1．4 一场竞赛

但学生时代的即将结束无疑提醒这个“时髦的学生”，除了在日耳曼尼娅决斗场地的决斗外，他还要应对其他挑战。他回忆起大学的最后一个学期时说：“听了希尔伯特关于理想论的课，我觉得自己对极抽象的数学领域特别感兴趣。”“理想论”是抽象代数的一部分。当时希尔伯特恰好决定进一步发展这一领域。矾他有机会在课堂上向少数几个学生传达在纯数学最高领域做研究的感受。而索末菲自己却走上了通往应用数学这块低地的科学之路。这因“柯尼斯堡物理一经济协会”主办的一次有奖征答而起。问题如下：“协会希望能尽可能丰富柯尼斯堡对地表温度的观测在理论上的应用，以了解地球温度变化及其原因。”获胜者将得到300马克的奖金。

一名县长在1790年建立了“物理一经济协会”，最初希望以此促进东普鲁士的农业发展。他的传记作者将他描述为一个立志“提高祖国农业”的人。这解释了这个协会名称中的定语“经济的”，因为这个词在18世纪主要指农业及其相关物。与之相应，东普鲁士的地主是最初的赞助者。其章程宣称“协会旨在教育大众自然世界多物种的相关知识，促进自然世界物种的繁荣”，同时“它致力于推进农业、经济和所有相关科学(主要是自然科学)的发展”。“纵观其历史进程，“物理一经济协会”历经多次变迁。它的历史研究者将之划为四个时期：它在前25年完全致力于农业；1814年至1829年被称为“文学”时期；接着是一直持续到1858年的“大众科学”时期；随后自然科学才作为组织的重点脱颖而出。随着一个用于测量柯尼斯堡植物园地温的工作站在1872年的建立，“促进科学工作，尤其是那些关系到东普鲁士省的工作”被付诸实践。

“物理经济协会”的这些倡议与柯尼斯堡大学的诺伊曼的志向不谋而合，他在很久之前就已将温度测量作为其教学和研究的主要领域。诺伊曼视其为向未来的高中教师展示物理研究原则的有效手段。以温度测量为例，工作时需要处理仪器操作、测量方法论、误差估计和对测量数据进行理论分析的问题。从19世纪30年代末开始，诺伊曼给参加其研讨班的学生分配测量不同深度的地温以及从地热扩散的测量数据得出结论的任务。这引发了更广泛的数学、气象和地球物理问题。由于诺伊曼经常将这种地温测量作为他所指导的博士论文主题，因此把测量工作站建在诺伊曼及其学生的植物园以便他们科学地照管，这完全合理。

1890年，当植物园中的新建筑威胁到地球温度测量工作的进展时，“物理一经济协会”认为自己有责任合理利用已收集到的大量数据。协会仿照18世纪一些大型学会的可靠先例，发起了这次有奖征答。那些大型学会通过这类有奖征答为雄心勃勃的研究者们提供了扬名科学界的机会。一个七人委员会负责竞赛的构想和执行。委员会成员在1889年12月9日于柯尼斯堡大学实验物理研究所首次会面，并通过对德国境内外的类似测量站的全面考察，首先突出了此次任务的全球性。随后在1889年12月11日和19日的两次会议上，他们又就有奖征答条文和奖金数额达成了一致。1891年2月1日被定为递交参赛作品的截止日期。

在随后的会议上，身为诺伊曼学生和柯尼斯堡大学理论物理学研讨会负责人的福克曼，秉承其老师的精神，认可地温测量方法的科学意义。为了说明委员会举办这次竞赛的目的，他引用了对太阳如何加热地球以及太阳辐射能在大气中留存的比例这两个问题的阐述。1868年，诺伊曼的另一位学生在一项理论研究中得到了以下结论：在太阳光垂直照射的情况下，大约只有四分之一的热量被地球吸收。福克曼代表评奖委员会表示，希望能够通过自1872年所收集到的测量数据获得更加精确的结论。此外，还有一系列更深入的问题：“平均温度何如随着深度增加而升高？地球内部温度如何？地球的长期冷却是怎么回事？地球现在的气温条件似乎是有机生命存活的前提，这种气温条件已经持续了多久？——换句话说，有机世界的年龄是多少？”

因而，对于这些重大问题，人们希望能通过分析20余年来累计收集的已有温度测量数据来找到它们的答案。从这方面来看，有奖征答在向19世纪的重大争议性问题靠近。“地球的长期冷却”是地理学在地球起源方面争论的焦点。水成论者与火成论者争论地球固态地壳究竟是由原始海洋逐渐沉积形成的水成岩构成，还是由火山物质历经亿万年冷却和凝固形成的火成岩构成。在19世纪中期，火成论者的观点占了上风。但如果地球在其形成时期是一个炽热的液态火球，后来逐渐冷却固化，那么热传导理论又如何能提供关于地球年龄的信息呢？必须对此做进一步假设：地球的内核是否依然是液态的熔岩还是已经固化？而如果地球内部是液体的话，那固定地壳的边界又在哪里呢？威廉·汤姆孙(William Thomson，1824—1907)，即后来的开尔文勋爵(Lord Kelvl。n)，将地球比作一个一旦从锅中取出，便会逐渐冷却的煮鸡蛋。他假设了地球初始阶段刚好处在使熔岩凝固的温度。在约瑟夫·傅里叶(Joseph Fourier，1768—1830)1882年建立的热传导理论的帮助下，他得出了地球年龄不可能超过4亿年的结论。物理学由此卷入了地质学家们关于岩石形成和其他与地质时期相关的地质历史进程问题的激烈争论中。再者，汤姆孙对地球年龄的估算与达尔文进化论冲突：根据进化论，4亿年的时间跨度对于高等物种的出现来说似乎太短。福克曼在谈到将“有机世界的年龄”作为有待征答解决的重大问题之一时，也提到了这一点。汤姆孙的理论以位于爱丁堡的苏格兰观测站的数据为基础，这个观测站为柯尼斯堡的同行树立了榜样。但就目前所涉及的一系列观测范围而言，福克曼断言：“我们柯尼斯堡观测站是最重要的观测站之一，当然除此之外，爱丁堡——那里仅在1837年至1854年间观测——也是最重要的。”

在如此高的期望下，有奖征答在柯尼斯堡大学引发了热烈讨论。实验物理学教授帕普、理论物理学教授福克曼和数学教授林德曼是评奖委员会的成员。索末菲上过这几位教授的课，也完成了他们的研讨班任务。有奖征答必定是索末菲家中谈论的一个话题，因为索末菲父亲长久以来便是“物理一经济协会”成员。而作为一名狂热的自然爱好者，索末菲肯定会注意到其中地质学和生物学之间的联系。不管最初的动力来自何方，他逐渐对这个题目产生了兴趣。最初，他通过与其他同学一起对温度计“日夜进行持续观测”以解决这一问题。他已经“有一段时间忙于当地温度观测站的观测”，他在一份内容详实的手稿中如此写道，这份手稿可能是参加有奖征答的论文草稿。他得出的结论是：“只有当温度函数发展到能真正以傅里叶级数来演算时，才能像理论要求那样实现对数据的全面处理。”P14-17

“普朗克是权威，爱因斯坦是天才，索末菲是老师。”这是一位作家对理论物理学的黄金时代最重要的代表人物的角色所做的尖锐而简洁的总结。另一位作家则强调索末菲及其学派理论物理学的问题导向的特征，这与普朗克、爱因斯坦和玻尔的原理导向形成对照。索末菲的生平为这个看法提供了很多例子。“这东西怎么来的还完全不清楚，但是假设的后果要认真考虑清楚。”。这是1927年索末菲搁置所有关于费米一狄拉克统计基本问题的态度。回避这些纠缠使他可以利用这一新的统计着手解决一系列金属电子论中的问题(见第9章)。同样格言也可以用来作为索末菲的大量其他工作的开场白。

虽然如此，一个长久而多方面的科学生涯不可能浓缩到如此简单的程式中。“索末菲是老师”只是他个性的一个方面；“问题导向的研究”这个标签不能作绝对理解。正像在h假设(第6章第5节)例子中的情况，索末菲也能展现出对原理的强烈倾向。当一个问题的基本表述与原理密不可分，原理导向和问题导向就不再是互相排斥的两个选择。

不管怎么说，索末菲自己的那种简洁表述的风格，也加深了与“原理导向”的同事势不两立的印象。在给爱因斯坦的一封信中他曾阐明自己的立场：“我的工作只是在量子论的技术方面，您来设计它的哲学。但是不能就据此推测他对相对论和量子论引发的哲学和认识论问题没有兴趣。在自然哲学的争论问题上，他有清晰的立场。考虑到早先在和维也纳学派支持者的争论，他明确反对带有马赫印痕的实证主义(第10章第7节)，他明确声称自己是一个“自然律上的教条主义者”就没有什么奇怪的。1933年5月1日，在受皇家学会邀请在爱丁堡作的一个报告中，他也类似地自明心志。报告的主体是当时出版不久的一本普朗克的讲话和报告集，名为《通向物理知识之路》。索末菲知道自己与普朗克在自然哲学的很多问题上看法是一致的。他也提到了玻尔兹曼。后者在自己的《电动力学》第二卷介绍麦克斯韦方程时引用了歌德的《浮士德》中的名句：“难道是神的手镌刻了这些符号？”对自然律的和谐性的根本信仰，在索末菲身上和玻尔兹曼、普朗克和爱因斯坦一样深刻。也许他的哲学言论与普朗克和爱因斯坦的略有距离，但都是由衷之言(第13章第7节)。在所有的哲学运动中，他无疑最认同康德的认识论，当然需要一些修正以适应广义相对论。1948年，在讨论康德关于空间和时间的“先验性”概念时，索末菲写道：“当然它不可能维持最初的形式，”“空间和时间需要一个经验性的物理结构，来源于其中发生的事件。今天的康德会调整自己的观念适应爱因斯坦的学说。从爱因斯坦之后，物理学家和哲学家就亲如一家了。物理学家们都变成了哲学家，而哲学家们都小心不要违反物理学。”

如果说在自己的科学文章中，索末菲大体上对哲学和观念学的题目持回避态度，但是不能把这个自行选择的含蓄判断为对哲学不感兴趣。但是即使加入哲学信念也不足以概括其教学和研究活动。一个完整的总结必须包括音乐。索末菲对音乐的爱好贯穿了他的一生，从家庭私人生活到同事圈子的交际聚会，最后到科学生活。对他来说，原子论不仅仅代表解决问题的挑战，以及促进自己学生圈子在理论物理学中的职业发展。它也是(而且可能最主要地是)“符合美学的、和谐的、唯一可以和音乐媲美的事物”。按照他1924年在普鲁士科学院的一个报告中所言，谱线理论中的数字关系是“真正的量子音乐”。

最后，所有试图这样那样地简单概括索末菲一生工作的努力都是不合格的。这使人们想起他最喜欢的诗人歌德的一首二言体诗句：

如果你想从整体吸取力量，

必须从细微之中看到整体。

中文版序

序言

本书使用的方法

致谢

第一章 柯尼斯堡之根

 1.1 童年

 1.2 中学时代

 1.3 大学时代

 1.4 一场竞赛

 1.5 博士论文

 1.6 电动力学的力学基础

第二章 定航向

 2.1 错失良机

 2.2 服兵役

 2.3 矿物学问奏曲

 2.4 坚持，还是放弃？

 2.5 走近克莱因

 2.6 物理学，还是数学？

第三章 在格丁根任克莱因助手

 3.1 物理数学

 3.2 “之后我将会成为无薪讲师”

 3.3 阅览室与模型收集

 3.4 大学任教资格

 3.5 无薪讲师

 3.6 订婚

第四章 克劳斯塔尔

 4.1 来自美国的工作机会

 4.2 赴任克劳斯塔尔矿业学院

 4.3 矿业学院

 4.4 婚礼

 4.5 陀螺仪和电动力学问题

 4.6 为《百科全书》系列丛书组稿而旅行

 4.7 “陀螺仪+《百科全书》一亚琛推荐”

第五章 亚琛

 5.1 任命的背景

 5.2 靠近技术

 5.3 技术鉴定专家

 5.4 家庭生活

 5.5 职责和偏好

 5.6 电子的“超级力学”

 5.7 “实际上我不适合当工程教授，我是一名物理学家”

第六章 慕尼黑

 6.1 学术传统

 6.2 关于电子论的争论

 6.3 索末菲学派的起源

 6.4 用数学手段来处理

 6.5 “h发现”

 6.6第一届索尔维会议

 6.7 x射线和晶体

第七章 和平物理学与战争物理学

 7.1 “在我看来，政治前途极其黑暗”

 7.2 回归理论

 7.3 前线来信

 7.4 推广玻尔的原子模型

 7.5 成功

 7.6 战争物理学

 7.7 悲喜交替

第八章 量子教皇

 8.1 原子结构和光谱线

 8.2 德国物理学会的内部纷争

 8.3 访问玻尔

 8.4 一个新的量子数

 8.5 教师和学生

 8.6 原子物理学的圣经

 8.7 路西塔尼亚纪念章 

 8.8 麦迪逊的卡尔·舒尔兹教授

 8.9 加州印象

 8.1 0实用光谱学

第九章 波动力学

 9.1 模型的危机

 9.2 “我们相信海森伯，但是用薛定谔方程计算”

 9.3 金属电子论

 9.4 普朗克的继任者

 9.5 “不是索末菲，而是舍普费尔”

 9.6 伏特大会

 9.7 波动力学补充

第十章 文化信使-

 10.1 国际舞台上的德国科学

 10.2 印度的旅行印象

 10.3 德国科学在中国的据点

 10.4 在日本过生日

 10.5 帕萨迪纳的客座教授

 10.6第二次穿越美国”

 10.7 对实证主义的批判

 10.8 与斯塔克的争吵

 10.9 再度踏上旅途

 10.1 0整合新理论

第十一章 下坡路

 11.1 新公务员法的后果

 11.2 一个骗人的常态

 11.3 被推迟的“退休”

 11.4 “德意志物理学”

 11.5 科学靠边站

 11.6 70岁生日

 11.7 继任者之争的决议

第十二章 痛苦的岁月

 12.1 丑闻加剧

 12.2 “德意志物理学”的终结

 12.3 政治怀疑

 12.4 海军舰队的研究任务

 12.5 理论物理学讲义

 12.6 没有爱因斯坦的相对论？

第十三章 继续前行

 13.1 去纳粹化

 13.2 临时性的新起点

 13.3 “我也赌英美会赢”

 13.4 教师的荣誉

 13.5 80岁生日

 13.6 晚年的工作

 13.7 晚年时光

第十四章 对后世的影响

 14.1 讣告

 14.2 物理学史上的领军人物

 14.3 精细结构常数

 14.4 “索末菲之谜”

 14.5 从“太平洋问题”到暗物质

 14.6 遗恨诺贝尔奖

跋

摘要

缩写词

参考文献

图片目录

人名索引

译后记

100年前，阿诺尔德·索末菲扩展了玻尔模型。爱因斯坦写信祝贺道：“在我看来，您的光谱研究是最美的物理经验”，“通过它们，玻尔的观念才让人完全信服”。玻尔一索末菲模型让索末菲在慕尼黑大学的研究所成为国际原子理论的中心。索末菲为第一代理论量子物理学家迈入现代物理学的新时代铺平道路。沃尔夫冈·泡利、维尔纳·海森伯和量子力学的其他创始人正是从他的“理论物理学托儿所”走出来的，当时索末菲就是这样称呼他所在的慕尼黑大学研究所的。索末菲也关注他的领域在国际上的新发展。1928年，他做了半年的环球旅行，也在中国待了几天。“我在上海待了3天。”他在1928年12月1日给他妻子的信中写道。正如他在这次旅程的其他地方所做的那样，他在中国也做了有关原子物理学的演讲。在同济大学，他甚至用他的母语(德语)发表了演讲。“因为这所大学都是用德语给中国学生授课。”他对妻子这样解释道。

这本传记除了探讨了这样的主题外，还涉及了许多其他方面。我试图将索末菲及其科学放在社会背景下，时间长度涵盖了从德意志帝国到纳粹时期以及两次世界大战。科学日益国际化的网络联系，让其他国家的人们对索末菲也产生了很大兴趣。我非常高兴的是，在这本索末菲传的美国版出版后，目前中文版又将面世，使得用中文就可以了解索末菲的生活和工作。由一位像方在庆教授这样对德国科学史如此精通的专家主持中文版的翻译，是我的巨大荣誉。我对直接参与这项翻译工作的何钧先生、黄佳、徐志凌、朱慧涓女士和王秋涛先生，以及为本书的中译本顺利出版费尽心血的湖南科学技术出版社表示衷心感谢！

阿诺尔德·索末菲与阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔、马克斯·普朗克同为现代原子物理学和量子理论的奠基者。他的学术生涯起源于19世纪90年代的格丁根大学，那时的世界数学中心。

1906年后，他来到慕尼黑大学，担任理论物理学教席，形成了著名的“索末菲学派”。他的一些学生成为原子时代的著名理论家，如汉斯·贝特、彼特·德拜、沃尔夫冈·泡利和维尔纳·海森伯。他们都获得了诺贝尔奖。

除此之外，他还是一位绝无仅有的优秀教师。他主编的6卷本《理论物理学讲义》至今仍被学界使用。第一次世界大战后，为了捍卫德国作为文化大国的声望，他作为“文化信使”到处旅行。在纳粹上台后，为了保护自己创立的“理论物理学摇篮”，他与纳粹代言人作了殊死斗争，最终因势单力薄，未能成功，他被称为“犹太理论的主要代言人”。索末菲一生获81次诺贝尔奖提名，但最终未能获奖。他的曲折人生，可以看成是物理学乃至科学在这个多事之秋的发展历程的缩影。

《阿诺尔德·索末菲传(原子物理学家与文化信使)(精)》作者米夏埃尔·埃克特基于内容丰富的索末菲往来通信，重构了阿诺尔德·索末菲绚丽多彩的一生。这本传记让人们对索末菲的私人生活和科学成就一览无遗。即使对于物理学与数学的门外汉，本书也极具吸引力。政治动荡年代里“索末菲学派”的兴衰存亡让人唏嘘不已。

传主索末菲与爱因斯坦、普朗克等人同为理论物理学的奠基人之一，对原子结构和原子光谱理论等有着突出贡献，他更是一名优秀的教师，许多著名的物理学家都是他的高足。他曾七十多次被提名获诺贝尔奖。米夏埃尔·埃克特著的《阿诺尔德·索末菲传(原子物理学家与文化信使)(精)》以索末菲的生平为时间轴，讲述他的人生和科学。