1951年6月25日，美國哥倫比亞廣播公司首次播放彩色電視節目，觀眾沉浸在絢麗畫面中，或許還未意識到，這正是量子力學在生活中的最新應用。而就在兩個月前，物理學家索末菲因車禍去世。他是現代理論物理的重要奠基人，為量子力學的發展做出了關鍵貢獻。一項技術開始改變生活，一位科學家告別了時代，科技發展在此安靜交匯。

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

時代的護航人

對于多數人來說，索末菲的開局已經是巔峰，因為他的老家叫柯尼斯堡，有一所著名的大學叫柯尼斯堡大學。18世紀在文化史上被稱為啟蒙運動的“柯尼斯堡世紀“，康德正是這所學校的著名校友，歐拉也在這里留下了著名的七橋問題。到了19世紀與20世紀，數學成為這所大學最為著名的學科，閔可夫斯基、希爾伯特等人在此熠熠生輝。因此，當索末菲于1886年進入這所大學時，他不出意外的選擇了數學作為自己的專業。

不出意外的，還是出意外了。選過專業的同學們都知道，自己往往會對其他專業感興趣。在大學期間，他與維切特（Emil Wiechert）私交頗深，這位大齡物理博士是最早進行x射線研究的人之一，索末菲的研究興趣也從一開始的純數學變成數學物理。當然數學物理在當時屬于是交叉學科，索末菲不知道自己畢業之后該從事哪方面的工作。他對此吐槽道：“這就是在學科邊緣工作的人的處境。數學家把我當成物理學家，而如果我成為物理學家，他們又可能把我當成數學家。”

▲索末菲在柯尼斯堡大學物理研究所的諧波分析儀前

雖然迷茫，但索末菲在事業初期遇到了前輩提攜，不用過多在這件事上憂慮。1894年，索末菲成為了克萊因的助手，他與克萊因一起從事《數學百科全書》的工作，并在克萊因的帶領下游遍歐洲，為百科全書選取最合適的作者。從后面的歷史看，索末菲的識人能力可比他對理論的識別能力高多了。在此過程中，他與一些物理學家建立了聯系，包括洛倫茲（1902年物理諾獎）、維恩（1911年物理諾獎）等人。索末菲越發覺得自己應該去解決物理問題，到了1905年，當一個數學教席向他發來邀請時，他回絕道：我是個物理學家。

在索末菲“成為”物理學家的1905年，愛因斯坦發表了自己關于相對論的論文。不過當時的相對論被理解為一種電子論，所以愛因斯坦的相對論被引入到一場電子論的論戰中：一方是亞伯拉罕理論，一方是洛倫茲-愛因斯坦理論。索末菲一開始站前者，并宣稱40歲以上老頭子才會支持后者。那時候他38歲，而被他歸于40歲以上群體的愛因斯坦才27歲。不過在詳細了解之后，索末菲發現相對論并不是電子論，并且開始主動給愛因斯坦寫信，還讓自己的學生一起參與到為相對論“平反”的過程中。這讓當時還是專利局員工的愛因斯坦非常感動：“從來沒有物理學家一開始就這么開放慷慨的接近我。”到了41歲那年，索末菲宣稱：“我改信相對論啦~！”

提攜完相對論后，索末菲又把眼光轉向量子力學。1913年，玻爾推出了自己的原子模型，索末菲很快就注意到了這個理論，并決定對波爾模型進行推廣與修正。索末菲將電子軌道變為橢圓，還將相對論效應用于描述電子，可稱得上最早將相對論與量子力學結合的科學家。他也順手解決了玻爾模型遇到的氫原子精細結構問題，提出了精細結構常數。如此這般，索末菲又保護了處于年幼時期的玻爾模型。在推廣的過程中，索末菲又引入了角量子數、磁量子數來方便量子力學的計算。1919年，索末菲的專著《原子結構和光譜》成為最早的量子物理學教科書之一，也被一些人稱為“原子物理學圣經”，索末菲當然就成為“量子教皇”。

▲索末菲與玻爾

諾獎的苦主

縱然索末菲見證了時代的變化并深度參與其中，并且還有精細結構常數這么偉大的發現，但他還是與諾貝爾獎失之交臂。不過他卻依然保持了一個關于諾獎的記錄：被提名為諾貝爾物理學獎最多的人，總共獲得84次提名。

一張圖可以直觀的體現出索末菲是多么受大家歡迎又被冷漠。縱軸是與別人一起提名但是自己沒有獲獎，可能是光環被別人掩蓋了；橫軸是單獨提名但未獲獎，一方面表現出其科學地位，但也顯示出委員會的偏見。很不幸，只有索末菲在兩項指標中遙遙領先，是到今天都無法解釋的“數據偏移”。

▲獨自在圖表右上角“遙遙領先”的索末菲

對此的解釋多種多樣：有人認為是索末菲一直沒有取得委員會指出的單一、偉大的成就，但是這沒法解釋共享諾獎；有人認為是索末菲的理論出現了建立在錯誤的基礎上影響影響了獲得諾獎，但是索末菲的諾獎級成果不只這一個。諾貝爾獎的檔案指出，卡爾·威廉·奧森 （Carl Wilhelm Oseen）認為索末菲研究理論不夠基本是重要原因，但只能解釋單次未能獲獎（順便一提，這是愛因斯坦光電效應的唯一提名人）。也有人因此導向了陰謀論： 在諾獎評委會中，曼內·西格巴恩（Manne Siegbahn）與索末菲的工作最為接近，或許是他認為自己在實驗方面的工作更應該獲獎，而索末菲的理論貢獻不那么重要，特別是西格巴恩的確在1924年獲獎了。問題是西格巴恩在1932年才成為諾獎委員會成員，到了1947年才成為主席。所以最終有人只能歸根于時運不濟，就像1929年那次一樣，獲得9次提名的索末菲哪能想到12票的德布羅意橫空出世呢。

▲其他未獲獎的灰色遠少于索末菲，奧托·斯特恩 （Otto Stern）提名82次，但是獲獎了

當然有一點我們需要明確，索末菲所獲得的84項提名中，并非全都出于索末菲的物理學成就，有一些提名的原因出于他在物理學教育以及物理學界的地位而提名的。比如1949年的提名其中一個理由就是表揚“他在教育一代領袖物理學家包括許多已經被授予諾貝爾獎的物理學家多方面的絕佳技能”。甚至馬德隆（Erwin Madelung）在提名玻恩的時候還要提上一嘴來贊揚索末菲。看來諾獎的確是需要一個終身成就獎。

索末菲來了，實驗室的天晴了

在提名中對索末菲“人情世故”式的表揚可以看出他在物理學界的地位，這個地位不僅是自己研究帶來的，也是學生們一起抬高的，畢竟他的博士生當中至少有4個諾獎，博后中有3個，助手中有1個。在這些人中，有一人名海森堡，一人名泡利，但是索末菲最喜歡的是德拜（Peter Debye）。

德拜是索末菲的第一個博士生，當年還沒當物理學家時，索末菲就想把他推薦給維恩讀博士，沒想到自己后來成了德拜的博導。索末菲對學生的教育比較開放又富有特色，他提倡同學們在課堂內外辯論相對論等話題。午后的同學們經常聚集在一家咖啡館中討論問題，這里很快就變成了一個研討會，大理石桌子成了黑板，外地來訪問的物理學家也常常參與其中。比如1908年，愛因斯坦對索末菲說：“如果我在慕尼黑有時間就去聽你的課，好充實自己數學物理知識。”眾多老師的參與讓索末菲的學生格外受益。到了冬天，索末菲會帶大家到山間滑雪，以便學生們更加輕松地和自己討論問題。當然更大的原因可能是索末菲自己非常愛滑雪。

▲1909年，索末菲在滑雪（sommerfeld.userweb）

研討會很快就成長起來，新來的學生逐漸聽不懂內容，他們請求開一個入門級的研討會，不讓索末菲參加，德拜講就行，這樣學生就不會因為教授在場不敢提問了。此時的德拜已然是一個大師兄的做派了。在之后的時光的中，德拜給人的印象都是能夠對每個向他尋求建議或有問題的人都保持友好與耐心。

▲德拜家鄉的偶極矩紀念碑

海森堡與泡利的故事也很有意思。對于海森堡這樣的“刺頭”來說，索末菲一方面讓他發揮自己的才能去證明自己的猜想，一方面又給他一些難題，所以海森堡的博士論文解決的主題是湍流（到現在還是極端難題）。對于泡利而言，索末菲對他的數學邏輯要求格外嚴格，這或許是后來泡利能夠成為“毒舌之王”的重要原因。泡利因自己的性格處處碰壁，索末菲也盡力為他爭取機會，在推薦上如此寫道：“他對物理本質的洞察無人能及”。因此在所有人面前都直言不諱的泡利在索末菲面前非常“溫順”，認為“索末菲是唯一讓我愿意耐心修改論文的人。”據說每當索末菲走進泡利的辦公室，泡利就會站起來向導師行禮，對泡利的學生來說，那時的實驗室一定特別明亮。

▲泡利與索末菲（ETH library）

海森堡與泡利的成就與玻爾也有很大關系，而二人能很快地與玻爾建立關系，則賴于索末菲與玻爾的密切關系。對于索末菲而言，他不僅熟悉自己弟子們的才能，也知道他們應該去哪里，這是門下有如此多諾獎重要原因。這種培養成果讓玻爾和愛因斯坦都極為羨慕。玻爾稱贊他：我記得有幾例他成功幫助年輕人立足，而我卻未能做到。而愛因斯坦更為直接：你仿佛從土壤里面培養出大批青年才俊。除卻諾獎之外，索末菲還有二十多名學生在物理學上做出了突出成就，讓當時德國三分之一的物理學教授出自索末菲名下，在20世紀的物理學史上留下了“索末菲學派”的傳說。

▲1912年，索末菲正在進行研討會

索末菲的可惜或許也為物理學界和諾貝爾委員會敲響了警鐘，不能再因為自己的偏見讓一些有卓越成就的物理學家未能獲獎。當朗道在1962年出車禍之后，當年的諾貝爾物理學獎火速頒給了朗道。這也是一個在物理學史上有卓越成就，教出卓越學生形成一個學派的物理學家，當然，也比較愛開組會。

參考文獻

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, M?rker 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，方在慶，何鈞主譯。阿諾爾德?索末菲傳：原子物理學家和文化信使 [M]. 長沙：湖南科學技術出版社，2018.

9.（匈）豪尓吉陶伊（Hargittai，I.）著；節艷麗譯. 通往斯德哥爾摩之路 諾貝爾獎、科學和科學家[M]. 上海：上海科技教育出版社, 2007.09.

本文轉載自《墨子沙龍》微信公眾號

《物理》50年精選文章