他,而海蒂和孩子也因冬季的寒冷和饥饿不时患上呼吸道感染。
托布利兹早年所说的话再次言中,玻恩成为全职教授后,再度回到了哥丁根。1921年4月,他奉命在这里组建物理研究所。初来时,他只有一间办公室、一个助手和半个秘书,不像在法兰克福那样,还有实验研究所附属的车间和技工。他不急于扩展规模,却心怀一个雄心勃勃的计划,那就是“要在新物理时期,把哥丁根推向巅峰”。[45]玻恩的第一个合作者就是弗兰克(Franck),后又来了珀尔(Pohl),接着许多哥丁根旁系的同事们,如电机学家里克(Reich)、机械学家普兰德尔(Prandtl)、物理化学家塔曼(Tamann)、地球物理学家维科特(Wiechert)等人也被建所的热潮卷了进来。到了这年的夏季学期,在玻恩的带领和众人的努力下,哥丁根研究所不仅初具规模,而且已经有了80个充满朝气的天才学生。
那一时期,玻恩像一架开足马力的机器般忙碌着,除了组建研究所的繁重工作外,他还开出了每周4小时的理论物理系列课程,这一课程持续3年,其中包括质点和刚体力学、连续介质力学、热力学、电磁学、光学、统计力学、原子结构和量子理论。除了上述系列课程和相关的辅导课以外,他还开出每周2小时的物理学进展的专题课。
哥丁根面临新旧交替,尽管维持旧传统的希尔伯特和克莱因等老一代还遵循着老规矩,但他们的研究实力已经呈现下降的趋势,玻恩和弗兰克决定冲破旧传统。他们不再西服革履,而是骑着自行车,穿着运动衫穿行于哥丁根的街市,来往于数学物理大楼。在写给爱因斯坦的信中,玻恩兴奋地说,研究所的工作已经“进入了新的境界”。这时,玻恩打算邀请泡利来哥丁根与他合作,他向哥丁根大学介绍说,这是一个“在过去几年中脱颖而出的少有的少年奇才”。[46]当时泡利仅有21岁,不仅精通物理学的各个分支,还具有强烈的物理直觉,并有坚实的数学基础与敏锐的数学洞察力,更为突出的是他能使这几方面很好地结合起来。在克莱因的数学百科全书中,那篇关于广义相对论的文章使泡利一炮走红,赢得了物理学界广泛的赞誉。
1921年夏天,泡利与玻恩在意大利度假时相遇,两人因欣赏蒂洛尔美丽的山景而成知音,给玻恩更深刻的印象是,即使身处群山中,泡利仍然不停地与他人争辩物理问题,所言常常一语中的。这年冬季,经玻恩邀请,泡利来到了哥丁根。把泡利引入哥丁根的确是个好主意,但对玻恩来说却极具挑战性,他必须马不停蹄地奋起直追,因为泡利不仅数学和物理的基础都强于自己,而且还有一双明察秋毫的锐利眼睛,什么瑕疵也别想从他那里躲过去。
玻恩与泡利开始了新原子量子论的研究。那时的玻尔理论已经显露出它的不足,但还没有一个更新的理论可以取而代之。(https://www.daowen.com)
为了紧跟量子理论的进展,几年前,玻恩曾与冯·卡门、兰德和斯特恩一起研究过玻尔理论,也曾深入研读了索末菲的著作《原子结构与特征光谱》(Atomic Structure and Spectral Lines)。在这本书的前言里,索末菲写道:“由于特征谱线被发现,任何专家都不会怀疑,如果人们能弄懂并解释这些谱线所表述出来的含义,原子内部的事情就不难被破解了。”[47]索末菲不仅把玻尔的原子圆形轨道修改为椭圆轨道,还引出了精细结构常数,成功地解释了原子谱线的双分裂情况。然而在那一时期,玻恩的主要精力集中在晶体的点阵结构,没有对原子的量子性进行深入的研究,也没有发表什么相关的论文。
泡利来到哥丁根后,玻恩决定从量子计算中找出原子理论的突破点,但是两人的看法有明显的不同。玻恩认为,首先应该从天文学行星轨道估算技术入手,研究氦原子内部的摄动。氦原子有两个电子,应该适于使用天体学中的“三体问题”,而泡利则在起点上就与他的看法不同。虽然泡利年仅22岁,但在量子研究上已经不是一个新手了。过去在索末菲的指导下,他就曾把玻尔的量子条件用于氢分子离子(H+2)做出过详细的计算,在对三体问题的处理上,他也尤为熟悉,曾多次利用“三体问题”解决过原子的量子问题。然而,尽管他的“三体问题”数学计算很漂亮,所得到的结果却与实验结果明显不符,为此,泡利认为,即使经过了索末菲的修正,玻尔的原子理论还是有着致命的缺陷,它仅只适用于简单的氢原子,却解释不了谱线的复杂结构,例如谱线的三分裂甚至更多的分裂情况。
这年深秋,玻恩又犯了哮喘病,夜间的咳嗽使他不能平躺,只能坐着。除了病痛,研究所的资金也困扰着他。在他身体稍微好转时,解决资金的机会也随即而来。经考兰特(Courant)介绍,他结识了一位富有的实业家斯蒂尔(Still)。这位实业家不仅对物理及数学感兴趣,也具有科学发展的长远眼光。他在1920年与考兰特相识,并亲自来到哥丁根听课。康复以后的玻恩与考兰特、弗兰克、希尔伯特和荣格接受这位实业家的邀请,前去访问。斯蒂尔答应筹钱,仅他一人就拿出了68000马克,此行他们共获得100000马克的捐款。
当玻恩回到哥丁根后,泡利提出了离开哥丁根去汉堡的请求。在玻恩的眼中,泡利是一位非常称职的助手,但他也是一个在城市长大的孩子。玻恩认为泡利的离去,是忍受不了哥丁根这个小镇的冷清。对失去这样一位得力的助手,玻恩很是痛心,在给爱因斯坦的信中,他说:“今后我再也找不到像他这样的助手了。”[48]
泡利与玻恩在性情上有很大的差异。玻恩讲究规矩和秩序,做事一板一眼,而泡利却相反,喜好率性而为;玻恩是个有早起习惯的人,泡利却是个“夜猫子”。哥丁根缺少“夜生活”,泡利只得整晚坐在书桌前用功,直到凌晨再去睡觉。玻恩形容他“坐在桌前不动,像用心读经的和尚一般”。[49]因为醒得晚,常常耽误上午听课,玻恩不得不派人每天10点半叫醒他。尽管为了照顾他,玻恩常把重要的课,如电子论,安排在下午。这些并非两人之间重要的差异,使泡利离开的真正原因是两者对物理的洞察力有着很大的不同。科学研究的兴趣取向有多种,它就像一张密布的网,有时人们往往从同一个实验结果出发,有的人沿着一条网线最终走向了数学理论,有的人却可能沿着另一条网线走向物理,虽始于同一点,却可能渐行渐远,有时却又可能殊途同归。
困扰玻恩的也不全是泡利的离开,还有研究所的资金,也有生计上的困难。作为一名教授,他也在为养家糊口发愁,食物、取暖燃料以及其他消费常叫他感到入不敷出;他的学生和研究助手也因为通货膨胀、罢工、寒冷及食不果腹影响学习和工作的效率,生活面临窘迫。
几年前,玻恩曾为他的学生爱泼斯坦(Epstein)的生计四处求助。爱泼斯坦是一位年轻的物理学家,曾是索末菲的学生。在苏联十月革命中,他和全家被扫地出门。由于他的家乡划归了波兰,他持有波兰护照。在当时,他找不到任何工作,也无处可去。从护照上看,他是波兰人,但因为有着来自社会主义国家的政治背景,使他不能在波兰工作;但是,他又不能在德国找到教书的职位,因为德国人认为他是个波兰人,战后德国被强迫划出一大片土地交给波兰,德国人痛恨波兰人;回到俄国,对爱泼斯坦更是危险,因为他曾有在交战国——德国停留的记录。他曾试图到瑞士找工作,但是没有成功。法国、比利时和英国也拒绝一个来自交战国的人,不可能理会他的申请。玻恩曾写信托付爱因斯坦,希望他尽力想办法帮助这位无助的年轻人。最终在物理界众人的帮助下,爱泼斯坦在美国落了户。现在的情况却是反过来,倒是玻恩写信给爱泼斯坦:“你简直想象不到,这里有多少杰出的人在为日常所需而奔忙,而我们这些老家伙(指他自己和弗兰克)除了为自己,也在为这些人发愁。”[50]
由于缺乏资金,玻恩的助手布罗迪协助他研究固体的点阵结构,但却拿不到薪金,玻恩、弗兰克和考兰特不得不从自己的薪金中凑钱捐助他,而这点钱也非常有限,布罗迪的家人常处于半饥半饱状态。玻恩只得为他联系在哥丁根讲些课,可是这样的机会也并不太多。布罗迪不仅没有工资,有时还要工作很长时间,作为一个匈牙利籍的犹太人,玻恩深知他不可能在这里得到固定职位,为这个助手向各处写求救信。