20世紀初葉，德國物理學家海森堡（Werner Heisenberg，1901–1976）因創立量子力學理論而獲得1933年諾貝爾物理獎。海森堡出生於1901年12月5日，1911年九歲受完四年小學教育後，隨即進入「文法中學（Gymnasium）」就讀，1920年暑假畢業。當年秋季，他接著進入慕尼黑大學進一步學習，為將來從事高深學術研究作準備。海森堡的博士論文工作是在物理學大師索末菲（Arnold Sommerfeld，1868–1951）教授的指導下，進行原子光譜學和流體力學研究。他於1923年暑假提交博士論文，探討的是關於湍流和水力學方面的課題。（當年德語地區的博士學位，大略相當於現在美國教育體系中的碩士學位。）
直到在海森堡的青少年時代，德語（巴伐利亞）地區的文法中學乃為一種九年級制的高等中學教育，課程內容以古典文學（包括拉丁文、希臘語文）和人文學科為主。學生在校九年總共需要修習263學分的課程。其中，拉丁文63學分、希臘文36學分、數學31學分、德文31學分，而物理只有區區6學分。另外127學分則分配給歷史、宗教、體育、法文、自然研究等科目。總而言之，物理學教育在文法中學教育體系中，只是聊備一格，它的實際上課情形為七年級至九年級時每年級各上課2學分，三年間僅採用了一本課本。文法中學教育的目標，是為國家培養盡責、忠於職守，品格受人尊敬與信賴的官僚、律師、醫生等未來的政府和社會中堅人士。
當時的世界各國，仍是以父權為中心的社會。父親的角色嚴肅／嚴厲、刻板，甚至專制，有時暴躁；他為了全家生計終日勤勞奔波在外，母親則以照顧家庭和家人為生活重心。學校教師的角色，大致（被培養得）類同父親的性情與角色，他們教書盡責，一板一眼，對學生的課業和品行有高度要求，並且不苟言笑。我們可以想像一幕非常類似於清末民初的中國私塾裡，或是第二次世界大戰前日本電影中的教室裡的景象：少年海森堡服裝整齊地站在課桌旁邊，戰戰兢兢地背誦著某段拉丁文或希臘文的課文，而手握教鞭的教師則威嚴地在教室裡踱步，不時出現在身旁。
除了學校教育，海森堡的父親是一位拜占庭研究（中世紀和現代希臘語言學）教授，他也對海森堡的古典語言學習極端重視，時時督促，因此海森堡應是自幼難得鬆懈的時刻。此外，當時的德國知識分子家庭認為學習樂器，精於演奏和欣賞古典音樂是一種身分的象徵與必備的進身之階。因此，海森堡從小即追隨名師學習鋼琴彈奏，他經常持續幾個小時專注練琴，沉浸其中。這項「游於藝」的訓練與陶冶，有如傳統中國和日本知識分子家庭教育子弟的熟讀和習作詩詞以及勤練書法。很可能，這種才藝學習，無形中也培養了海森堡此後在面對物理問題及攻克物理難關時的高度專注、極端毅力與不懈堅持。
海森堡進入慕尼黑大學就讀之後，在明師索末菲的循循善誘，因勢利導，以及包立（1900–1958，1945年諾貝爾物理獎得主）的有如兄長般的博學指點與激勵之下，於兩年之內，他就發表了四篇學術論文，其中包括三篇原子光譜學及一篇流體力學論文。所以，我們必須探問及思索一個尖銳的問題：如果文法中學教育是以訓練學生的古典人文學科為主，則海森堡是如何獲得他的數學能力以及物理知識，使他能夠在20歲初頭，就站上了當時德國、亦即全球原子物理學研究的前沿？
海森堡的數學能力的養成，來自家庭、學校、時代及社會風氣四方面的因素，說明如下。
（一）海森堡有一位年長將近兩歲的哥哥（但在學校裡只相差一年級），他們的父親時常要求海森堡一起學習和解答他哥哥的數學作業問題。因此，與學校課程進度比較，海森堡超前學習了數學。
（二）海森堡的文法中學數學教師是一位優秀的教師，他同時教海森堡班上的數學和物理兩門學科。更重要的一點是，當時的文法中學科學教師是從一年級教到九年級。因此，當科學教師看出海森堡的數學學習能力遠超出同年級的同學之後，他能夠適切地引導海森堡有系統的，但非揠苗助長地提前學習，並按部就班地指導海森堡學習比較困難的數學問題的計算。
（三）第三點是時代因素。海森堡升上文法中學四年級之後，便爆發了第一次世界大戰，德國是主要交／開戰國，因此學校教育受到了嚴重干擾，戰爭後期更是時斷時續。甚至還有一段時期，因寒冬煤炭嚴重短缺，無法取暖，導致學校不得不停課。在學校經常停課的漫長日子裡，海森堡在家自習學校老師安排的功課，同時閱讀父親從圖書館借回來的數學書籍。有趣的是，海森堡的父親為了讓海森堡不中斷拉丁文的學習，就把圖書館裡的所有使用拉丁文書寫的「看似」數學領域的書籍，都借回家了。（直到19世紀中後期，拉丁文在德國一直是數學方面的正式語言。）
（四）第四點是德國社會風氣使然。20世紀初期的文法中學教育雖然仍是以遵循古典語文教育為主，但德意志帝國於1871年統一之後，注重科學與技術的發展，認為文化與科學是國力的延伸與展現，因此社會風氣帶動了青少年的科學興趣。比如，文法中學時期的包立和海森堡，都曾受到愛因斯坦專門為中學生寫的相對論科普讀物的啟發。
由上可知，重視教育與追求上進的知識分子家庭，規劃完整的文法中學課程以及優秀盡責的科學教師，獨立自學的空間與彈性，和19世紀與20世紀之交的工業化與技術化的德國社會風氣，是造就海森堡的數學能力的四大關鍵要素，缺一不可。因為及早具備了理論物理學的基本語言——數學——的紮實功底，因此進入大學之後，一旦獲得無人能出其右的指導教授和同門師兄的機遇難逢的點撥，海森堡便如「北溟有魚，其名為鯤」，「化而為鳥，其名為鵬」，「怒而飛，其翼若垂天之雲」，「摶扶搖而上者九萬里」般的迎風怒放了。在文法中學畢業五年之後，海森堡即創立了「矩陣力學」，與薛丁格的「波動力學」共同支撐起量子力學的金碧輝煌殿堂。又兩年後，海森堡再接再厲，提出了「測不準原理」（或稱「不確定性原理」），為量子力學的「哥本哈根詮釋」奠立了不可撼動的基石。
無獨有偶，亞洲第一位獲得諾貝爾自然科學類獎項的湯川秀樹（Hideki Yukawa，1907–1981，1949年物理獎得主），自小熟讀《莊子》，一生熱愛《莊子》。同時，他也曾在父親（一位京都大學的地質學與地理學教授）的堅持下，自幼追隨名師，長年學習書法。成名之後，湯川秀樹時常書寫出自《莊子・秋水》篇的「知魚樂」三個字，贈送友朋留存。湯川秀樹的物理學成就，完全在日本國內培養和完成，在做出贏得諾貝爾獎的工作之前，他未曾留過學。順便一提，獲得2008年諾貝爾物理獎的日本京都大學益川敏英（Toshihide Masukawa，1940–2021）教授，自稱害怕講英語，因此在獲獎之前從沒申辦過護照，未曾踏出日本國門一步。另外，甫於今年三月逝世的美國伊利諾大學Anthony Leggett（1938–2026）教授，2003年諾貝爾物理獎得主，在大學時期主修的也是古典人文學科。
海森堡建構了量子力學理論作為瞭解原子物理學的基礎，但如上所述，他的博士論文題目寫的卻是流體力學問題，原因在於索末菲非常擔心當時的海森堡寫不出一篇「像樣的」原子光譜學博士論文。的確，量子力學要再等兩三年之後才建立起來。因此，突破性學問及新「典範」的進步與發展，在「地利」（當時的德國是近代物理學研究的重鎮）與「人和」兩項因素之外，還需要「天時」（等待適當的時機），才能為功。反面的一個例子是，我們在中學時都曾經在課本裡閱讀過和背誦過的王安石〈傷仲永〉一文：在那樣一個缺乏學術之天時、地利及人和的貧瘠環境裡，即使出了一個少年天才方仲永，因為缺乏適當的引導與栽培，最後不免只能停留於少時了了，終至淹沒在茫茫人海之中了。
當前，國家迫切想要啟動培養未來的諾貝爾獎得主計畫，但課程規劃似乎將集中於針對提升聰穎高中學生的科學教育為主。然而，過度主觀設計與集中於自然學科範圍的教育，與海森堡和湯川秀樹的中學教育的科目廣泛，課外活動豐富多元，背道而馳。事實上，除了長時間修習古典語文、音樂與書法之外，海森堡和湯川秀樹兩人的中學生活階段，都曾經耗費大量的時間與精力參與戶外活動或球類運動，直至精疲力竭方才罷休。顯然，贏取諾貝爾獎是一種近乎可遇而不可求的際遇，除了做出深刻的、突破性的學術創新之外，還有個人運氣的成分在，人世間並沒有一套可依循的公式能夠教導我們如何摘取這一項至高榮譽。
如果細心環顧及思索全球的學術大國和強國的教研環境，我們倒是可以獲得一些啟示：想要有朝一日贏得諾貝爾獎，應寄望於長期廣泛地耕耘一片沃土，多方撒播種子，並時時勤於澆水，而後耐心默默守護。如此，未來的諾貝爾獎得主，或許有可能從其中的某一棵種子萌芽而生，終至茁壯引領風騷。反之，歷史經驗訓示我們，欲摘取諾貝爾桂冠，肯定很難如醫學治療標舉的「精準標靶」般，在人為刻意規劃的特定科目的教學軌道中，選定來人。 （相關報導： 「如果鉛筆完整旋轉一周，掃過的最小面積是多少？」破解百年無解難題，中國學者王虹、鄧煜榮獲「數學界諾貝爾獎」 ｜ 更多文章 ）
＊作者為陽明交通大學電子物理系退休教授
