索末菲

(1868-1951)量子力学与原子物理学的开山始祖之一。

阿诺尔德·约翰内斯·威廉·索末菲(德语:Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld,1868年12月5日—1951年4月26日),德国物理学家,量子力学与原子物理学的开山始祖之一。他发现了精细结构常数,一个关于电磁相互作用的很重要的常数。他也是一位杰出的老师,教导和培养了很多优秀的理论物理学家。

索末菲是目前为止教导过最多诺贝尔物理学奖得主的人,他首先提出第二量子数(角量子数)和第四量子数(自旋量子数),并且提出精细结构常数和开创了X射线波动理论。

生平

索末菲的家乡,东普鲁士的柯尼斯堡有一所享负盛名的大学,柯尼斯堡大学。索末菲申请到在柯尼斯堡大学读书。他学习的是数学和自然科学。毕业后,他又继续攻读博士学位。数学家费迪南德·冯·林得曼是他的博士论文指导老师。而数学家阿道夫·胡尔维茨和大卫·希尔伯特及物理学家埃米尔·维歇特(Emil Wiechert)也让他受益良多。此外,他在参加德意志领邦同盟的学生联合会时脸上留下了因击剑造成的伤疤。索末菲在1891年(23岁)时取得博士学位。得到博士学位后,因为要领取教师证明,索末菲仍旧留在柯尼斯堡准备功课。1892 年,他顺利地通过了全国考试,获得教师证明。然后,他又进入军队服役,经过一年的训练,于 1893 年 9 月,完成兵役。但索末菲在服完兵役8年后又服了8周的自愿役。随着胡子的出现、逐渐变好的体格及普鲁士人的举止和脸上因击剑造成的伤疤,他给人一种身为轻骑兵里的上校的印象。

哥廷根大学

1893 年 10 月,索末菲幸运地靠着私人关系进入德国的数学中心哥廷根大学,成为 Theodor Liebisch 教授在矿产学院的助理。Theodor Liebisch 教授曾经在柯尼斯堡大学教过书,是索末菲家庭的老朋友。

1894 年 9 月,索末菲成为数学家费利克斯·克莱因的助理,纪录课堂的讲课内容。这样,学生可以在数学读书室温习他的笔记。他也是数学读书室的管理员。在克莱因的细心督导下,他通过了德语国家教授资格考试,准许他成为私人讲师 (Privatdozent) 。1895 年开始,他正式任职为哥廷根大学的私人讲师。身为一位私人讲师,索末菲在哥廷根大学主要教导各种各样的数学和物理数学,他授课的解偏微分法更是哥廷根大学第一次开的课程,他再把内容加以整理后成为六册的教材《理论物理学讲义》中的一册《偏微分方程物理数学》。1895和1896这两年,在克莱因教导旋转物体之下,索末菲和克莱因出了一套四册的教材《Die Theorie des Kreisels》,这本书是他们13年(1897-1910)来的研究成果。前两册主要在谈理论,而后两册是有关地球物理学、天文学和科技的应用。由于跟克莱因的关系,让索末菲专心于应用数学和讲课的技巧。

在哥廷根大学,他遇到了未来人生的伴侣,约翰娜·赫普夫纳(Johanna Höpfner) ,哥廷根大学的政府官的女儿。1897 年10 月,索末菲被聘请为克劳斯塔尔工业大学的数学教授,继承物理学家威廉·维恩的位置。这个职位给予他足够的酬劳,能够维持一个家庭。于是,他与约翰娜·赫普夫纳共结良缘,养育了三个男孩,一个女孩,有一个快乐美满的家庭生活。

在克莱因的要求下,索末菲编辑了《数学科学百科全书》的第五册,这是他在1898到1926年的主要工作。

亚琛工业大学

1900 年,经过克莱因的大力介绍,索末菲被委任为亚琛工业大学,应用力学系的特别教授。在那里,他对流体动力学产生浓厚的兴趣。他发展出许多关于流体动力学的理论。后来,在慕尼黑大学,他的学生,路德维希·霍普夫(Ludwig Hopf)与维尔纳·海森伯也都继续流体动力学的研究,写出高品质的博士论文。

慕尼黑大学

1906 年,在物理学术界已颇具盛名,索末菲荣膺慕尼黑大学新成立的理论物理学院的主任。索末菲理论物理学院主任的职位是慕尼黑大学物理学院的威廉·伦琴院长所指派的。一直到十九世纪晚期与二十世纪初期,在德国,实验物理比理论物理更受重视,拥有较高的地位。可是,在二十世纪初期,理论物理学家,像慕尼黑大学的索末菲和在哥廷根大学的马克斯·玻恩,靠着他们的在数学方面的造诣与天赋,完全地将台面翻转过来,理论物理成为了主动者,而实验物理的角色缩化为理论的核对或促进。索末菲的博士学生,维尔纳·海森伯与沃尔夫冈·泡立,后来都因为在理论量子力学领域的贡献,分别获得了诺贝尔奖。而在取得博士学位后,包利、海森伯和瓦尔特·海特勒成为玻恩的助理,并且对量子力学的迅速发展有极大的贡献。

在慕尼黑,索末菲遇到爱因斯坦,开始接触到狭义相对论。那时,狭义相对论尚未被广泛的接受。索末菲在数学方面做了许多重要的贡献,给予狭义相对论更踏实的数学基础,帮助解释这理论的正确性,使许多仍旧持有怀疑态度的物理学家能够心服口服。1914年他与莱昂·布里渊共同研究电磁波的传播于色散介质。他也是量子力学的开山祖师之一。他提出的索末菲模型,是玻尔模型的推广。他发现了精细结构常数,是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的无量纲度量。他写了一本关于原子理论的书,《Atombau und Spektrallinien》。这本书成为新一代物理学家学习原子理论的必读书。索末菲又将他的课堂讲义整理编辑,发表为一套六集的书籍,《理论物理学讲义》。

索末菲在慕尼黑大学教书三十二年,桃李满门,望重杏坛。索末菲知道如何发掘与招募优秀人才,提升他们对物理与数学的兴趣,培育他们成为理论物理的精英。虽然索末菲身兼教授与学院主任二职,他跟学生和同事之间并没有任何隔阂。他常常邀请他们共同合作,乐意地接纳他们尖锐的想法与建议。索末菲除了教一般和专业的课程,他也举办了许多研讨会和座谈会。ㄧ般课程包括力学、变形体力学、电动力学、光学、热力学、统计力学和解偏微分法。一个礼拜有4小时,冬天有13周而夏天有11周,这些课程提供给有参加实验物理课程的学生。此外,每周有2个小时的简报时间以供讨论问题。这些特别课程都是基于当前的热门题目及索末菲的研究兴趣。从这些课程的得到的结论,时常会出现在索末菲发表的科学文献。这些特别课程的目的是要解决当下理论物理的焦点问题,同时使他与他的学生共同有系统地了解这些焦点问题。在1942-1951年间,索末菲致力于编改课堂讲义,后来出版为六卷书籍《理论物理讲义》。

玻恩相信索末菲具有研究和发现事物的天分。爱因斯坦告诉索末菲:“我特别钦佩你的是你能够从层土中制造出那么多的年轻天才。”做为一位教授与研究院院长,索末菲的风格并没有使他与同事和学生们出现任何距离,他会邀请他们与他共同合作,而他们的点子往往会影响他做学问的想法。他会邀请他们到他的房子,并在研讨会前会和他们在咖啡屋会面。索末菲在山中有一个渡假屋。每当节庆假日,他总会欢迎他的学生和同事来渡假屋钓鱼、打猎、爬山、或滑雪,暂时放下手里的工作,欣赏大自然的美景。

1951 年,索末菲与两个孙子出外散步,不幸被车子撞倒。可惜伤势过重回天乏术,享寿 82 岁。

荣誉

索末菲一生得过无数的荣誉,像马克斯·普朗克奖章,洛仑兹奖章,奥斯特奖章。他被选入皇家学会,美国国家科学院,俄罗斯科学院,印度科学理工学院,以及许多其它在柏林,慕尼黑,哥廷根,威尼斯等等的科学院,并拥有许多大学颁发的荣誉博士学位。他唯一没有得到的是诺贝尔奖,但他曾经被提名 81 次之多,多过任何其它物理学家。也许是因为诺贝尔基金会比较偏好开疆辟土的发现或旋转乾坤的突破,而不是一生累积的成就。

2004年,为了纪念索末菲对于理论物理的贡献。慕尼黑大学新成立的理论物理中心命名为索末菲理论物理中心。

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