本文來自微信公眾號:返樸 (ID:fanpu2019),作者:H. B. G. Casimir,編譯 :1/137
編譯者按
“Een Vergeten Genie”一文是著名理論物理學(xué)家 Hendrik B. G. Casimir 所寫的關(guān)于荷蘭天才物理學(xué)家特羅德(Hugo Martin Tetrode)的簡單生平及其物理貢獻的介紹。為了便于讀者閱讀,文后附加了原文沒有的一些關(guān)鍵參考文獻和適當(dāng)?shù)淖⑨專üP者借此對本文編輯的建議與幫助表示感謝)。說特羅德是“被遺忘的天才”只是在作者當(dāng)時的語境之下,時過境遷,今天看來可能并不十分“確鑿”,畢竟在物理系的熱力學(xué)統(tǒng)計物理課上,還要講到他與另一位德國物理化學(xué)家奧托?薩庫爾(Otto Sackur,1880-1914)各自獨立發(fā)現(xiàn)的 Sackur-Tetrode 方程(今年恰好也是該方程誕生 110 周年)。但是無論如何,特羅德及其物理成就對公眾,甚至物理工作者,都稍顯陌生。編譯此文,希望能夠?qū)⑵錃v史角色拉回公眾的視野。
前段時間我收到了西班牙科學(xué)史家 J. M. Sanchez-Ron 的來信,信里說:
“我正在為牛津大學(xué)出版社寫一本書,專門講述 20 世紀物理學(xué)中超距作用概念的歷史。我要談的一點是荷蘭物理學(xué)家特羅德(Hugo Martin Tetrode)的貢獻。他在 1922 年(關(guān)于超距作用)的論文,首先給愛因斯坦以及多年后的惠勒和費曼,留下了深刻的印象。問題是到目前為止我完全找不到任何關(guān)于他的生平,甚至連他的名字都沒有(除了他發(fā)表的一些論文提到他住在阿姆斯特丹)。我得承認,就此事我已經(jīng)聯(lián)系了很多國家的大學(xué)。盡管如此,我認為在書中包含一些關(guān)于這位真正被低估的荷蘭物理學(xué)家的生活細節(jié)是很重要的,他對量子和經(jīng)典物理的研究是我們這一領(lǐng)域的持久貢獻。因為我知道你也是荷蘭人,所以我把你當(dāng)作救命稻草。如果你能向我提供一些關(guān)于特羅德的生活、職業(yè)和工作的細節(jié),或文件,我將非常感激。”
從一個著名的公式開始
這樣的信必須回復(fù),但首先我對特羅德知之甚少。我知道一個著名的熱力學(xué)公式以他的名字命名。我記得在 1928 年或之后不久,我震驚于他在德國 Zeitschrift für Physik 上發(fā)表的一篇非常專業(yè)的文章。令人驚訝的是,他不屬于通常的、非常小的荷蘭理論家圈子。我的老師泡利(Wolfgang Pauli)——1932-1933 學(xué)年我在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院給他擔(dān)任助理 —— 就曾經(jīng)長嘆說:“在你們荷蘭有些怪才(Merkwürdige Kauze)。比如特羅德,他的工作十分出色。但沒人認識他,他似乎也不想認識任何人?!?/p>
此外,我相當(dāng)確定他從未在大學(xué)或工業(yè)實驗室擔(dān)任物理學(xué)家。因為沒有其他更多信息了,所以我不得不著手調(diào)查一番。我先去查閱了電話簿,很快發(fā)現(xiàn)“Tetrode”這個名字非常罕見(倒是“Tetterode”更常見)。因此,打電話去特羅德家并非無望,我試了兩次就成功了。我不記得到底為什么要去希爾弗瑟姆(Hilversum),但事實證明,住在那里的特羅德女士仍記得自己帥氣但孤獨的堂兄。她在那時以及后來應(yīng)我請求查閱了家族文檔,我非常感激她。她說特羅德的父親曾是銀行董事,這一點對我非常有幫助。
德維斯(Joh. de Vries)教授向我提供了有關(guān)特羅德家族的大量信息,他那時正在研究荷蘭銀行史。與此同時,我還通過其他方式知道到了更多東西??伎怂梗ˋ. Kox)博士正在負責(zé)出版洛倫茲(H. A. Lorentz,1853-1928)的通信集,他偶然發(fā)現(xiàn)了特羅德給洛倫茲的一封值得注意的信。此外,他注意到在阿姆斯特丹的塞曼(Pieter Zeeman,1865-1943)實驗室里有一些書籍,其中的藏書票是特羅德釘上去的。我自己也在萊頓大學(xué)教授保羅?埃倫費斯特(Paul Ehrenfest,1880-1933)井井有條的通信中發(fā)現(xiàn)了特羅德的一些筆記。
有了這些線索,完成一個稍完整的傳記似乎并不太難,但這種期望只部分地實現(xiàn)了。然而我的發(fā)現(xiàn)是如此驚人,我認為值得講述出來。他的父親,Pieter Johan Conrad Tetrode 博士(1863-1955)是金融界的知名人物,曾在多家銀行工作,1919 年至 1934 年擔(dān)任荷蘭銀行董事。此后他還擔(dān)任過多個監(jiān)事。1894 年,他與 Charlotte Louisa Gildemeester(1864-1942)結(jié)婚,育有三個子女:本故事主角雨果(Hugo Martin,1895.3.7-1931.1.18),妹妹海倫娜(Helena Maria,1897-1982)和弟弟彼得(Pieter,1902-1973)。特羅德終生未婚。他的弟弟和妹妹都是晚婚,沒有子嗣,他們的配偶也過世了。他出生在范德斯特拉特(Vondelstraat)的一所房子里。1902 年,他家搬到了 Keizersgracht 573 號,1909 年又搬到了 Herengracht 526 號。他們一直在這住到 1934 年,也就是特羅德去世后,這里一直都是他們家的地址,盡管后來他們主要住在索斯特堡的惠澤埃格蒙德(Huize Eggher-monde)。
他畢業(yè)了嗎?
我無法確定特羅德是否完成了他的畢業(yè)考試,更不要說在何時何地考的了。阿姆斯特丹的市政檔案館只記載了他沒有念市屬高中,也沒有去過第一 HBS 銀行。盡管勤勉地查閱了參考文獻和檔案,除了一個例外,我從后來的調(diào)查中一無所獲。但是這個例外很有意思。
在 1913 年版“荷蘭貴族“第 4 卷中提到他被萊比錫(Leipzig)大學(xué)錄取。我給萊比錫一位知名同事的信意外立功。萊比錫大學(xué)學(xué)生注冊登記系統(tǒng)在兩次世界大戰(zhàn)中得以幸存。事實證明,特羅德于 10 月 16 日注冊兩年,其間念了數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)。他住在教授馮?厄廷根(von Oettingen)教授的家中。他是否參加了畢業(yè)考試?是的話,他必須跳過一門或幾門課程,或參加國家考試。1912 年 8 月 8 日,他收到了一封他參加的講座和實踐的證明。他顯然回到了阿姆斯特丹。
奇怪的是,名單上沒有關(guān)于理論物理和數(shù)學(xué)的講座。沒有證據(jù)表明他在次年再次來到萊比錫。我懷疑情況并非如此,但無論如何他沒有參加定期講座:這已在登記系統(tǒng)中已查明了。
奇跡
現(xiàn)在,偉大的奇跡到來了。1912 年 3 月 18 日,著名的物理雜志 Annalen der Physik 的編輯收到了他的一份手稿。它很快于 5 月 23 日發(fā)表(7 月 17 日雜志編輯收到了他的一份簡短補充,對前文中的一些小錯誤進行了糾正)[注釋 1]。
對于一個還不到十七歲的年輕人來說,這是一件令人驚嘆的工作。這表明他已經(jīng)研究和理解了現(xiàn)代理論物理學(xué)的大部分內(nèi)容,特別是玻爾茲曼和吉布斯的統(tǒng)計力學(xué),他并不懼怕相當(dāng)高等的數(shù)學(xué)。這已經(jīng)非常難得,但更為引人注目的是,他引入了兩個大膽的假設(shè),幾乎是不言而喻的,而這些他無法證明但合理的假設(shè),則給出了那個著名的方程(德國物理化學(xué)家 O. Sackur 幾乎同時得到了同樣的方程 [注釋 2])。這個理論引起了不小的轟動,洛倫茲和埃倫費斯特都研究過它。但兩人都反對特羅德的方法,雖然他們承認它導(dǎo)致了有用的結(jié)果。隨著量子力學(xué)后來的發(fā)展,人們才完全搞清楚特羅德為什么是正確的。
他從萊比錫回家后做了什么?我懷疑他一直在家里獨立工作。1915 年,他寫信給埃倫費斯特,顯然后者邀請他參加討論班,他很遺憾當(dāng)天無法參加,但他希望很快能去萊頓拜訪埃倫費斯特。在不久之后的第二封信中,他感謝埃倫費斯特寄來的(論文)副本,并說可以從中學(xué)到很多東西。1915 年,他在荷蘭皇家科學(xué)院院報(Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen)發(fā)表了一篇長論文,進一步闡述了他對“化學(xué)常數(shù)”的看法。這是由洛倫茲和塞曼提交的。如文檔所示,他與洛倫茲交換了意見。到目前為止,我沒有找到關(guān)于與塞曼有關(guān)系的詳細信息,但特羅德和塞曼并不是不可能相互認識。無論如何,特羅德隨后與其他荷蘭物理學(xué)家進行了一些接觸。
1916 年,埃倫費斯特再次邀請他。他答稱由于健康狀況不佳無法參與討論,他也沒有在家接待訪客。這可能是結(jié)核病的第一次發(fā)作嗎?然而他對物理學(xué)的興趣并未消失:同一封信中還包含了對普朗克文章的批評。
直到 1922 年,他才再次“發(fā)聲”:Sanchez-Ron 寫信給我提及的論文發(fā)表于 Zeitschrift für Physik[注釋 3]。它包含一種新的力學(xué)方法,非常新穎,非常大膽,但數(shù)學(xué)上有精確地表述。這種方法也導(dǎo)致了特殊的思辨性的反思,用他自己的話說:“在最后四頁中,我們寧可放棄對數(shù)學(xué)證明的思考。”我想引用幾句話,盡可能原汁原味地將特羅德(在我看來非常漂亮)的德語翻譯出來:
“因果關(guān)系,部分取決于偶然性。然而,這種觀念最初并不存在于人類頭腦中,并且在過去并未得到遵守:眾所周知,在世界事件中(人們)假設(shè)完全不同的相互聯(lián)系,盡管是以一種相當(dāng)幼稚的方式?!?/p>
在上面提到的那位表親在家族文件找到的材料中,有一張?zhí)亓_德的照片,照片背面寫著“1922 年夏天第一次會議,工人在演講者房子的窗口”。我還沒有確定它是哪個會議,但至少看來他已經(jīng)康復(fù)并參加了一定的社交活動。1924 年,特羅德給洛倫茲寫了一封長信,解釋說他過去完全陷入了對 1922 年論文中的想法的進一步闡述之中。他現(xiàn)在正朝著完全不同的方向?qū)ふ摇傲孔又i”的解決方案,并希望與洛倫茲討論這個問題。
我不知道他們是否真的進行了這樣的討論,但無論如何,這種方法目前也沒有被證明是富有成效的。發(fā)生在 1924 年至 1928 年之間的新量子力學(xué)的發(fā)展是沿著完全不同的路線。特羅德肯定密切關(guān)注這一發(fā)展。事實上,1928 年他再次在 Zeitschrift für Physik 發(fā)表了兩篇文章 [注釋 4],其中包含對 Dirac 理論的寶貴數(shù)學(xué)補充,并顯示出他已完全掌握最新的量子力學(xué)理論。與埃倫費斯特的最后一次通信也在那一年。后者要求他寄來論文副本,并邀請他有機會來萊頓:也許他會很高興認識狄拉克或泡利。特羅德寄送了一些(論文)副本并附上禮節(jié)性的回函,稱舊論文的副本在阿姆斯特丹,他本人在蘇斯特貝赫(Soesterberg)。他一回到阿姆斯特丹就會立即寄送給埃倫費斯特,但沒有回應(yīng)后者的邀請。
將愛因斯坦拒之門外
特羅德于 1931 年 1 月 18 日去世。其后不久,他的妹妹來到塞曼實驗室捐獻了他的科學(xué)藏書,塞曼的一名前雇員仍然清晰的記得這一幕。她說她哥哥死于肺結(jié)核,生前變得越來越怕見人,最后她幾乎成了唯一一個與他接觸的人。
有一則關(guān)于特羅德的軼事。愛因斯坦和埃倫費斯特有一次想去拜訪他,卻被他的仆人在前門謝客:“先生不待客?!边@個我已聽過多次的故事聽起來可能難以置信,但它與我目前所發(fā)現(xiàn)的是一致的。浮現(xiàn)在我們面前的是一個真正有天賦的人,但健康不佳。因為經(jīng)濟上的獨立,他可以抱病繼續(xù)他的研究,但也許正是這種經(jīng)濟上的獨立導(dǎo)致了一種逐漸形成的孤獨。
無論如何,他顯然并不熱衷于參加會議和討論。也許他認為,如果他能偶爾通過發(fā)表論文和他的同行溝通,那就足夠了。我自己對此并不完全滿意。我想多了解一下這位杰出人物的生活方式、思維方式和工作方法。這也是我寫這篇短文的原因之一。
注釋
1. 詳見參考文獻 [2]。特羅德在 5 月 23 日發(fā)表的文章中給出了熵的一個啟發(fā)性的推導(dǎo),他假設(shè)基本單元相格的大小為 (zh)^n.他利用液體汞的蒸氣壓數(shù)據(jù)擬合參數(shù) z。由于一些數(shù)字上的錯誤,他得到 z≈0.07。在隨后對前文的勘誤中,特羅德修正了自己的錯誤,得到了 z~1 的正確結(jié)果。詳見參考文獻 [9]。
2. 詳見參考文獻 [3,4]。
3. 即文章開始西班牙科學(xué)史家 J. M. Sanchez-Ron 提到的“超距作用”論文,見參考文獻 [5, 6]。電動力學(xué)可以用粒子間超距作用 (Action at a distance)—— 即不引入場的情況下 —— 加以描述,以區(qū)別于(麥克斯韋)場論。這導(dǎo)致了 Tetrode-Fokker-Schwarzchild 作用量積分。這是 H. Tetrode 對電動力學(xué)研究的貢獻。電動力學(xué)的超距作用思想比“場”的概念來的悠久,甚至在麥克斯韋場論被實驗所證實之后約半個世紀,也即上世紀 40 年代末,費曼和惠勒師徒仍然試圖以所謂的“吸收體”超距作用來詮釋。
4. 見參考文獻 [7,8]。
參考文獻
[1] http://www.marceltettero.nl/ mtettero / Tetrode.htm,本文原文發(fā)表于 NRC Handelsblad, 1984.2.23.
[2] H. Tetrode, Die chemische Konstante der Gase und das elementare Wirkungsquantum (The chemical constant of gases and the elementary quantum of action), Ann. Phys. 38, 434-442 (1912); Berichtigung zu meiner Arbeit: “Die chemische Konstante der Gase und das elementare Wirkungsquantum”? (Correction to my work: The chemical constant of gases and the elementary quantum of action), ibid., 39, 255 – 256 (1912).
[3] O. Sackur, Die Anwendung der kinetischen Theorie der Gase auf chemische Probleme (The application of the kinetic theory of gases to chemical problems), Ann. Physik. 36, 958-980 (1911).
[4] O. Sackur, Die universelle Bedeutung des sog. elementaren Wirkungsquantums (The universal significance of the so-called elementary quantum of action), Ann. Physik. 40, 67-86 (1913).
[5] H. Tetrode, über den Wirkungszusammenhang der Welt. Eine Erweiterung der klassischen Dynamik (On the interdependencies of the world. An extension of classical dynamics), Zeitschrift für Physik, vol.10, 317–328 (1922).
[6] A. D. Fokker, Ein invarianter Variationssatz für die Bewegung mehrerer elektrischer Massenteilchen (An invariant set of variations for the movement of multiple electrical mass particles), Zeitschrift für Physik vol. 58, 386–393 (1929).
[7] H. Tetrode, Der Impuls-Energiesatz in der Dirachsen Quantentheorie des Elektrons (The impulse-energy theorem in Dirac’s quantum theory of the electron), Zeitschrift für Physik, vol. 49, 858–864 (1928).
[8] H. Tetrode, Allgemein-relativistische Quantentheorie des Elektrons (General-relativistic quantum theory of the electron), Zeitschrift für Physik, vol. 50, 336–346 (1928).
[9] W. Grimus, On the 100th anniversary ofthe Sackur-Tetrode equation, arXiv:1112.3748 [physics.hist-ph].
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