物理学中的大师之师阿诺尔德·索末菲

“无冕之王，大师之师”

在物理学史上，最巨大的物理学家们大都取得过物理学界的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。但是，也有少量物理学大师与诺贝尔奖坐失良机，德国理论物理学家阿诺尔德 索末菲算得上其中最了不得的一位。

索末菲的了不得体现在两个方面——“无冕之王”和“大师之师”。

索末菲之所以被称为“无冕之王”，是因为他崇高的学术位置。作为量子力学和原子物理学的创始人之一，索末菲是能够与普朗克、爱因斯坦、玻尔等人齐名的最顶尖的物理学家。在50年的学术生计里，索末菲为物理学做出了许多很重要的奉献，他推行了玻尔的氢原子模型，提出了角量子数和自旋量子数的概念，提出了精密结构常数而且创始了X射线动摇理论。这些科学奉献与其他的诺贝尔物理学奖得主的效果比较，一点都不差劲。

长期处于学术巅峰，索末菲一次又一次地得到诺贝尔奖评奖委员会的认可，在索末菲的终身中，他创纪录地一共取得了81次诺贝尔物理学奖提名（经常是一年取得不同专家的别离提名）。能够说，索末菲间隔终究得奖所差的仅仅一点点命运，他是物理学界当之无愧的“无冕之王”。

与普朗克、爱因斯坦等人比较，索末菲对物理学还有愈加出色的奉献，那便是他十分长于教学生。除了科学研讨，索末菲大部分的时刻都在教书育人，以他为核心成员的慕尼黑大学理论物理研讨所，呈现了闻名的“慕尼黑学派”。在索末菲的开掘和提拔下，“慕尼黑学派”的大批年青学者生长为出色的物理学家或许化学家，其中就包含海森堡、泡利、德拜等7位诺贝尔奖得主。这让索末菲成为物理学史上培育出最多诺贝尔奖得主的导师，因而他又有“大师之师”的美誉。

下面，咱们就来回忆一下这位巨大物理学家的终身。

从柯尼斯堡到慕尼黑

1868年12月5日，阿诺尔德·索末菲出生于德国东普鲁士城市柯尼斯堡，现在这儿现已是俄罗斯的加里宁格勒市。1886年，中学毕业的索末菲以优异的效果考入柯尼斯堡大学，主修的专业是数学，他幸运地得到了德国闻名数学家大卫·希尔伯特的辅导。1891年，索末菲在柯尼斯堡大学完结博士论文《数学物理中的恣意函数》，并取得了博士学位。随后，索末菲服了两年兵役。

1893年，索末菲在其时德国的数学圣地哥廷根大学谋得了职位，担任数学家菲利克斯·克莱因的助教，担任为克莱因的学生编写讲义。克莱因教授许多课程，既教数学，也教理论物理学和力学，他经常向索末菲叙述自己如何将高等数学应用到物理问题之中，这激发了索末菲对物理的爱好。在克莱因的鼓舞下，1895年，索末菲宣布了论文《衍射的数学理论》，将物理中的衍射问题转化为核算数学积分。这一效果使索末菲在物理学界声名鹊起，他来到亚琛工业大学，成为一名物理学教授。

1906年，索末菲现已接连宣布了一系列金属电子学的理论以及化学中关于化合价的理论，他的名誉现已能够和玻尔兹曼、洛伦兹等人比肩。这一年夏天，索末菲顶替玻尔兹曼成为慕尼黑大学理论物理研讨所的所长和理论物理学教授。在这儿，索末菲为量子力学等现代物理理论的诞生、开展与整合做出了决定性的奉献，逐步成为享誉国际的巨大物理学家。

作为理论物理学教授，索末菲十分重视最新的物理理论。1907年，索末菲开端支撑并研讨爱因斯坦的相对论，他用数学方法对相对论的表达形式做了改善。1909年，在奥地利的一次学术会议上，索末菲和爱因斯坦初次见面，一见如故。索末菲起先对立爱因斯坦在会议上宣布的量子理论，但随后他逐步认同了爱因斯坦的观念，在1911年的首届索尔维学术会议上的量子争辩中完全站在爱因斯坦一方。

1912年，索末菲对固体物理理论做出了重大奉献，他主张学生兼帮手劳厄探究电磁波在原子晶格中的行为。索末菲在与劳厄的评论中，提出X射线归于电磁动摇摇，这启发了后者运用X射线来照耀晶体。成果，劳厄的晶体衍射试验很成功，当X射线穿过晶体时，发生美丽的衍射图样。这一年，索末菲向慕尼黑科学院展现了X射线的动摇特点，一起也展现了劳厄的试验。1914年，劳厄因而取得了当年的诺贝尔物理学奖。

扩展玻尔原子模型

索末菲最重要的研讨工作是扩展了玻尔的原子模型。

1913年，索末菲在玻尔第一次宣布关于玻尔原子模型的论文——《论原子和分子结构》之后，立即对这篇论文进行了细心研读。

玻尔原子模型是为了处理经典原子模型的困难而提出的。依照经典物理理论，电子绕原子核做匀速圆周运动，将不断向外辐射电磁波，丢失能量，那么电子的轨迹半径应该不断缩小，终究落在原子核上，而且原子的发射光谱也应该是接连谱。经典理论的推论显然是不符合实践的，现实上，大多数原子都十分安稳，它们发射的电磁波光谱也是别离的谱线（非接连谱）。

为了处理理论与现实之间的对立，玻尔初次将量子的概念应用到原子结构上。玻尔原子模型的关键在于三个假定。首要，环绕原子核运动的电子的轨迹是量子化的，电子只能在某些不接连的特定半径的圆周上运动。其次，能量是量子化的，电子在不同半径的轨迹上，对应着不同的安稳状况。不同的安稳状况具有不同的能量值，叫做能级。正常状况下，原子处于最低的能级，这时电子坐落间隔原子核最近的轨迹上，叫做基态。除了基态以外，能量较高的其他能级叫做激发态。第三，原子从一种安稳状况跃迁到另一种安稳状况，只能发射或吸收特定的能量值，这个能量值的巨细等于两个安稳状况对应的能级之间的差值，所以原子的光谱是一条条别离的谱线。玻尔的原子模型是以电子的正圆形轨迹为根底的，它只能大致适用于氢原子，也便是只要一个电子的原子，无法解说氢原子光谱的精密结构（物理学家发现，氢原子光谱的某一条谱线其实是由两条或三条重合的谱线组成的），更无法解说具有多个电子的原子的行为。索末菲觉得，依据牛顿的理论，在原子核的中心力场中，电子的轨迹一般是椭圆的，如果在玻尔三个假定的根底上考虑椭圆轨迹，而且考虑电子在椭圆轨迹中运动时的相对论效应，或许能够改善玻尔理论的缺点。

1916年，索末菲提出了闻名的索末菲原子模型。经过引入代表电子角动量量子化的角量子数，能够将坐落同一能级但具有不同角动量的电子轨迹别离出来，而考虑到相对论以及电子的自旋（引入自旋量子数），能够进一步将本来的一个能级（其实包含着多个能级，仅仅物理学家没有将其分隔）分裂为多个精密能级，这就能够解说原子光谱的精密结构。别的，索末菲在自己的理论中引入了“精密结构常数”，用来衡量玻尔模型与考虑了相对论的索末菲模型之间的误差，后来，“精密结构常数”被大范围的应用于量子电动力学。

培育青年才俊

玻尔原子模型是玻尔取得1922年诺贝尔物理学奖的重要原因，索末菲的原子模型比较于玻尔模型是巨大的前进，但两者都应用了经典物理中“轨迹”的概念以及牛顿力学的理论，同归于不完全的量子理论。玻尔的理论在前，索末菲的改善在后，所以索末菲未能因而取得诺贝尔物理学奖。

不过，索末菲并没有太介意自己是否得奖，他持续以忘我的心态培育青年才俊。除了前文说到的劳厄，索末菲发现和提拔德拜、泡利和海森堡的比如，是物理学史上的美谈。

早在亚琛工业大学任教的时分，索末菲就发现了德拜，后来他到慕尼黑任教后，就将德拜带过来作为帮手。许多习题课直接交给德拜来上，给予后者极大的鼓动，也提高了德拜的学术自傲。德拜后来能在学术上敏捷提高，与索末菲给予他的信赖、自由是分不开的。海森堡仅仅一名大学二年级学生时，索末菲就鼓舞他将自己的学术主意写出来，并向搭档慎重引荐海森堡的论文。少年天才泡利，18岁中学毕业后，带着作为维也纳大学物理学教授的父亲的介绍信，来到慕尼黑大学找到索末菲，恳求不上大学直接做他的研讨生。索末菲不计较年纪，接受了泡利，对其尽心辅导，后者只要21岁时就顺畅拿到了博士学位。泡利成名后，在进行学术争辩时言语刻薄，不给对方情面，但只要一位物理学家从未被他批评且受他极度敬重，那便是他的导师索末菲。

在索末菲个人魅力的感化下，大批才华横溢的学生加入了他的团队，形成了物理学中闻名的“慕尼黑学派”。索末菲尽管终身从没取得诺贝尔物理学奖，但他对物理学的奉献，可谓巨大。