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好莱坞明星李奥纳多·迪卡普里奥曾经5次被提名奥斯卡奖，最终凭借《荒野猎人》一剧斩获奥斯卡影帝，算是圆了他的演艺梦。但是在物理史上还有一个更悲情的人，他曾先后被不同的评委提名了81次诺贝尔奖的有效候选人（也有说84次的，总之是非常多次），然而却一次都没拿到诺贝尔物理学奖，其悲催程度远远超过小李子的5次。虽然如此，他教出的学生却有一批都获得了诺贝尔奖，真是没有状元老师，只有状元学生啊。今天我们就来一起了解一下这位物理学界的小李子--德国物理学家、量子力学和原子物理学的开山祖师之一--索末菲。  阿诺德·索末菲 阿诺德·索末菲于1868年出生在东普鲁士的柯尼斯堡（现在俄罗斯的加里宁格勒，就是当年欧拉搞出七桥问题的那个地方，著名的柯尼斯堡大学所在地。实际上柯尼斯堡还是中欧理论物理的发源地，后来德国的第一个数学和物理研究所就诞生在那里）。中学时代，索末菲和维恩（我们在以前说到过）是同学。1886年，索末菲进入柯尼斯堡大学学习，主修数学。当时索末菲对应用数学产生了浓厚的兴趣，他运用汤姆逊（开尔文勋爵）的数学物理理论对麦克斯韦的电磁场方程进行了概述，顺便把自己的研究方向从林德曼的数论领域跳到了汤姆逊的数学对物理的应用研究方向。在学校期间，索末菲还研究过电磁波的物理特性和关于旋转陀螺的理论，而且对于应用复变函数理论解决边界问题也颇有造诣。1891年，索末菲在沃尔克曼的指导下，完成了数学物理方面的博士论文，获得博士学位。1893-1894年间，索末菲在哥廷根的矿物研究所担任克莱因的助手，后来在1897年去了克劳斯塔尔矿业学校担任数学教授。1900年的时候，因为克莱因的推荐，他在亚琛技术学院担任工程力学的教授，并于1906年起担任慕尼黑大学理论物理学的教授。后来还主持建立了理论物理研究所，并一直担任研究所的所长。  柯尼斯堡大学 1913年，玻尔结合普朗克的量子概念、里德伯-里兹的组合原则和卢瑟福的关于原子的核式结构模型，阐述了氢原子结构的半经典理论，并把他《关于原子构造和分子构造》的论文寄给了卢瑟福。不久后，论文分三部分在英国著名的刊物《哲学杂志》上发表，史称"伟大的三部曲"。三部曲的第一部分是从关于原子中电子的束缚过程的普遍考虑开始的，而且叙述了在计算中用到的主要假设--定态的存在和频率条件：即原子核外的电子，只能在一系列无辐射的定态轨道上运动，并强调这种特殊的力学平衡状态可以用经典力学方法处理。第二部分，考察了多电子原子的理论，特别是它们的稳定性。即当一个原子从一个能量定态跃迁到另一个能量定态时，就产生（或吸收）辐射，辐射频率与跃迁始末的两个定态能量之间存在一定的关系。第三部分，玻尔通过经典物理学和普朗克的作用量子设想，氢原子核外电子角动量应是量子化的，并假定了轨道角动量量子化条件，并由此给出电子定态轨道上的总能量公式。玻尔理论的重大成就是把光谱观测的许多事实纳入了一个统一的理论体系。更重要的是，这一理论明白地指出了经典物理学对于原子内部现象的不适用性，并向反映微观客体的量子规律迈出了重要的第一步。玻尔原子理论是建立在核外电子运动的圆轨道上，该理论在解释氢光谱和较重元素的X射线谱方面获得巨大成功。但索末菲清楚地看出：玻尔原子理论在某些方面显示出一种缺陷。也就是说，如果人们承认非圆形的轨道，就会出现问题，索末菲准备通过深化量子假说来弥补这一缺陷。他经过两年多时间努力，把玻尔原子理论推广到多自由度的电子运动而得到了重要的进展。 索末菲的椭圆轨道理论将氢原子中电子绕核运动假设为椭圆轨道，平面椭圆轨道有两个自由度，需要两个量子化条件，空间椭圆轨道则需要3个量子化条件。索末菲采用推广了的玻尔量子化条件，得出氢原子系统的能量是量子化的，仍由主量子数n确定，与玻尔理论结果相同，而氢原子的角动量由角量子数确定，相同主量子数不同椭圆轨道上的角动量不同，且是量子化的，椭圆形状也是量子化的；在三维情形下，椭圆轨道以及角动量的空间取向也是量子化的。索末菲还进而考虑电子在椭圆轨道上运动速度变化引起的相对效应，得出氢原子能级的精细结构，与实验结果相符。在这点上，索末菲被称为原子物理学的开山祖师之一还是名副其实的。不过，据说这也引起了玻尔的不快，玻尔认为索末菲这是到自己的篮子里来拿东西。据说这也是他们两个后来不睦的原因。但是不论是玻尔的原子理论还是索末菲的椭圆轨道，都存在着一个缺陷：它只能够预测最简单的原子光谱，而不能用来解释原子别的一些特性，如顺磁性、极性、三维构造等。后来索末菲的两个弟子沃尔夫冈·泡利和维纳·海森伯将这个理论又重新修订了，不过那是后话。  索末菲得到的电子的相对论能量公式 索末菲是一个理论物理的教授，主业自然是教课了（当然了有些理论物理的教授的主业并不是教课，比如爱因斯坦。据说爱因斯坦讲课几乎没人爱听）。索末菲讲课讲得怎么样，我们并不清楚，但是在他那里求学过的学生后来有一大批都成了物理学教授，还有不少拿到了诺贝尔奖，并在物理学界形成了一个"索末菲学派"。索末菲常常对他的弟子说："如果你想成为物理学家，你必须做三件事情；第一，学习数学；第二，学习更多的数学；第三，坚持这样做。"索末菲的学生包括海森堡（1932年诺贝尔物理学奖）、泡利（1945年度的诺贝尔物理学奖）、德拜（1936年度诺贝尔化学奖）、贝特（1967年度诺贝尔物理学奖）、克拉默（2000年度诺贝尔物理学奖）、鲍林（1954年诺贝尔化学奖和1962年诺贝尔和平奖），还有曾经获得诺贝尔奖提名的人：弗洛里希。另外还有一大批在物理学界有着显赫成就的物理学家，包括爱瓦尔德、拉比、爱泼斯坦、劳厄、吉尔曼、朗德、派尔斯、文策、海特勒等人都是索末菲的学生。传说对自己的学生极其严格的泡利在见到索末菲的时候总是极其敬重，一生都在索末菲的面前谨守弟子礼仪。后来泡利的一个学生--奥地利物理学家--韦斯科夫曾经记载过这样一个场景：只有一个人，泡利对他的反应是不同的。当索末菲--泡利以前的导师--来到苏黎世访问时，一切都变的不一样了。泡利嘴里的话就变成了："是，枢密顾问先生。是，那是最有趣的。是，虽然我也许会倾向于稍稍不同的表述。是，我可不可以这样来表述？"  黑板前的索末菲，黑板上画的是索末菲模型 索末菲有强烈的正义感，对科学无比真诚。他对当时纳粹德国的反犹太运动，以及由此用来统治德国科学家的"德意志物理学"毫不畏缩地表明了自己不同的立场，因而受到当时当权人物的压制和打击。当他在1935年到退休年龄时，非常希望海森堡能继任他的职位，但却遭到阻碍和拖延。1951年，索末菲因车祸在慕尼黑去世，享年83岁。 预告一下，下期人物：佩兰 |
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