馬克斯·玻恩

馬克斯·玻恩

馬克斯·玻恩(1882年12月11日~1970年1月5日),德國猶太裔理論物理學家,量子力學奠基人之一。因對量子力學的基礎性研究尤其是對波函式統計學詮釋,獲得1954年的諾貝爾物理學獎。1901年起在布雷斯勞、海德堡、蘇黎世和哥廷根等各所大學學習,先是法律和倫理學,後是數學、物理和天文學。1907年獲得博士學位。1912年與西爾多·馮·卡門合作發表了《關于空間點陣的振動》的著名論文,從此開始了他以後幾十年創立點陣理論的事業。1921年成為哥廷根大學物理系主任。1936年任愛丁堡大學教授,1937年當選為英國倫敦皇家學會會員。玻恩還是《哥廷根宣言》的簽署人。

  • 中文名稱
    馬克斯· 玻恩
  • 外文名稱
    Max Born
  • 國籍
    德國/英國
  • 出生地
    布雷斯勞(今弗羅茨瓦夫)
  • 出生日期
    1882年12月11日
  • 逝世日期
    1970年1月5日
  • 職業
    理論物理學家
  • 畢業院校
    海德堡、蘇黎世和哥廷根等大學
  • 信仰
    路德教
  • 主要成就
    量子力學的奠基人之一1954年諾貝爾物理學獎
  • 代表作品
    《晶體點陣動力學》
  • 研究機構
    法蘭克福、哥廷根和愛丁堡大學
  • 獲獎
    諾貝爾物理學獎(1954年)
  • 其他相關
    馬克斯·玻恩獎

人物生平

玻恩于1882年12月11日出生于德國普魯士的布雷斯勞(今波蘭城市弗羅茨瓦夫)一個猶太人家庭,父親是布雷斯勞大學的解剖學胚胎學教授。小時受父親影響,喜歡擺弄儀器和參加科學討論。

1901年進入布雷斯勞大學。後來到海德堡大學和蘇黎士大學求學。1905年慕名進入哥廷根大學聽D.希耳伯特、H.閔可夫斯基等數學、物理學大師講學。1907年在哥廷根大學通過博士考試,導師是希爾伯特。此後前往劍橋大學跟隨拉默爾和約瑟夫·湯姆孫學習了一段時間。1908年至1909年回到布雷斯勞學習相對論。閔可夫斯基曾邀請他去哥廷根與他共事,但是此後不久的1909年冬天閔可夫斯基便去世了,玻恩受命繼續閔可夫斯基在物理領域的研究工作。玻恩在1909年獲得大學任教資格,先是在哥廷根大學受聘為無薪金講師,1912年接受邁克爾遜的邀請前往芝加哥教授相對論,並與邁克爾遜合作完成了一些光柵光譜實驗。此外,玻恩對固體理論進行過比較系統的研究,1912年和馮·卡爾曼一起撰寫了一篇有關晶體振動能譜的論文,他們的這項成果早于勞厄(1879-1960)用實驗確定晶格結構的工作。

玻恩(1882~1970)玻恩(1882~1970) 年輕時的玻恩年輕時的玻恩

1913年8月2日玻恩與愛倫伯格(H. Ehrenberg)結婚。他們都是路德教教徒,有三個孩子。那時玻恩喜好的消遣活動是長途徒步旅行和音樂。

1915年玻恩去柏林大學任理論物理學教授,並在那裏與普朗克、愛因斯坦和能斯特並肩工作,玻恩與愛因斯坦結下了深厚的友誼,即使是在愛因斯坦對玻恩的量子理論持懷疑態度的時候,他們之間的書信見證了量子力學開創的歷史,後來被整理成書出版。玻恩在柏林大學期間,曾加入德國陸軍,負責研究聲波理論和原子晶格理論,並于1915年發表了他的第一本書《晶格動力學》(Dynamik der Kristallgitter),該書總結了他在哥廷根開始的一系列研究成果。

1919年第一次世界大戰結束後,玻恩轉去法蘭克福大學任教並領導一個實驗室,他的助手奧托·施特恩後來也獲得了諾貝爾物理學獎。1921年至1933年玻恩與好友夫蘭克一同回到哥廷根大學任教授,主要的工作先是晶格研究,然後是量子力學理論。他在哥廷根費米、狄拉克、奧本海默和瑪麗亞·格佩特-梅耶等一大批物理學家合作。1925年至1926年與泡利、海森堡和帕斯庫爾·約爾丹(Pascual Jordan)一起發展了現代量子力學(矩陣力學)的大部分理論。1926年又發表了他自己的研究成果玻恩概率詮釋(波函式的概率詮釋),後來成為著名的"哥本哈根解釋"。

簽名簽名

盧瑟福-玻爾的原子行星模型和玻爾關于電子能級的假設(其中把普朗克的量子概念與原子光譜聯系起來了)曾被用來解釋後來知道的一些資料和現象,但隻取得了一些微不足道的成功。在物理理論從經典向現代過渡的這一時期(約在1923年前後),泡利和海森堡都在哥廷根大學做玻恩的助手。德布羅意在1924年巴黎的論文中提出電子與一組波相聯系。海森堡在他的"測不準原理"中,表明了經典力學規律不適用于亞原子粒子,因為不能同時知道這些粒子的位置和速度。

玻恩以此為起點對這一問題進行了研究,他系統地提出了一種理論體系,在其中把德布羅意的電子波認為是電子出現的幾率波。玻恩-海森堡-約當矩陣力學與薛定諤發展起來的波動力學的數學表述不同,狄拉克證明了這兩種理論體系是等效的並可相互轉換。今天,我們把它稱為量子力學。

1933年納粹上台後,玻恩由于是猶太人血統而被停職,並與當時許多德國科學家一樣被迫移居國外。移居英國後,1934年起受邀在劍橋大學任教授,這段時間的主要研究集中在非線性光學,並與利奧波德·因費爾德(Leopold Infeld)一起提出了玻恩-因費爾德理論。1935年冬天,玻恩在印度班加羅爾的印度科學研究所呆了6個月,與C·V·喇曼共事。1936年前往愛丁堡大學任教直到1953年退休。1936年被納粹剝奪德國國籍。

玻恩很想把量子力學和相對論統一起來,因此他于1938年提出了他的倒易理論:物理學的基本定律在從坐標表象變換到動量表象時是不變的。1939年玻恩加入英國國籍。這時他仍繼續從事愛因斯坦和英費爾德(Infeld)曾探索過的統一場論的研究。

1953年,玻恩退休後居住在巴德派爾蒙特,這是位于哥廷根附近的一個旅遊勝地。1953年6月28日玻恩成為哥廷根的榮譽市民。1954年由于在量子力學和波函式的統計解釋及研究方面的貢獻,與瓦爾特·博特共同獲得諾貝爾物理學獎。他最後一本關于晶體的書是1954年完成的(與我國物理學家黃昆合作完成)。除了在物理領域的傑出研究外,玻恩還是"哥廷根十八人"(德語:Göttinger Achtzehn)之一,《哥廷根宣言》的簽署人,旨在反對德國聯邦國防軍使用原子武器裝備。

1970年1月5日,玻恩在哥廷根逝世。

玻恩之墓玻恩之墓

人物成就

玻恩在物理學中的主要成就是創立矩陣力學和對薛定諤的波函式作出統計解釋。因量子力學方面的基本研究,特別是因波函式的統計解釋,和Bothe分享了1954年度的諾貝爾物理學獎金。

創立矩陣力學

1920年以後,玻恩對原子結構和它的理論進行了長期而系統的研究。那時,盧瑟福-玻爾的原子模型和有關電子能級的假設遇到了許多困難。因此,法國物理學家德布羅意于1924年提出了物質波假設,認為電子等微觀粒子既有粒子性,也有波動性。1926年奧地利物理學家薛定諤(1887-1961)創立了波動力學。同時,玻恩和海森伯、約爾丹等人用矩陣這一數學工具,研究原子系統的規律,創立了矩陣力學,這個理論解決了舊量子論不能解決的有關原子理論的問題。後來證明矩陣力學和波動力學是同一理論的不同形式,統稱為量子力學。因此,玻恩是量子力學的創始人之一。

解釋對波函式

為了描述原子系統的運動規律,薛定諤提出了波函式所遵循的運動方程--薛定諤方程。但是,波函式和各種物理現象的觀察之間有什麽關系,並沒有解決。玻恩通過自己的研究對波函式的物理意義作出了統計解釋,即波函式的二次方代表粒子出現的幾率取得了很大的成功。從統計解釋可以知道,在量度某一個物理量的時候,雖然已知幾個體系處在相同的狀態,但是測量結果不都是一樣的,而是有一個用波函式描述的統計分布。因為這一成就,玻恩榮獲了1954年度諾貝爾物理學獎。

開創晶格動力學

在他的早期生涯中,玻恩的興趣集中在點陣力學上,這是關于固體中原子怎樣結合在一起如何振動的理論。在馮·勞厄最終證明了晶體的格點結構之前,玻恩和馮·卡門(Von Karman)就在1912年發表了關于晶體振動譜的論文。玻恩以後又多次回到晶體理論的研究上,1925年玻恩寫了一本關于晶體理論的書,開創了一門新學科--晶格動力學。1954年他和我國著名物理學家黃昆合著的《晶格動力學》一書,被國際學術界譽為有關理論的經典著作。

其他成就

1953年退休以後,玻恩勁頭十足地研究愛因斯坦的統一場論。1959年,與沃耳夫合著了《光學原理》,至2001年已出至第七版,成為光的電磁理論方面的一部公認經典著作。玻恩還研究了流體動力學、非線性動力學等理論。

玻恩和富蘭克(1882-1964)一起把哥廷根建成很有名望的國際理論物理研究中心。當時,隻有玻爾建立的哥本哈根理論物理中心可以和它匹敵。

玻恩講課很生動,淺入深出,教學很有成績。他培養出的學生,後來有不少人成為有名的物理學家,如泡利、海森堡和我國的黃昆等。

個人榮譽

獎章和名譽

1934年:劍橋Stokes(George Gabriel Stokes)獎章

1945年:愛丁堡皇家學會MacDougall-Brisbane獎章和Gunning-Victoria Jubilee獎

1948年:德國物理學會馬克斯·普朗克獎章

1950年:倫敦皇家學會Hughes(David E. Hughes)獎章

1953年:哥廷根市榮譽市民

1956年:慕尼黑國際法Hugo Grotius(格勞秀斯)獎章

1959年:德國聯邦十字勛章

1982年:哥廷根大學慶祝馬克斯·玻恩和詹姆斯·夫蘭克誕辰100周年。

會員和院士

劍橋大學牛津大學和柏林大學等十多所大學名譽博士學位。

1939年當選倫敦皇家學會會員,他還是美國國家科學院、美國藝術與科學院、愛丁堡皇家學會會員,是柏林、哥廷根、哥本哈根、斯德哥爾摩等科學院院士。

諾貝爾獎

1954年因提出量子力學的統計解釋而獲諾貝爾物理學獎。

命名榮譽

1. 以他名字命名的玻恩-奧本海默近似方法在1928年發展成為原子軌道模型,玻恩近似在分布理論中起到了先驅作用。

2. 以馬克斯·玻恩的名字命名的研究所--柏林馬克斯·玻恩非線性光學和短時間光譜學研究所(Max-Born Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.)。

3. 為了紀念馬克斯·玻恩的貢獻,德國物理學會與英國物理學會1973年起每年頒發"馬克斯·玻恩獎"給在物理學領域做出特別有價值的科學貢獻,輪流頒發給英國和德國的科學家。

個人著作

  • 晶體點陣動力學》(1915年)
  • 愛因斯坦相對論》(1920年)
  • 固態原子理論》(1923年)
  • 原子動力學問題》(1926年)
  • 原子物理學》(1935年)
  • 晶格動力學》(1954年)
  • 物理學實驗與理論》(1943年)
  • 我們一代的物理學》(1956年)
  • 物理學與政治學》(1962年)

社會評價

在量子理論的發展歷程中,玻恩屬于量子的革命派,他是舊量子理論的摧毀者,他認為舊量子論本身內在矛盾是根本性的,為公理化的方法所不容,構造特徵架設的辦法隻是權宜之計,新量子論必須另起爐灶,用公理化方法從根本上解決問題。 玻恩先後培養了兩位諾貝爾物理學獎得主:海森堡(1932年獲諾貝爾物理學獎);泡利(因為提出不相容原理獲1945年的諾貝爾物理學獎)。不過,玻恩似乎沒有他的學生幸運,他對量子力學的幾率解釋受到了包括愛因斯坦、普朗克等很多偉大的科學家的反對,直到1954年才獲諾貝爾物理學獎。

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