马克斯·玻恩

马克斯·玻恩:将现实变为概率的物理学家

1926年12月4日,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)坐下来给一位朋友写信,谈论当时从哥廷根传出的奇怪的新物理学。“量子力学确实令人印象深刻,”他承认道,“但内心有一个声音告诉我,它还不是真正的东西……无论如何,我确信上帝是不掷骰子的。”这句话后来被浓缩成爱因斯坦最著名的名言,直指那位刚刚引入骰子的人。他的名字叫马克斯·玻恩(Max Born),五个月前他发表了一个观点:波函数并不是告诉你粒子在哪里,而是告诉你粒子出现在那里的可能性有多大。

布雷斯劳与哥廷根的数学家们

玻恩于1882年12月11日出生在当时德意志帝国、现属波兰的布雷斯劳(现称弗罗茨瓦夫),出生在一个有着深厚科学传统的犹太家庭:他的父亲古斯塔夫·雅各布·玻恩(Gustav Jacob Born)是一位解剖学家,也是布雷斯劳大学的胚胎学教授。他的母亲玛格丽特·考夫曼(Margarethe Kauffmann)来自一个西里西亚实业家家庭,在他四岁时去世。

在完成国王威廉中学(König-Wilhelm-Gymnasium)的学业后,他于1901年进入布雷斯劳大学,1902年夏天在海德堡度过,1903年夏天在苏黎世度过,随后于1904年4月移居哥廷根。这次搬迁决定了他的一切。在哥廷根,他师从费利克斯·克莱因(Felix Klein)、大卫·希尔伯特(David Hilbert)和赫尔曼·闵可夫斯基(Hermann Minkowski)——这是当时世界上最强大的数学系——并掌握了当时大多数物理学家所不具备的抽象代数能力。他1906年的博士论文研究的是弹性丝的稳定性,获得了哲学学院奖,并以“优等生”(magna cum laude)成绩毕业。

研究所

1909年,他在哥廷根获得了理论物理学的特许任教资格,1914年在柏林成为无俸教授,1919年在法兰克福担任正教授,并于1921年回到哥廷根担任理论物理研究所所长。在接下来的十二年里,该研究所成为了世界物理学的重心。

回顾当时的名册几乎令人感到滑稽。玻恩的博士生包括罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer, 1927)、马克斯·德尔布吕克(Max Delbrück, 1930)、玛丽亚·格佩特-梅耶(Maria Goeppert Mayer, 1931)和维克托·魏斯科普夫(Victor Weisskopf, 1931);其中两人获得了诺贝尔奖,一人领导了洛斯阿拉莫斯实验室。他的助手包括维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)、沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)、恩里科·费米(Enrico Fermi)、爱德华·泰勒(Edward Teller)、尤金·维格纳(Eugene Wigner)、帕斯库尔·约尔当(Pascual Jordan)、弗里德里希·洪德(Friedrich Hund)、格哈德·赫茨伯格(Gerhard Herzberg)和莱昂·罗森菲尔德(Léon Rosenfeld)。1918年,他与化学家弗里茨·哈伯(Fritz Haber)关于金属与卤素反应的对话产生了玻恩-哈伯循环(Born–Haber cycle)。后来与奥本海默合作产生了玻恩-奥本海默近似(Born–Oppenheimer approximation),至今仍是处理分子的标准工具;玻恩近似(Born approximation)依然是散射理论中的主力工具。

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矩阵力学

1925年7月9日,海森堡交给玻恩一份写满奇特数组的论文,其乘法运算取决于执行的顺序。玻恩认出了他所看到的东西:矩阵,这是他在二十年前在哥廷根精通的数学语言,当时大多数物理学家将其视为一种晦涩的专业。他与帕斯库尔·约尔当,随后又与海森堡一起,将该理论转录并扩展为量子力学的第一种完整形式,得出了对易关系 pq − qp = ih/2π——这个方程表明位置和动量不能同时精确确定,而且是在还没人知道它意味着什么之前就被写出来了。

玻恩定则

1926年7月,他发表了以他名字命名的诠释。埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)提出了波动方程,但没人能说出波是由什么组成的。玻恩提出 ψ*ψ 是概率密度——量子力学预测的不是结果,而是结果的几率。在那一刻,物理学不再是决定论的。从不确定性原理的含义到测量问题,再到随后的一个世纪的争论,一切都源于那篇论文。爱因斯坦从未接受它,他们从1916年到1955年的通信成为了现代科学史上最著名的分歧。

玻恩自己的哲学立场与他的物理学是一致的。他写道:“我相信诸如绝对确定性、绝对精确性、终极真理等观念都是想象的产物,不应在任何科学领域中被接纳。”

无国籍状态

1933年1月,纳粹夺取政权。尽管玻恩曾在1914年为了融入社会而接受过路德教洗礼,但他作为犹太血统,还是被解除了哥廷根的教授职务。他先是去了剑桥大学圣约翰学院(1933-35年),然后去了班加罗尔的印度科学研究所(1935-36年),随后到了爱丁堡,并于1936年至1952年间担任泰特教授(Tait chair)。1935年11月,德国撤销了他的公民身份,使他陷入无国籍状态;哥廷根随后取消了他在1906年获得的荣誉博士学位。1939年8月31日,就在德国入侵波兰的前一天,他成为了入籍的英国臣民。

为什么马克斯被尊为天才

玻恩独特的天赋在于翻译两种尚未被引入的语言:纯数学与物理直觉。当海森堡带给他一套不熟悉的数组时,玻恩几乎是唯一具备能力看出它们是矩阵的人,他看出非对易乘法不是一种困扰,而是物理学本身。然后是更艰难的一步,这与其说是技术,不如说是诠释的胆识:提出波函数的平方是一个概率,意味着放弃了自牛顿以来一直未被打破的假设,即系统的完整描述决定了其未来。他独自一人,在一篇论文中完成了这一切。诺贝尔委员会最终认可了这一点,在1954年授予他诺贝尔奖,“以表彰他在量子力学领域的基础研究,特别是对波函数的统计诠释”。

反对意见始于那个日期。他等待了二十八年,在此期间海森堡独自获得了1932年的物理学奖,奖励他们共同建立的矩阵力学——海森堡后来对未分享荣誉表示遗憾——同时他自己的一代学生和助手也先于他获得了荣誉。怀疑论者可能会争论说,玻恩的标志性成就是对他人方程的诠释,矩阵工作是玻恩符号下海森堡的洞见,他最持久的角色是制度性的:他组建并运作了量子力学诞生的那个场所。但这同样是对一种独特而罕见才华的描述——了解一门新物理学需要什么样的数学,并且当其他人还在计算时,愿意说出这些数学意味着什么。

遗产

他还在1948年获得了马克斯·普朗克奖章(Max Planck Medal),1950年获得了休斯奖章(Hughes Medal),于1937年当选为爱丁堡皇家学会院士,1939年3月当选为皇家学会院士,并与瓦尔特·博特(Walther Bothe)共同获得了诺贝尔奖。1952年,他退休回到西德的巴特皮尔蒙特(Bad Pyrmont),回到了那个曾让他失去国籍的国家,并于1970年1月5日在哥廷根去世,享年八十七岁。他的后代提供了一个意想不到的尾声:他女儿艾琳(Irene)的女儿是歌手兼演员奥莉维亚·纽顿-约翰(Olivia Newton-John)。然而,那条规则(玻恩定则)才是他的丰碑。现代量子理论的每一次计算最终都离不开它。

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