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科学网量子英雄传
浏览: 发布日期:2019-12-15

5.  桃李满天下为大师之师   无缘于诺奖成无冕之王

量子力学之诞生与发展,在当年就已经引产了数十名诺贝尔奖得主。然而,赞赏之余有遗憾,物理学界量子之林中,也有几个光环没有照到的死角。任何奖项都不可能是绝对公平的,多数人是实至名归,但也有几个被“漏奖”的大鱼,令人扼腕叹息!德国物理学家索末菲(Sommerfeld1868年-1951年)就是典型的一位。

我们先来列举一下,在本英雄传中出场过的物理高手们(他们的出生年显示于括号中):

普朗克(1858)、维恩(1864)、瑞利(1842)、爱因斯坦(1879)、玻尔(1885)、汤姆逊(1856)、卢瑟福(1871)、朗道(1908)、居里夫人(1867)、让·佩兰(1870)、彭家勒(1854)、朗之万(1872)、德布罗意(1892)、M·布里渊(1854)。这些人中大多荣获了诺贝尔奖的桂冠,下图中将他们从左到右按照出生之年的顺序排列起来。图中也特别标志出索末菲对物理学的贡献,以及他培养出的学生中的诺贝尔奖得主们。

索末菲与诺贝尔奖

 

·攻流体力学,与湍流纠葛

如今的科学界,没有人不知道爱因斯坦的名字,但却很少有人听过索末菲的名字。不过,如果我们穿越历史回到1900年左右,情况则是相反,那时的爱因斯坦只是个无名的专利局小职员,索末菲却已经是浪迹物理江湖多年的大教授了。那年头,普朗克正在思索黑体辐射之时,索末菲则企图攻克湍流的难题。

攻克湍流,谈何容易!这个领域至今也仍然是一个未解之谜,被称为是“经典物理学尚未解决的最重要的难题”。

索末菲比普朗克晚出生10年,比爱因斯坦早生10年。他们都是德国物理学家。索末菲出生于東普魯士的柯尼斯堡,据说那是理论物理的发源地,诞生了许多知名人物,例如:大哲学家康德、作家霍夫曼、大数学家希尔伯特、数学家哥德巴赫、爱因斯坦大力称赞的女数学家诺特……等等。甚至还有一个著名的“柯尼斯堡七桥问题”,也与该城市有关,大数学家欧拉因解决这个数学难题而创建了数论。

柯尼斯堡当年是德国文化的中心之一,有一种特殊的博学和文化的氛围。柯尼斯堡如今属于俄罗斯,叫加里宁格勒。索末菲诞生成长于一个如此的“风水宝地”,得天独厚,从小便沐浴于科学文化的阳光雨露中。索末菲在柯尼斯堡大学读书时,讲课的教授中便是数学大师云集,名师们的栽培和点拨,使他受益匪浅。之后他到哥廷根大学,又幸运地当上了数学家克莱因的助手。克莱因是研究非欧几何及群论之专家,在大众心目中,以熟知的拓扑例子“克莱因瓶”而著名。

数学气氛如此浓厚,使索末菲的研究课题经常游走于物理与数学之间。在当时的德国,起初实验物理比理论物理更受重视,但后来,在这些精通数学的理论物理学家们(包括索末菲和波恩)的努力下,将形势翻转过来。索末菲也因此而走上了数学上及其困难的“湍流研究”之路。

索末菲对湍流相关的流体力学的最主要贡献,是奥尔-索末菲方程(OrrSommerfeld equation)。索末菲认为,湍流的发生机理可以转化为一个稳定性分析问题。当流速高于某临界值时,层流变成不稳定,微小的扰动下即会产生湍流。奥尔-索末菲方程,是一个微分方程,通过解出方程,或者研究其特征值等,可以作为判断流体动力稳定性的条件。

然而,要解出这个方程是太困难了!索末菲自己也万没想到,这个方程,不仅后来困惑自己数年,也困惑自己的学生,以及整个物理界及数学界研究湍流的同行们多年。其中包括了海森堡开始时一无所获,后来凭直觉“猜”出答案, 20年后林家翘一举成功的生动故事等,此处不表。

索末菲对流体力学付出了几十年的心血和精力,湍流问题成了他一生的纠葛,直到高龄时都还经常耿耿于怀。二十世纪流体力学权威,钱学森、郭永怀等人的老师冯·卡门,在自传中记录了这样一段往事:“索末菲,这位著名的德国理论物理学家,曾经告诉我,在他死前,他希望能够理解两种现象—量子力学和湍流。” 海森堡对这段话的说法有点不同:“索末菲说过:见到上帝时我想问他两个问题:为什么会有相对论?为什么会有湍流?”

不管哪种版本,困惑索末菲一生,企图向上帝寻求答案的疑问中都包括了“湍流”一词,可见这个难题是何等地让他魂牵梦绕刻骨铭心的!

·新原子模型,解释光谱线

除了思考湍流之外,索末菲以其深厚的数学功底,对狭义相对论的数学基础,以及电磁波在介质中的传播等课题,也作了重要的贡献。

对本文的主题:量子理论而言,索末菲也不愧为开山始祖之一。他本人的贡献主要是:改进了波尔的原子模型,发现了精细结构常数。