学生都是诺奖而自己不是，索末菲：这对吗？| 科学八卦史（五）

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1951年6月25日，美国哥伦比亚广播公司首次播放彩色电视节目，观众沉浸在绚丽画面中，或许还未意识到，这正是量子力学在生活中的最新应用。而就在两个月前，物理学家索末菲因车祸去世。他是现代理论物理的重要奠基人，为量子力学的发展做出了关键贡献。一项技术开始改变生活，一位科学家告别了时代，科技发展在此安静交汇。

▲索末菲（Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld，1868-1951） 


时代的护航人




对于多数人来说，索末菲的开局已经是巅峰，因为他的老家叫柯尼斯堡，有一所著名的大学叫柯尼斯堡大学。18世纪在文化史上被称为启蒙运动的“柯尼斯堡世纪“，康德正是这所学校的著名校友，欧拉也在这里留下了著名的七桥问题。到了19世纪与20世纪，数学成为这所大学最为著名的学科，闵可夫斯基、希尔伯特等人在此熠熠生辉。因此，当索末菲于1886年进入这所大学时，他不出意外的选择了数学作为自己的专业。


不出意外的，还是出意外了。选过专业的同学们都知道，自己往往会对其他专业感兴趣。在大学期间，他与维切特（Emil Wiechert）私交颇深，这位大龄物理博士是最早进行x射线研究的人之一，索末菲的研究兴趣也从一开始的纯数学变成数学物理。当然数学物理在当时属于是交叉学科，索末菲不知道自己毕业之后该从事哪方面的工作。他对此吐槽道：“这就是在学科边缘工作的人的处境。数学家把我当成物理学家，而如果我成为物理学家，他们又可能把我当成数学家。”

▲索末菲在柯尼斯堡大学物理研究所的谐波分析仪前
虽然迷茫，但索末菲在事业初期遇到了前辈提携，不用过多在这件事上忧虑。1894年，索末菲成为了克莱因的助手，他与克莱因一起从事《数学百科全书》的工作，并在克莱因的带领下游遍欧洲，为百科全书选取最合适的作者。从后面的历史看，索末菲的识人能力可比他对理论的识别能力高多了。在此过程中，他与一些物理学家建立了联系，包括洛伦兹（1902年物理诺奖）、维恩（1911年物理诺奖）等人。索末菲越发觉得自己应该去解决物理问题，到了1905年，当一个数学教席向他发来邀请时，他回绝道：我是个物理学家。


在索末菲“成为”物理学家的1905年，爱因斯坦发表了自己关于相对论的论文。不过当时的相对论被理解为一种电子论，所以爱因斯坦的相对论被引入到一场电子论的论战中：一方是亚伯拉罕理论，一方是洛伦兹-爱因斯坦理论。索末菲一开始站前者，并宣称40岁以上老头子才会支持后者。那时候他38岁，而被他归于40岁以上群体的爱因斯坦才27岁。不过在详细了解之后，索末菲发现相对论并不是电子论，并且开始主动给爱因斯坦写信，还让自己的学生一起参与到为相对论“平反”的过程中。这让当时还是专利局员工的爱因斯坦非常感动：“从来没有物理学家一开始就这么开放慷慨的接近我。”到了41岁那年，索末菲宣称：“我改信相对论啦~！”


提携完相对论后，索末菲又把眼光转向量子力学。1913年，玻尔推出了自己的原子模型，索末菲很快就注意到了这个理论，并决定对波尔模型进行推广与修正。索末菲将电子轨道变为椭圆，还将相对论效应用于描述电子，可称得上最早将相对论与量子力学结合的科学家。他也顺手解决了玻尔模型遇到的氢原子精细结构问题，提出了精细结构常数。如此这般，索末菲又保护了处于年幼时期的玻尔模型。在推广的过程中，索末菲又引入了角量子数、磁量子数来方便量子力学的计算。1919年，索末菲的专著《原子结构和光谱》成为最早的量子物理学教科书之一，也被一些人称为“原子物理学圣经”，索末菲当然就成为“量子教皇”。

▲索末菲与玻尔
 


诺奖的苦主


 
纵然索末菲见证了时代的变化并深度参与其中，并且还有精细结构常数这么伟大的发现，但他还是与诺贝尔奖失之交臂。不过他却依然保持了一个关于诺奖的记录：被提名为诺贝尔物理学奖最多的人，总共获得84次提名。 


一张图可以直观的体现出索末菲是多么受大家欢迎又被冷漠。纵轴是与别人一起提名但是自己没有获奖，可能是光环被别人掩盖了；横轴是单独提名但未获奖，一方面表现出其科学地位，但也显示出委员会的偏见。很不幸，只有索末菲在两项指标中遥遥领先，是到今天都无法解释的“数据偏移”。

▲独自在图表右上角“遥遥领先”的索末菲


对此的解释多种多样：有人认为是索末菲一直没有取得委员会指出的单一、伟大的成就，但是这没法解释共享诺奖；有人认为是索末菲的理论出现了建立在错误的基础上影响影响了获得诺奖，但是索末菲的诺奖级成果不只这一个。诺贝尔奖的档案指出，卡尔·威廉·奥森 （Carl Wilhelm Oseen）认为索末菲研究理论不够基本是重要原因，但只能解释单次未能获奖（顺便一提，这是爱因斯坦光电效应的唯一提名人）。也有人因此导向了阴谋论： 在诺奖评委会中，曼内·西格巴恩（Manne Siegbahn）与索末菲的工作最为接近，或许是他认为自己在实验方面的工作更应该获奖，而索末菲的理论贡献不那么重要，特别是西格巴恩的确在1924年获奖了。问题是西格巴恩在1932年才成为诺奖委员会成员，到了1947年才成为主席。所以最终有人只能归根于时运不济，就像1929年那次一样，获得9次提名的索末菲哪能想到12票的德布罗意横空出世呢。

▲其他未获奖的灰色远少于索末菲，奥托·斯特恩 （Otto Stern）提名82次，但是获奖了


当然有一点我们需要明确，索末菲所获得的84项提名中，并非全都出于索末菲的物理学成就，有一些提名的原因出于他在物理学教育以及物理学界的地位而提名的。比如1949年的提名其中一个理由就是表扬“他在教育一代领袖物理学家包括许多已经被授予诺贝尔奖的物理学家多方面的绝佳技能”。甚至马德隆（Erwin Madelung）在提名玻恩的时候还要提上一嘴来赞扬索末菲。看来诺奖的确是需要一个终身成就奖。




索末菲来了，实验室的天晴了




在提名中对索末菲“人情世故”式的表扬可以看出他在物理学界的地位，这个地位不仅是自己研究带来的，也是学生们一起抬高的，毕竟他的博士生当中至少有4个诺奖，博后中有3个，助手中有1个。在这些人中，有一人名海森堡，一人名泡利，但是索末菲最喜欢的是德拜（Peter Debye）。


德拜是索末菲的第一个博士生，当年还没当物理学家时，索末菲就想把他推荐给维恩读博士，没想到自己后来成了德拜的博导。索末菲对学生的教育比较开放又富有特色，他提倡同学们在课堂内外辩论相对论等话题。午后的同学们经常聚集在一家咖啡馆中讨论问题，这里很快就变成了一个研讨会，大理石桌子成了黑板，外地来访问的物理学家也常常参与其中。比如1908年，爱因斯坦对索末菲说：“如果我在慕尼黑有时间就去听你的课，好充实自己数学物理知识。”众多老师的参与让索末菲的学生格外受益。到了冬天，索末菲会带大家到山间滑雪，以便学生们更加轻松地和自己讨论问题。当然更大的原因可能是索末菲自己非常爱滑雪。

▲1909年，索末菲在滑雪（sommerfeld.userweb）


研讨会很快就成长起来，新来的学生逐渐听不懂内容，他们请求开一个入门级的研讨会，不让索末菲参加，德拜讲就行，这样学生就不会因为教授在场不敢提问了。此时的德拜已然是一个大师兄的做派了。在之后的时光的中，德拜给人的印象都是能够对每个向他寻求建议或有问题的人都保持友好与耐心。

▲德拜家乡的偶极矩纪念碑


海森堡与泡利的故事也很有意思。对于海森堡这样的“刺头”来说，索末菲一方面让他发挥自己的才能去证明自己的猜想，一方面又给他一些难题，所以海森堡的博士论文解决的主题是湍流（到现在还是极端难题）。对于泡利而言，索末菲对他的数学逻辑要求格外严格，这或许是后来泡利能够成为“毒舌之王”的重要原因。泡利因自己的性格处处碰壁，索末菲也尽力为他争取机会，在推荐上如此写道：“他对物理本质的洞察无人能及”。因此在所有人面前都直言不讳的泡利在索末菲面前非常“温顺”，认为“索末菲是唯一让我愿意耐心修改论文的人。”据说每当索末菲走进泡利的办公室，泡利就会站起来向导师行礼，对泡利的学生来说，那时的实验室一定特别明亮。 

▲泡利与索末菲（ETH library）


海森堡与泡利的成就与玻尔也有很大关系，而二人能很快地与玻尔建立关系，则赖于索末菲与玻尔的密切关系。对于索末菲而言，他不仅熟悉自己弟子们的才能，也知道他们应该去哪里，这是门下有如此多诺奖重要原因。这种培养成果让玻尔和爱因斯坦都极为羡慕。玻尔称赞他：我记得有几例他成功帮助年轻人立足，而我却未能做到。而爱因斯坦更为直接：你仿佛从土壤里面培养出大批青年才俊。除却诺奖之外，索末菲还有二十多名学生在物理学上做出了突出成就，让当时德国三分之一的物理学教授出自索末菲名下，在20世纪的物理学史上留下了“索末菲学派”的传说。

▲1912年，索末菲正在进行研讨会


索末菲的可惜或许也为物理学界和诺贝尔委员会敲响了警钟，不能再因为自己的偏见让一些有卓越成就的物理学家未能获奖。当朗道在1962年出车祸之后，当年的诺贝尔物理学奖火速颁给了朗道。这也是一个在物理学史上有卓越成就，教出卓越学生形成一个学派的物理学家，当然，也比较爱开组会。


参考文献
1.Smart A G. How to almost win the physics Nobel[J]. 2016.
2.Smart A G, Grant A, Stasiewicz G. Physics Nobel nominees, 1901–66[J]. 2017.3.Eckert M. Arnold Sommerfeld: Science, Life and Turbulent Times 1868-1951[M]. Springer Science & Business Media, 2013.4.Born M. Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld 1868-1951[J]. 1952.5.Mukunda N. Arnold Sommerfeld: physicist and teacher beyond compare[J]. Resonance-Journal of Science Education, 2015, 20(5): 374-379.6.Eckert M, Märker K. Arnold Sommerfeld[J]. Wissenschaftlicher Briefwechsel, 2004, 2: 1919-1951.7.Mukunda N. Arnold Sommerfeld: physicist and teacher beyond compare[J]. Resonance-Journal of Science Education, 2015, 20(5): 374-379.8.埃克特著，方在庆，何钧主译。阿诺尔德・索末菲传：原子物理学家和文化信使 [M]. 长沙：湖南科学技术出版社，2018.9.（匈）豪尓吉陶伊（Hargittai，I.）著；节艳丽译. 通往斯德哥尔摩之路 诺贝尔奖、科学和科学家[M]. 上海：上海科技教育出版社, 2007.09.