蘇美蘭

“無冕之王，大師之師”

在物理學(xué)史上，最偉大的物理學(xué)家們大都獲得過物理學(xué)界的最高榮譽(yù)——諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而，也有少數(shù)物理學(xué)巨匠與諾貝爾獎(jiǎng)失之交臂，德國理論物理學(xué)家阿諾爾德·索末菲算得上其中最了不起的一位。

索末菲的了不起體現(xiàn)在兩個(gè)方面——“無冕之王”和“大師之師”。

索末菲之所以被稱為“無冕之王”，是因?yàn)樗绺叩膶W(xué)術(shù)地位。作為量子力學(xué)和原子物理學(xué)的創(chuàng)始人之一，索末菲是可以與普朗克、愛因斯坦、玻爾等人齊名的最頂尖的物理學(xué)家。在50年的學(xué)術(shù)生涯里，索末菲為物理學(xué)做出了許多非常重要的貢獻(xiàn)，他推廣了玻爾的氫原子模型，提出了角量子數(shù)和自旋量子數(shù)的概念，提出了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)并且開創(chuàng)了X射線波動(dòng)理論。這些科學(xué)貢獻(xiàn)與其他的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的成就相比，一點(diǎn)都不遜色。

長時(shí)間處于學(xué)術(shù)巔峰，索末菲一次又一次地得到諾貝爾獎(jiǎng)評獎(jiǎng)委員會(huì)的認(rèn)可，在索末菲的一生中，他創(chuàng)紀(jì)錄地總共獲得了81次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)提名（經(jīng)常是一年獲得不同專家的分別提名）?？梢哉f，索末菲距離最終得獎(jiǎng)所差的只是一點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)氣，他是物理學(xué)界名副其實(shí)的“無冕之王”。

與普朗克、愛因斯坦等人相比，索末菲對物理學(xué)還有更加突出的貢獻(xiàn)，那就是他非常善于教學(xué)生。除了科學(xué)研究，索末菲大部分的時(shí)間都在教書育人，以他為核心成員的慕尼黑大學(xué)理論物理研究所，出現(xiàn)了著名的“慕尼黑學(xué)派”。在索末菲的發(fā)掘和提攜下，“慕尼黑學(xué)派”的大批年輕學(xué)者成長為杰出的物理學(xué)家或者化學(xué)家，其中就包括海森堡、泡利、德拜等7位諾貝爾獎(jiǎng)得主。這讓索末菲成為物理學(xué)史上培養(yǎng)出最多諾貝爾獎(jiǎng)得主的導(dǎo)師，因此他又有“大師之師”的美譽(yù)。

下面，我們就來回顧一下這位偉大物理學(xué)家的一生。

從柯尼斯堡到慕尼黑

1868年12月5日，阿諾爾德·索末菲出生于德國東普魯士城市柯尼斯堡，如今這里已經(jīng)是俄羅斯的加里寧格勒市。1886年，中學(xué)畢業(yè)的索末菲以優(yōu)異的成績考入柯尼斯堡大學(xué)，主修的專業(yè)是數(shù)學(xué)，他幸運(yùn)地得到了德國著名數(shù)學(xué)家大衛(wèi)·希爾伯特的指導(dǎo)。1891年，索末菲在柯尼斯堡大學(xué)完成博士論文《數(shù)學(xué)物理中的任意函數(shù)》，并獲得了博士學(xué)位。隨后，索末菲服了兩年兵役。

1893年，索末菲在當(dāng)時(shí)德國的數(shù)學(xué)圣地哥廷根大學(xué)謀得了職位，擔(dān)任數(shù)學(xué)家菲利克斯·克萊因的助教，負(fù)責(zé)為克萊因的學(xué)生編寫講義。克萊因教授很多課程，既教數(shù)學(xué)，也教理論物理學(xué)和力學(xué)，他經(jīng)常向索末菲講述自己如何將高等數(shù)學(xué)應(yīng)用到物理問題之中，這激發(fā)了索末菲對物理的興趣。在克萊因的激勵(lì)下，1895年，索末菲發(fā)表了論文《衍射的數(shù)學(xué)理論》，將物理中的衍射問題轉(zhuǎn)化為計(jì)算數(shù)學(xué)積分。這一成果使索末菲在物理學(xué)界聲名鵲起，他來到亞琛工業(yè)大學(xué)，成為一名物理學(xué)教授。

1906年，索末菲已經(jīng)連續(xù)發(fā)表了一系列金屬電子學(xué)的理論以及化學(xué)中關(guān)于化合價(jià)的理論，他的聲譽(yù)已經(jīng)可以和玻爾茲曼、洛倫茲等人比肩。這一年夏天，索末菲接替玻爾茲曼成為慕尼黑大學(xué)理論物理研究所的所長和理論物理學(xué)教授。在這里，索末菲為量子力學(xué)等現(xiàn)代物理理論的誕生、發(fā)展與整合做出了決定性的貢獻(xiàn)，逐漸成為享譽(yù)世界的偉大物理學(xué)家。

作為理論物理學(xué)教授，索末菲非常關(guān)注最新的物理理論。1907年，索末菲開始支持并研究愛因斯坦的相對論，他用數(shù)學(xué)方法對相對論的表達(dá)形式做了改進(jìn)。1909年，在奧地利的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上，索末菲和愛因斯坦初次見面，一見如故。索末菲起初反對愛因斯坦在會(huì)議上發(fā)表的量子理論，但隨后他逐漸認(rèn)同了愛因斯坦的觀點(diǎn)，在1911年的首屆索爾維學(xué)術(shù)會(huì)議上的量子爭論中完全站在愛因斯坦一方。

1912年，索末菲對固體物理理論做出了重大貢獻(xiàn)，他建議學(xué)生兼助手勞厄探索電磁波在原子晶格中的行為。索末菲在與勞厄的討論中，提出X射線屬于電磁波波動(dòng)，這啟發(fā)了后者使用X射線來照射晶體。結(jié)果，勞厄的晶體衍射實(shí)驗(yàn)很成功，當(dāng)X射線穿過晶體時(shí)，產(chǎn)生漂亮的衍射圖樣。這一年，索末菲向慕尼黑科學(xué)院展示了X射線的波動(dòng)屬性，同時(shí)也展示了勞厄的實(shí)驗(yàn)。1914年，勞厄因此獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

擴(kuò)展玻爾原子模型

索末菲最重要的研究工作是擴(kuò)展了玻爾的原子模型。

1913年，索末菲在玻爾第一次發(fā)表關(guān)于玻爾原子模型的論文——《論原子和分子構(gòu)造》之后，立即對這篇論文進(jìn)行了仔細(xì)研讀。

玻爾原子模型是為了解決經(jīng)典原子模型的困難而提出的。按照經(jīng)典物理理論，電子繞原子核做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，將不斷向外輻射電磁波，損失能量，那么電子的軌道半徑應(yīng)該不斷縮小，最終落在原子核上，而且原子的發(fā)射光譜也應(yīng)該是連續(xù)譜。經(jīng)典理論的推論顯然是不符合實(shí)際的，事實(shí)上，大多數(shù)原子都非常穩(wěn)定，它們發(fā)射的電磁波光譜也是分離的譜線（非連續(xù)譜）。

為了解決理論與事實(shí)之間的矛盾，玻爾首次將量子的概念應(yīng)用到原子結(jié)構(gòu)上。玻爾原子模型的要點(diǎn)在于三個(gè)假設(shè)。首先，圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子的軌道是量子化的，電子只能在某些不連續(xù)的特定半徑的圓周上運(yùn)動(dòng)。其次，能量是量子化的，電子在不同半徑的軌道上，對應(yīng)著不同的穩(wěn)定狀態(tài)。不同的穩(wěn)定狀態(tài)具有不同的能量值，叫做能級。正常狀態(tài)下，原子處于最低的能級，這時(shí)電子位于距離原子核最近的軌道上，叫做基態(tài)。除了基態(tài)以外，能量較高的其他能級叫做激發(fā)態(tài)。第三，原子從一種穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到另一種穩(wěn)定狀態(tài)，只能發(fā)射或吸收特定的能量值，這個(gè)能量值的大小等于兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)的能級之間的差值，所以原子的光譜是一條條分離的譜線。