马克斯·玻恩

德国犹太裔理论物理学家

马克斯·玻恩(Max Born,1882年12月11日—1970年1月5日),男, 德国 犹太裔理论物理学家、 量子力学 奠基人之一,因对量子力学的基础性研究尤其是对 波函数 的 统计学 诠释而获得1954年的 诺贝尔物理学奖 。

马克斯·玻恩1901年起在 布雷斯劳 、海德堡、 苏黎世 和 哥廷根市 等各所大学学习,先是法律和 伦理学 ,后是数学、物理和 天文学 。1907年获得博士学位。1912年与西尔多·冯·卡门合作发表了《关于空间点阵的振动》的著名论文,从此开始了他以后几十年创立点阵理论的事业。1919年,玻恩和 弗里茨·哈伯 将离子 晶体 以及形成该晶体元素的有关 热化学 量联系起来,形成玻恩-哈伯热化学循环,简称玻恩-哈伯循环。 1921年,玻恩回到哥廷根,成为 哥廷根大学 物理系主任,此后十余年领导哥廷根使其成为当时的物理学研究中心之一。 1925年,玻恩与 海森伯格 共同提出了 量子力学 的 矩阵力学 表述。 1933年1月,身为犹太裔的玻恩遭到了停职,移居 英国 ,并在 爱丁堡大学 任职。 1936年任 爱丁堡 大学教授,1937年当选为英国伦敦皇家学会会员。玻恩还是《哥廷根宣言》的签署人。

人物生平

玻恩于1882年12月11日出生于德国 普鲁士 的 弗罗茨瓦夫 (今 波兰 城市 弗罗茨瓦夫 )一个犹太人家庭,父亲是布雷斯劳大学的 解剖学 和 胚胎学 教授。小时受父亲影响,喜欢摆弄仪器和参加科学讨论。

1901年进入布雷斯劳大 学。后来到 海德堡大学 和 苏黎世大学 求学。1905年慕名进入 哥廷根大学 听D. 戴维·希尔伯特 、H. 赫尔曼·闵可夫斯基 等数学、物理学大师讲学。1907年在哥廷根大学通过博士考试,导师是 希尔伯特 。此后前往 剑桥大学 跟随拉默尔和 约瑟夫·汤姆逊 学习了一段时间。1908年至1909年回到 布雷斯劳 学习 相对论 。闵可夫斯基曾邀请他去 哥廷根市 与他共事,但是此后不久的1909年冬天闵可夫斯基便去世了,玻恩受命继续闵可夫斯基在物理领域的研究工作。玻恩在1909年获得大学任教资格,先是在 哥廷根大学 受聘为无薪金讲师,1912年接受 阿尔伯特·迈克尔逊 的邀请前往 芝加哥 教授相对论,并与迈克尔逊合作完成了一些 光栅 光谱实验。此外,玻恩对固体理论进行过比较系统的研究,1912年和冯·卡尔曼一起撰写了一篇有关 晶体 振动能谱的论文,他们的这项成果早于 马克斯·冯·劳厄 (1879—1960)用实验确定晶格结构的工作。

1913年8月2日玻恩与爱伦伯格(H. Ehrenberg)结婚。他们都是路德教教徒,有三个孩子。那时玻恩喜好的消遣活动是长途徒步旅行和音乐。

1915年玻恩去 柏林洪堡大学 任理论物理学教授,并在那里与 马克斯·普朗克 、 阿尔伯特·爱因斯坦 和 瓦尔特·能斯特 并肩工作,玻恩与爱因斯坦结下了深厚的友谊,即使是在爱因斯坦对玻恩的量子理论持怀疑态度的时候,他们之间的书信见证了 量子力学 开创的历史,后来被整理成书出版。玻恩在柏林大学期间,曾加入 德国陆军 ,负责研究 声波 理论和 原子 晶格理论,并于1915年发表了他的第一本书《晶格动力学》(Dynamik der Kristallgitter),该书总结了他在 哥廷根市 开始的一系列研究成果。

1919年 第一次世界大战 结束后,玻恩转去 法兰克福大学 任教并领导一个实验室,他的助手 斯特恩 后来也获得了 诺贝尔物理学奖 。1921年至1933年玻恩与好友 詹姆斯·弗兰克 一同回到 哥廷根大学 任教授,主要的工作先是晶格研究,然后是 量子力学 理论。他在哥廷根费米、 保罗·狄拉克 、 罗伯特·奥本海默 和 格佩特·迈尔 等一大批物理学家合作。1925年至1926年与 沃尔夫冈·泡利 、 海森伯格 和帕斯库尔·约尔丹(Pascual Jordan)一起发展了现代量子力学( 矩阵力学 )的大部分理论。1926年又发表了他自己的研究成果玻恩概率诠释( 波函数 的概率诠释),后来成为著名的“ 哥本哈根 解释”。

卢瑟福- 玻尔 的原子行星模型和玻尔关于 电子 能级 的假设(其中把 马克斯·普朗克 的量子概念与 原子光谱 联系起来了)曾被用来解释后来知道的一些数据和现象,但只取得了一些微不足道的成功。在物理理论从经典向现代过渡的这一时期(约在1923年前后), 沃尔夫冈·泡利 和 海森伯格 都在 哥廷根大学 做玻恩的助手。 路易·德布罗意 在1924年 巴黎 的论文中提出电子与一组波相联系。海森堡在他的“ 不确定性原理 ”中,表明了 经典力学 规律不适用于 次原子粒子 ,因为不能同时知道这些粒子的位置和速度。

玻恩以此为起点对这一问题进行了研究,他系统地提出了一种理论体系,在其中把德布罗意的 电子 波认为是电子出现的几率波。玻恩- 海森堡- 约当 矩阵力学 与 埃尔温·薛定谔 发展起来的 波动力学 的数学表述不同, 保罗·狄拉克 证明了这两种理论体系是等效的并可相互转换。今天,我们把它称为 量子力学 。

1933年纳粹上台后,玻恩由于是犹太人血统而被停职,并与当时许多 德国 科学家一样被迫移居国外。移居 英国 后,1934年起受邀在 剑桥大学 任教授,这段时间的主要研究集中在 非线性光学 ,并与利奥波德·因费尔德(Leopold Infeld)一起提出了玻恩-因费尔德理论。1935年冬天,玻恩在印度 班加罗尔 的印度科学研究所呆了6个月,与 钱德拉塞卡拉·拉曼 共事。1936年前往 爱丁堡大学 任教直到1953年退休。1936年被纳粹剥夺德国国籍。

玻恩很想把 量子力学 和 相对论 统一起来,因此他于1938年提出了他的倒易理论:物理学的基本定律在从坐标 表象 变换到 动量 表象时是不变的。1939年玻恩加入 英国 国籍。这时他仍继续从事 阿尔伯特·爱因斯坦 和英费尔德(Infeld)曾探索过的 统一场论 的研究。

1953年,玻恩退休后居住在巴德派尔蒙特,这是位于 哥廷根市 附近的一个旅游胜地。1953年6月28日玻恩成为哥廷根的荣誉市民。1954年由于在量子力学和 波函数 的统计解释及研究方面的贡献,与 瓦尔特·博特 共同获得 诺贝尔物理学奖 。他最后一本关于 晶体 的书是1954年完成的(与我国物理学家 黄昆 合作完成)。除了在物理领域的杰出研究外,玻恩还是“哥廷根十八人”( 德语 :Göttinger Achtzehn)之一,《哥廷根宣言》的签署人,旨在反对 德国联邦国防军 使用 原子 武器装备。1955年7月9日,玻恩参与签署了在伦敦发表的“罗素—爱因斯坦宣言”。

1970年1月5日,玻恩在 哥廷根市 逝世。

人物成就

玻恩在物理学中的主要成就是创立 矩阵力学 和对 埃尔温·薛定谔 的 波函数 作出统计解释。因 量子力学 方面的基本研究,特别是因波函数的统计解释,和Bothe分享了1954年度的诺贝尔物理学奖金。

创立矩阵力学

1920年以后,玻恩对 原子结构 和它的理论进行了长期而系统的研究。那时,卢瑟福-玻尔的 原子 模型和有关 电子 能级 的假设遇到了许多困难。因此, 法国 物理学家 德布罗意 于1924年提出了 物质波 假设,认为电子等微观粒子既有粒子性,也有 波动性 。1926年 奥地利 物理学家 薛定谔 (1887—1961)创立了 波动力学 。同时,玻恩和 海森伯 、约尔丹等人用矩阵这一数学工具,研究原子系统的规律,创立了 矩阵力学 ,这个理论解决了旧量子论不能解决的有关 原子理论 的问题。后来证明矩阵力学和波动力学是同一理论的不同形式,统称为 量子力学 。因此,玻恩是量子力学的创始人之一。

解释对 波函数

为了描述 原子 系统的运动规律, 埃尔温·薛定谔 提出了 波函数 所遵循的 运动方程 —— 薛定谔方程 。但是,波函数和各种物理现象的观察之间有什么关系,并没有解决。玻恩通过自己的研究对波函数的物理意义作出了统计解释,即波函数的二次方代表粒子出现的几率取得了很大的成功。从统计解释可以知道,在量度某一个 物理量 的时候,虽然已知几个体系处在相同的状态,但是测量结果不都是一样的,而是有一个用 波函数 描述的统计分布。因为这一成就,玻恩荣获了1954年度 诺贝尔物理学奖 。

开创晶格 动力学

在他的早期生涯中,玻恩的兴趣集中在点阵力学上,这是关于固体中 原子 怎样结合在一起如何振动的理论。在 马克斯·冯·劳厄 最终证明了 晶体 的格点结构之前,玻恩和 西奥多·冯·卡门 (Von Karman)就在1912年发表了关于晶体 振动谱 的论文。玻恩以后又多次回到晶体理论的研究上,1925年玻恩写了一本关于晶体理论的书,开创了一门新学科——晶格 动力学 。1954年他和我国著名物理学家 黄昆 合著的《晶格动力学》一书,被国际学术界誉为有关理论的经典著作。

其他成就

1953年退休以后,玻恩劲头十足地研究爱因斯坦的统一场论。1959年,与沃耳夫合著了《 光学原理 》,至2001年已出至第七版,成为光的电磁理论方面的一部公认经典著作。玻恩还研究了 流体动力学 、非线性动力学等理论。

玻恩和富兰克(1882—1964)一起把 哥廷根市 建成很有名望的国际理论物理研究中心。当时,只有 尼尔斯·玻尔 建立的 哥本哈根 理论物理中心可以和它匹敌。

玻恩讲课很生动,浅入深出,教学很有成绩。他培养出的学生,后来有不少人成为有名的物理学家,如 沃尔夫冈·泡利 、 海森伯格 和我国的 黄昆 等。

个人荣誉

奖章和名誉

1934年: 剑桥大学 Stokes(George Gabriel Stokes)奖章

1945年: 爱丁堡皇家学会 MacDougall-Brisbane奖章和Gunning-Victoria Jubilee奖

1948年:德国物理学会 马克斯•普朗克奖章

1950年:伦敦皇家学会Hughes(David E. Hughes)奖章

1953年: 哥廷根市 荣誉市民

1956年: 慕尼黑 国际法 Hugo Grotius(格劳秀斯)奖章

1959年:德国 联邦十字勋章

1982年: 哥廷根大学 庆祝马克斯·玻恩和 詹姆斯·弗兰克 诞辰100周年。

会员和院士

获 剑桥大学 、 牛津大学 和 柏林洪堡大学 等十多所大学名誉博士学位。

1939年当选伦敦皇家学会会员,他还是 美国国家科学院 、 美国艺术与科学院 、 爱丁堡皇家学会 会员,是 柏林 、 哥廷根 、 哥本哈根 、 斯德哥尔摩 等科学院院士。

诺贝尔奖

1954年因提出 量子力学 的统计解释而获 诺贝尔物理学奖 。

命名荣誉

1. 以他名字命名的玻恩-奥本海默近似方法在1928年发展成为 原子轨道 模型,玻恩近似在分布理论中起到了先驱作用。

2. 以马克斯·玻恩的名字命名的研究所——柏林马克斯·玻恩非线性光学和短时间 光谱学 研究所(Max-Born Institut für Nichtlineare Optik und Kurzz eit spektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.)。

3. 为了纪念马克斯·玻恩的贡献, 德国 物理学会与 英国物理学会 1973年起每年颁发“马克斯·玻恩奖”给在物理学领域做出特别有价值的科学贡献,轮流颁发给英国和德国的科学家。

个人著作

• 《关于汤姆孙原子模型》(1909年)

• 《晶体点阵动力学》(1915年)

• 《爱因斯坦之相对论及其物理基础》(1919年)

• 《爱因斯坦相对论》(1920年)

• 《固态原子理论》(1923年)

• 《原子力学讲座》(1925年)

• 《原子动力学问题》(1926年)

• 《 原子物理学 》(1935年)

• 《晶格动力学》(1954年)

• 《物理学实验与理论》(1943年)

• 《我们一代的物理学》(1956年)

• 《物理学与政治学》(1962年)

• 《 晶格动力学理论 》(1954年)

• 《量子力学之统计诠释》(1954年)

• 《物理与政治》(1960年)

社会评价

在量子理论的发展历程中,玻恩属于量子的革命派,他是旧量子理论的摧毁者,他认为旧量子论本身内在矛盾是根本性的,为公理化的方法所不容,构造特性架设的办法只是权宜之计,新量子论必须另起炉灶,用公理化方法从根本上解决问题。玻恩先后培养了两位 诺贝尔物理学奖 获得者 : 海森伯格 (1932年获诺贝尔物理学奖); 沃尔夫冈·泡利 (因为提出不相容原理获1945年的诺贝尔物理学奖)。不过,玻恩似乎没有他的学生幸运,他对 量子力学 的几率解释受到了包括 阿尔伯特·爱因斯坦 、 马克斯·普朗克 等很多伟大的科学家的反对,直到1954年才获诺贝尔物理学奖。

参考资料

  1. 马克斯·玻恩 travel 2023-12-31
  2. 量子力学的突破:矩阵力学诞生记 | 科学史 网易 2023-12-31
  3. 刚刚,美国发布重要公告,这些中国人危险了! 西陆网 2023-12-31
  4. Max Born - Biographical 诺贝尔奖官网 2013-11-13
  5. Max Born, 1882-1970 THE ROYAL SOCIETY 2024-01-27