林志忠觀點：促進量子力學之誕生的及時雨─海森堡獲得諾貝爾獎的曠世機遇

第一次世界大戰結束之後，德國的軍事、經濟和社會結構陷入一片混亂，對協約國的鉅額賠款與國內的惡性通貨膨脹造成民生艱困，許多家庭的日常生活難以為繼，遑論進行諸如科學、文化與藝術活動。海森堡（Werner Heisenberg，1932年諾貝爾物理學獎得主）正是在這一段期間從文法中學（Gymnasium）畢業，接著於1920年秋季進入慕尼黑大學就讀，並追隨名師索末菲（Arnold Sommerfeld）教授研究新興的原子物理學。

此後約7年的時間（1920–1927），他轉益多師，問學論道於哥廷根大學玻恩（Max Born，1954年諾貝爾物理學獎得主）理論物理研究所和丹麥哥本哈根波耳（Niels Bohr，1922年諾貝爾物理學獎得主）理論物理研究所，引領及參與建構了矩陣力學、測不準原理／不確定性原理，及量子力學的哥本哈根詮釋。

然而，海森堡之所以能夠恭逢其盛，深入其中建立這些不朽的人類科學文明成就，並不是事有必然，注定本該一帆風順、水到渠成的。他的有幸在科學史的輝煌關鍵時刻身歷其境，除了自身的曠世才華與高度努力之外，還密切依賴於外在的智者人為和及時雨的偶然因素。否則，海森堡及與他同輩的青年物理學家們，很可能為了填飽肚子，早已不得不地中途離棄了科學研究。

1920年代初期，戰後德國經濟的殘破不堪，可以舉兩個例子說明。一是在1922年，科學實驗儀器的售價在幾個月之內，飆漲了7倍。另一個例子是，在1923年底，慕尼黑大學講座教授及物理系主任維恩（Wilhelm Wien，1911年諾貝爾物理學獎得主），雖然他的薪資高於其他教授，教授的薪資又高於一般百姓，但維恩仍需每兩天提領一次薪水，以便他的妻子趕在物價又上漲之前，盡快前往市場購買食物和生活必需品。所以，雖然海森堡的父親August Heisenberg同樣是一位慕尼黑大學教授，顯然也沒有餘力支助他的生活費用，因此海森堡必須自謀生存之道，並被告誡該慎重選擇他的大學專業，以便畢業後能夠養活自己和未來的家庭。

海森堡於1923年7月在索末菲指導下獲得博士學位（當時德國大學學制的博士學位，約略相當於現在美國大學學制的碩士學位），隨即前往哥廷根大學擔任玻恩的助教，直到1926年5月接替包立（Wolfgang Pauli，1945年諾貝爾物理學獎得主），成為哥本哈根理論物理研究所的講師，在波耳的指導下進行教學與研究。駐足哥廷根那名義上將近三年間，雖然有時獲得一些哥廷根大學或德國政府的不足以支付生活的微薄薪資，海森堡的生活費用補貼來自於兩項美國工業界的及時又睿智的私部門慈善捐款。值得說明如下，並作為國內追尋諾貝爾獎之夢的他山之石。 （相關報導： 林志忠觀點：從海森堡的文法中學教育到諾貝爾獎 ｜ 更多文章 ）

在軍事戰敗和經濟失控之後，德國士氣低迷，社會極度動蕩，又因為遭遇戰勝國的嚴密封鎖與高額索賠，使得德國人民倍感屈辱與煎熬。然而，很弔詭的一點卻是，這些種種負面壓抑因素反而促使自尊心強烈的德國知識分子更加支持基礎科學研究，因為20世紀初葉的科學顯學——原子物理學與相對論——正是萌芽和興盛於德國，是當時德國能夠睥睨世界，突破重圍，昂然重新走向世界的一帖心靈安慰劑與一股精神鼓舞力量。因此，德國政府與學術界於1920年共同創立了一個「德意志科學及獎學金應急協會（Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft，英譯Emergency Society for German Science and Scholarship）」（簡稱「應急協會」），其初始的目標非常地卑微，僅希望能夠做到維持德國科學研究的持續運轉，使之不至於潰散，乃至湮滅。

應急協會步履維艱地運轉了三年之後，出現了一個奇蹟／轉機。1923年，應急協會獲得了以美國奇異公司（General Electric）為主，幾家德國公司為輔的捐款，成立了一個「電子物理委員會（Elektrophysik-Ausschuss，英譯Electrophysics Committee）」。該委員會的原始設立目的在於支持實驗研究，以期提升技術研發，從而促進工業和經濟發展。有趣的卻是，這個電子物理委員會的主席由普朗克（Max Planck，1918年諾貝爾物理學獎得主）擔任，副主席由勞厄（Max von Laue，1914年諾貝爾物理學獎得主）擔任，委員會成員包括弗蘭克（James Franck，1925年諾貝爾物理學獎得主）、哈伯（Fritz Haber，1918年諾貝爾化學獎得主）、能斯特（Walther Nernst，1920年諾貝爾化學獎得主）和M. 維恩（Max Wien，Wilhelm Wien的姪子）等人，都是德國一時之選、聲望崇高的科學家——基礎科學研究學者。

普朗克和勞厄等人大開大闔，有意忽略電子物理委員會的捐款宗旨，認為「當下」最迫切需要解決的科學問題是原子物理學——光譜學及物質結構——問題，因此全力支助哥廷根大學玻恩理論物理研究組和慕尼黑大學索末菲理論物理研究組。正是在這種思維與氣氛下，經由玻恩的出面申請，海森堡獲得了經濟支助／獎學金，得以度過生活難關，並專注於光譜物理學的學習與探索。根據檔案資料記載，自1923年至1925年間，電子物理委員會一共資助了71份申請案，其中56份是針對和集中於資助才華洋溢的年輕助教們，以確保他們能夠留在科學界，並期待在假以時日之後，能夠茁壯成為復興德國科學的繼起之秀與中堅分子。在這56份資助之中，有3份是透過玻恩為海森堡申請而獲得的。

所以，電子物理委員會的私部門外來捐款是一場「及時雨」，而把珍貴捐款果斷分配於支助光譜學、電磁輻射與物質結構問題的研究，則展現了委員會成員們的睿智洞察，協同一致，和堅毅作為。（當時有些德國老派科學家反對近代物理學理論，嘗試爭奪將捐款用於支持古典物理學和實驗研究。因此優先支持原子物理學和相對論領域，並不是一項毫無阻力的理所當然唯一選擇。另外，1924年，電子物理委員會曾經資助愛因斯坦對X射線的「康普頓效應（Compton effect）」所揭示的幽微「波粒二象性」進行「更深入和更精細的研究」。） （相關報導： 林志忠觀點：從海森堡的文法中學教育到諾貝爾獎 ｜ 更多文章 ）

1924年至1925年間，波耳邀請海森堡前往哥本哈根訪問一年，玻恩同意放行，但要求海森堡在訪問結束後，仍得回哥廷根一起工作。波耳因此向剛成立不久的洛克菲勒基金會（Rockefeller Foundation）轄下的「國際教育委員會（International Education Board，簡稱IEB）」申請，要求補助海森堡訪問一年期間的生活費及旅費。IEB欣然同意，並完全尊重波耳的提議，慷慨支付海森堡1000美元。（海森堡到訪前一年，包立是波耳的手下講師，一年的生活費用為850美元，由於考慮可能的物價上漲因素，因此波耳建議IEB支助1000美元。IEB不但爽快答應，後來還進一步同意海森堡無須一次停留滿一整年，可以分次前往哥本哈根進行訪問研究。）

海森堡真是吉人天相，他之獲得IEB的獎學金，除來自波耳的崇高聲望的背書之外，更結合了來自洛克菲勒基金會的善心和廣闊胸襟與遠見帶來的「及時雨」。根據檔案資料記載，洛克菲勒基金會成立於1913年，1919年起開始與美國「國家研究委員會（National Research Council，簡稱NRC）」合作，由基金會無私慷慨出資，而委託NRC全權進行計畫審核、人員選拔與經費的分配及使用。更重要而出人意料的是，1923年一位自學物理學的哲學系教授Wickliffe Rose擔任了IEB主席，他將基金會的支助重心從健康與醫療方面轉移到積極支持第一次世界大戰後、殘破不堪的歐洲國家的物理學研究。因此，海森堡極為幸運的、時機巧合地獲得了前往根本哈跟訪問一年的IEB補助。後來，IEB把支助海森堡赴哥本哈根向波耳學習及與其合作一事，作為國際教育委員會的最成功的國際交流獎學金的案例之一。

附記：事實上，IEB不但資助歐洲大學和研究機構的研究環境與實驗室的重建，同時也提供人員獎學金支持學者在歐洲國家之間，及歐、美之間的訪問研究。IEB的第一年獎學金有兩個名額用於資助美國年輕科學家前往歐洲學習新物理學，獲得者之一是康普頓（Arthur Compton）。康普頓於1919年至1920年間前往英國劍橋大學拉塞福（Ernest Rutherford，1908年諾貝爾化學獎得主）領導的卡文狄西實驗室學習一年，之後回到美國不久即做出了「康普頓效應」實驗，印證了電磁輻射的粒子性質，因此獲得1927年諾貝爾物理學獎。另外，如費米（Enrico Fermi，1938年諾貝爾物理學獎得主）、歐本海默（Robert Oppenheimer，曼哈頓計畫主持人、原子彈之父）和拉比（Isidor Rabi，1944年諾貝爾物理學獎得主）等人，都曾獲得過IEB獎學金補助，得以出國追隨名師學習，終成大器。除了丹麥哥本哈根波耳理論物理研究所及德國哥廷根玻恩理論物理研究所，IEB也全力支持法國巴黎龐加萊（Henri Poincaré）數學研究所。

海森堡的生日是1901年12月5日，如果早出生一兩年，他必定會在第一次世界大戰結束之前從文法中學畢業，因而被徵召上戰場。如果晚生一兩年或兩三年，量子力學理論很可能由其他同時代的青年英俊建構完成，因此這是他的第一重幸運。而在戰後的經濟窘困，許多人生活無著之下，他極度幸運地恰巧遇到一則德意志應急協會電子物理委員會於1923年成立，二則洛克菲勒基金會IEB委員會於同一年轉向支持歐洲的近代物理學研究，真是「天助我也」，這是他的第二重幸運。 （相關報導： 林志忠觀點：從海森堡的文法中學教育到諾貝爾獎 ｜ 更多文章 ）

然而，僅靠時機巧合還是難以保證一定成事。海森堡的第三重幸運在於德國學界領袖的「先生之風，山高水長」的「事在人為」。如前所述，電子物理委員會的委員們，即普朗克、勞厄和弗蘭克等人，科學眼光卓越，胸襟器識坦蕩，他們在在以提攜青年學子，教育和保留德國科學種子為念，因此大公無私地全力獎掖索末菲理論物理研究組及玻恩理論物理研究組的「嗷嗷待哺的助教們」。另外，洛克菲勒基金會IEB委員會的駐歐洲代表，普林斯頓大學教授Augustus Trowbridge與美國紐約總部的Wickliffe Rose密切合作，他既頻繁實地訪問歐洲各大學，深入瞭解各研究機構和研究人員的真實貧乏狀況與切身窘迫需求，兩人又都高度敬重波耳、玻恩和索末菲等人，充分尊重他們的意見，因此基金會只負責籌款和撥款，而完全聽從和信任這些專家們的建議去分配和使用經費。這種應急協會的史前無例的創新運作方式，正是後來全球學術界盛行的「同儕審查（peer review）」制度的雛形——在應急協會成立和運作之前，大學和研究機構的撥款都由行政官僚決定，非經同僚專業審查。

約自1923年至1927年，四、五年間緊鑼密鼓的量子力學理論的建立，和哥本哈根詮釋的完成，除了當時老（普朗克、哈柏、索末菲）、中（勞厄、愛因斯坦、弗蘭克、玻恩、波耳）、青（包立、海森堡）三代菁英科學家們的無私投注心力之外，背後的經濟物質支持力量，在科學史文獻中一向很少有人提及。本文謹向這些早已被公眾遺忘的慈善家與無私英雄們致敬。（第二次世界大戰之前，洛克菲勒基金會也曾經在中國推行過多種慈善事業。）

從筆者前文《從海森堡的文法中學教育到諾貝爾獎》到本文，我們可以領會：一個國家的基礎科學實力的建立與增強，依賴於許多因素，它是一個文化傳統、社會風氣，與學界領袖氣質的綜合性問題，而不僅僅是在中學及大學階段加強、加緊課堂上的（包括實驗室中的）數理教學而已。最後，海森堡的例子發生於一百年前，如今依然還有參考和借鑑的價值及意義嗎？最近的熱門電影「奧德賽」取材自3000年前的希臘史詩，人類歷史上並不少見，代代從該部史詩中汲取教訓和智慧。所以，如果我們把追求諾貝爾獎視作為一個社會的科學文化與文明的建設與傳承的問題，則一世紀前的教訓，仍有值得學習與反思之處，此即古訓「十年樹木，百年樹人」的深意。 （相關報導： 林志忠觀點：從海森堡的文法中學教育到諾貝爾獎 ｜ 更多文章 ）

＊作者為陽明交通大學電子物理系退休教授