物理學中的“大師之師”

蘇美蘭

“無冕之王，大師之師”

在物理學史上，最偉大的物理學家們大都獲得過物理學界的最高榮譽——諾貝爾物理學獎。然而，也有少數(shù)物理學巨匠與諾貝爾獎失之交臂，德國理論物理學家阿諾爾德·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”，是因為他崇高的學術地位。作為量子力學和原子物理學的創(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家。在50年的學術生涯里，索末菲為物理學做出了許多非常重要的貢獻，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，提出了精細結構常數(shù)并且開創(chuàng)了X射線波動理論。這些科學貢獻與其他的諾貝爾物理學獎得主的成就相比，一點都不遜色。

長時間處于學術巔峰，索末菲一次又一次地得到諾貝爾獎評獎委員會的認可，在索末菲的一生中，他創(chuàng)紀錄地總共獲得了81次諾貝爾物理學獎提名（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所差的只是一點點運氣，他是物理學界名副其實的“無冕之王”。

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

下面，我們就來回顧一下這位偉大物理學家的一生。

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，中學畢業(yè)的索末菲以優(yōu)異的成績考入柯尼斯堡大學，主修的專業(yè)是數(shù)學，他幸運地得到了德國著名數(shù)學家大衛(wèi)·希爾伯特的指導。1891年，索末菲在柯尼斯堡大學完成博士論文《數(shù)學物理中的任意函數(shù)》，并獲得了博士學位。隨后，索末菲服了兩年兵役。

1893年，索末菲在當時德國的數(shù)學圣地哥廷根大學謀得了職位，擔任數(shù)學家菲利克斯·克萊因的助教，負責為克萊因的學生編寫講義?？巳R因教授很多課程，既教數(shù)學，也教理論物理學和力學，他經(jīng)常向索末菲講述自己如何將高等數(shù)學應用到物理問題之中，這激發(fā)了索末菲對物理的興趣。在克萊因的激勵下，1895年，索末菲發(fā)表了論文《衍射的數(shù)學理論》，將物理中的衍射問題轉化為計算數(shù)學積分。這一成果使索末菲在物理學界聲名鵲起，他來到亞琛工業(yè)大學，成為一名物理學教授。

1906年，索末菲已經(jīng)連續(xù)發(fā)表了一系列金屬電子學的理論以及化學中關于化合價的理論，他的聲譽已經(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理論物理研究所的所長和理論物理學教授。在這里，索末菲為量子力學等現(xiàn)代物理理論的誕生、發(fā)展與整合做出了決定性的貢獻，逐漸成為享譽世界的偉大物理學家。

作為理論物理學教授，索末菲非常關注最新的物理理論。1907年，索末菲開始支持并研究愛因斯坦的相對論，他用數(shù)學方法對相對論的表達形式做了改進。1909年，在奧地利的一次學術會議上，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議上發(fā)表的量子理論，但隨后他逐漸認同了愛因斯坦的觀點，在1911年的首屆索爾維學術會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，他建議學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，這啟發(fā)了后者使用X射線來照射晶體。結果，勞厄的晶體衍射實驗很成功，當X射線穿過晶體時，產(chǎn)生漂亮的衍射圖樣。這一年，索末菲向慕尼黑科學院展示了X射線的波動屬性，同時也展示了勞厄的實驗。1914年，勞厄因此獲得了當年的諾貝爾物理學獎。

擴展玻爾原子模型

索末菲最重要的研究工作是擴展了玻爾的原子模型。

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

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動，將不斷向外輻射電磁波，損失能量，那么電子的軌道半徑應該不斷縮小，最終落在原子核上，而且原子的發(fā)射光譜也應該是連續(xù)譜。經(jīng)典理論的推論顯然是不符合實際的，事實上，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之間的矛盾，玻爾首次將量子的概念應用到原子結構上。玻爾原子模型的要點在于三個假設。首先，圍繞原子核運動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動。其次，能量是量子化的，電子在不同半徑的軌道上，對應著不同的穩(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，這個能量值的大小等于兩個穩(wěn)定狀態(tài)對應的能級之間的差值，所以原子的光譜是一條條分離的譜線。