马克斯·玻恩——连接经典时代物理与近代物理的思想桥梁

作者: 曹则贤

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2024-04-16 11:36:59

马克斯·玻恩是20世纪著名物理学家,他在量子力学的发展中起到了关键作用,特别是在矩阵力学的创立和波函数的概率诠释方面。玻恩不仅自己学术成就卓越,还培养了一批杰出的学生和助手,包括多位诺贝尔奖得主。他的学术生涯跨越了多个国家,对物理学的发展产生了深远影响。

马克斯·玻恩(1882—1970)出生于西里西亚的布莱斯劳(Breslau,现属波兰),1901年入布莱斯劳大学,然后经海德堡大学、苏黎世大学于1904年转入哥廷恩大学,于1906年在哥廷恩大学获博士学位。玻恩的博士学位导师为Carl Runge,学位答辩的考官,数学方向的考官为David Hilbert,而玻恩所选的副科是天文学,考官为Woldemar Voigt。

玻恩拿到博士学位后的第一个工作是希尔伯特的物理助手,其后,玻恩到剑桥在拉莫、汤姆孙手下工作了半年,1908年玻恩在老家布莱斯劳跟着Otto Lummer和Ernst Pringsheim学习实验物理,年底回到哥廷恩跟着闵可夫斯基研究相对论。1909年,玻恩通过了Habilitation,获得了Venia Legendi。

玻恩所作的Habilitation报告,主题是汤姆孙的原子模型,被闵可夫斯基评价为是“我这辈子听过的最糟糕的报告”。1912年,玻恩在哥廷恩大学获得私俸讲师职位,1914—1915在法兰克福大学做编外教授,1915年做柏林大学的编外教授,在这里和普朗克、爱因斯坦以及能斯特合作过,1919年在法兰克福大学获得正式教授位置,1921—1933年间一直在哥廷恩大学做教授。

1933年,玻恩举家移民到英国,先在剑桥大学谋得一个讲师职位,1936年起在爱丁堡大学获得一个教授位置。1953年,玻恩回到德国,靠退休金生活直到1970年辞世。

玻恩求学期间接触到了太多的学术巨擘,包括著名的哥廷恩数学三驾马车希尔伯特、克莱因与闵可夫斯基,本人独立工作后迅速取得巨大成就,且涉猎范围极为广泛。这让玻恩很早就有了很高的学术地位。

玻恩先是研究原子晶格的理论,到1915年就写出了经典之作《晶格动力学》。此方向上后来有Born—von Kármán模型,此为固体声子理论的基础。再后来,有晶格动力学理论中的Born—Huang近似。

以玻恩名字命名的概念有很多,本文未能加以说明的包括Born approximation,Born coordinates,Born equation,Born reciprocity,Born rigidity,Born series,Born square,Born—Landée quation,Born—Infeld theory,Born—Haber cycle,Cauchy—Born rule,等等,感兴趣的读者请自行参阅相关文献。

玻恩一生著述甚丰,其中许多是经典。至于影响,那可不好评估,因为时间还在流逝。

玻恩的纯学术著作列表大致如下:(1) Dynamik der Kristallgitter (晶格动力学),Teubner (1915);(2) Die Relativitätstheorie Einsteins und ihre physikalischen Grundlagen (爱因斯坦的相对论及其物理基础),Springer (1920);(3) Vorlesungen über Atommechanik (原子力学讲义),Springer (1925). 英译本为 J. W. Fisher(transl.),Mechanics of the Atom,George Bell & Sons (1927);(4) Problems of Atomic Dynamics,MIT Press(1926);(5) Pascual Jordan,Max Born,Elementare Quantenmechanik (Zweiter Band der Vorlesungen über Atommechanik),Springer (1930)。

这本约当与玻恩合著的《基础量子力学》(原子力学讲义的第二卷)如其名,计划是写两本的,但只出了这卷,是关于矩阵力学的!原计划的第二册是关于薛定谔的波动力学的,但玻恩认为外尔已经捷足先登了。(6) Optik: Ein Lehrbuch der elektromagnetische Lichttheorie (光学—电磁的光理论教程),Springer(1933)。

(7) Experiment and Theory in Physics,Cambridge University Press (1943)。(8) Natural Philosophy of Cause and Chance,Oxford University Press (1949)。

(9) H. S. Green,Max Born,A General Kinetic Theory of Liquids,Cambridge University Press(1949)。(10) Kun Huang,Max Born,Dynamical Theory of Crystal Lattices,Clarendon Press (1954)。

(11) Physics in My Generation: A Selection of Papers,Pergamon (1956); 德文版为 Physik im Wandel meiner Zeit,Vieweg(1957)。(12) Emil Wolf,Max Born,Principles of Optics,Pergamon(1959)。

玻恩名下的学生,按照维基百科所列有19人,这其中有不少都是对物理学做出重要贡献的人物,包括:(1) 迈耶(Maria Goeppert-Mayer,1906—1972,女),因提出原子核壳层模型而获得1963年度诺贝尔物理奖;(2) 奥本海默(Robert Oppenheimer,1904—1967),曼哈顿计划的首席科学家。

奥本海默的博士论文留下了玻恩—奥本海默近似;(3) 洪特(Friedrich Hund,1896—1997),以原子物理的洪特规则而著名。量子隧穿效应也是洪特作为一个量子力学习题而提出来的;(4) 弗吕格(Siegfried Flügge,1912—1997),因其1947年出版的Rechen methoden der Quantentheorie (量子理论的计算方法)一书而闻名。

该书是收录入Classics in mathematics的宝典。它的英文译本为Practical Quantum Mechanics,由此而来的中译本名为《实用量子力学》。算以讹传讹吧。

玻恩的研究助手蔚为壮观,除了和他一起创立矩阵力学的海森堡、约当,以及有用自己名字命名的量子力学方程的泡利以外,其他的也都是大名鼎鼎的物理学家。

据不完全统计,玻恩的助手还有:(1) 斯特恩(Otto Stern,1888—1969),就是那个Stern—Gerlach实验中的Stern,1944年“因对发展分子束方法和发现质子磁矩的贡献”而获得1943年度的诺贝尔物理奖;(2) 费米(Enrico Fermi,1901—1954),Fermi—Dirac统计中的Fermi,被誉为最后一个理论物理和实验物理都精通的人,1938年因“中子轰击诱导放射性以及发现超铀元素”获得诺贝尔物理奖;(3) 洪特,Hund定则里的那个Hund。

洪特诠释了双原子分子的带状谱。和洪特一样,约当也是玻恩的学生与助手;(4) 赫茨堡(Gerhard Herzberg,1904—1999),因“对获得电子结构的知识与分子特别是自由基的几何的贡献”获得1971年的诺贝尔化学奖。

赫茨堡的《原子结构与原子谱》与《分子结构与分子谱》(四卷本)是经典;(5) 泰勒(Edward Teller,1908—2003),Jahn—Teller效应中的Teller,被誉为氢弹之父;(6) 罗森菲尔德(Léon Rosenfeld,1904—1974),Belinfante—Rosenfeld应力—能量张量里的Rosenfeld。

他造了轻子(lepton)一词;(7) 维格纳(Eugene Wigner,1902—1995),Wigner—Seitz单胞、Wigner—Weyl变换、Jordan—Wigner变换里的Wigner。维格纳和外尔把群论引入了量子力学,确立了后来以量子命名的一些学问的研究基调。维格纳因“对原子核和基本粒子理论的贡献”获得了1963年的诺贝尔物理奖。他妹婿是P. A. M. Dirac。

玻恩在英国期间还有助手E. Walter Kellermann和福克斯(Klaus Fuchs,1911—1988)。玻恩的学生中有3个中国人,分别为程开甲、彭桓武和杨立铭,其中前两位后来都被我国授予“两弹一星功勋奖章”。

另有一位中国青年黄昆在1947年的假期到玻恩那里短暂工作过,玻恩给他看了正在撰写的Dynamical Theory of Crystal Lattices (晶格动力学理论)一书的几章草稿。这本书,玻恩1940年原计划是在他1915年德语版的Dynamik der Kristallgitter (晶格动力学)的基础上纳入量子力学新进展写成一个英文扩展版的。

因为玻恩事务繁忙,这本书就一拖再拖延宕了7年都未能完工。黄昆那时本就是固体物理大家莫特(Nevill Mott,1905—1996)的博士生,表示有兴趣参与这本书的撰写,玻恩还真就把这本书的撰写托付给了他。1954年,这本书正式出版,后来成了世界范围内固体物理领域的经典之作。黄昆先生对中国半导体事业的发展有重要影响。

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