数学史 · 中文镜像

数学家传记

汉斯·贝特Hans Bethe

出生
1906年7月2日 德国斯特拉斯堡(今法国斯特拉斯堡)
逝世
2005年3月6日 美国纽约伊萨卡

汉斯·贝特是研究量子力学的数学家和物理学家。

完整传记

汉斯·贝特于1906年出生在斯特拉斯堡,当时这里是德皇威廉二世的德意志帝国的一部分。如今,斯特拉斯堡作为阿尔萨斯的一部分属于法国,尽管它与德国巴登地区接壤。贝特的父母是阿尔布雷希特,一位医生,和埃拉,她的父亲是斯特拉斯堡大学的医学教授。贝特是独生子,父亲是新教徒,母亲从犹太教改信路德宗,不过宗教在他童年时期绝非主要影响。他的母亲是一位有造诣的音乐家,遗憾的是,就在第一次世界大战前夕,她失去了大部分听力。

可以肯定地说,贝特小时候的数学能力远超他的年龄。他本人和亲戚的回忆包括:他四岁时就能计算平方根,五岁时完全理解分数,七岁时就能找出素数。后者的证据是他能够计算并记住一张包含21432^{14} - 3310+23^{10} + 2的素数表。到十四岁时,他已自学了微积分。

但数学和数字的世界并不是他唯一的特长。他很早就学会了写字,不久之后便开始在笔记本上写满故事。一个不寻常之处是,他在一行上从左到右写,然后在下一行从右到左写,他很久以后才知道,古希腊人在他们的一些泥板上也采用这种书写方式。

1924年完成高中学业后,他进入法兰克福大学学习理论物理,因为他觉得:——

……数学似乎能证明那些显而易见的事情。

他的兴趣和能力超出了法兰克福所能提供的范围,有人建议他去慕尼黑,1926年,他在那里开始师从传奇的阿诺·索末菲。到1928年,他以一篇关于晶体中电子衍射的学位论文获得了最优等成绩的博士学位。这篇卓越的学位论文是他最持久、最重要的著作之一。

通过将电子视为波,他意识到波函数必须包含某些与晶体晶格结构具有相同周期性的项。这意味着对于某些入射角,晶格中的电子不存在波函数。这不仅是对固体物理学的重大贡献,也是对量子力学基础的重大贡献,因为它进一步展示了物质波状特性的不寻常后果。

1929年,贝特获得了洛克菲勒基金会奖学金,这使他得以在剑桥与拉尔夫·福勒共事,并在罗马与恩里科·费米共事。在剑桥期间,他与同为访问学者的吉多·贝克和沃尔夫冈·里茨勒合写了一篇关于绝对零度量子理论的论文,结果证明这是一个骗局,目的是让另一位剑桥物理学家(也是拉尔夫·福勒的好友)亚瑟·爱丁顿难堪。亚瑟·爱丁顿刚刚发表了一个精细结构常数的“推导”,而精细结构常数被认为是一个无法推导的实验值。贝特、贝克和里茨勒的这篇论文后来被正式撤回。

那年他在罗马时,贝特发现那里的氛围比剑桥更加不拘礼节。他相当喜欢剑桥,尤其是拉尔夫·福勒,但他与恩里科·费米的关系可以说更加有机,不那么机械。恩里科·费米教会了贝特定性推理的价值,以及物理学不必——事实上should not——是苦差事,而是令人愉快的。在罗马逗留之后,他回到德国,在蒂宾根大学担任讲师直到1933年。

随着1933年希特勒上台和种族法律的颁布,贝特因母亲的犹太血统而失去了工作。阿诺·索末菲确实设法为他争取到了慕尼黑的一个暑期奖学金,但起初几乎没有长期机会。阿诺·索末菲试图为他在曼彻斯特的威廉·劳伦斯·布拉格那里谋得一个职位,但由于一系列不寻常的情况,他最终去了别处。碰巧的是,布拉格访问康奈尔大学的时候,正是贝特在寻找职位的时候,也正是曾与贝特在慕尼黑学习的劳埃德·P·史密斯推荐他填补康奈尔大学一个空缺的理论物理职位的时候。布拉格对贝特评价极高,也转达了阿诺·索末菲的赞扬,于是这份工作就归他了。贝特此后一生都留在康奈尔大学。

贝特的工作逐渐主要集中于核研究。尽管如此,只是在他的朋友Edward Teller一再敦促下,他才参加了1938年专门讨论恒星核心能量产生问题的华盛顿会议。这将成为他一生中的分水岭,因为他终于能够通过将核合成的理论工具应用于该领域迄今收集的数据来解决能量产生问题。正是由于这项工作,他于1967年获得了诺贝尔物理学奖。

这项工作的最高成就是在1939年,当时他在Physical Review上发表了一篇论文,基本上展示了恒星如何发光。然而奇怪的是,他在质子-质子反应方程中省略了中微子。这是因为五年前他与鲁道夫·佩尔斯一起得出结论,认为这样的过程是不可观测的。尽管如此,他的结论——CNO循环驱动了比太阳质量大得多的恒星的能量产生,而ppp-p反应驱动了较轻恒星的能量产生——几乎是每本天文学入门教材的基本内容。

凭借他在固态晶格量子力学方面的工作和在恒星核合成方面的工作,他已经是多个子领域中成就卓著的物理学家。然而,他仍然能够对另一个不同的子领域做出重大贡献:量子电动力学(QED)。

贝特于1931年在访问罗马时从恩里科·费米那里学习了QED,当时他是经由剑桥来的。就在这之后,他为Handbuch der Physik (物理学百科全书)发表了一篇评论,大量涉及氢和氦的量子理论。他在恒星核合成方面工作的种子可以在这里看到,因为这些原子在恒星过程中起着基本作用。他在QED方面的工作包括与Walther Heitler一起计算bremsstrahlung (带电粒子在穿过原子核的电场和磁场后加速或特别是减速时产生的电磁辐射),这也许是20世纪30年代QED中最重要的结果之一。但QED一直是一个有争议的理论,直到1947年,在参加Shelter Island会议后,贝特能够成功地表明QED(特别是源自保罗·狄拉克的电子理论)实际上可以对真实氢原子中的电子跃迁做出准确预测。特别是,他能够成功计算这些原子中的精细结构能级(这似乎与他嘲笑亚瑟·爱丁顿的论文有些矛盾,尽管亚瑟·爱丁顿的方法不寻常且完全错误)。

除了贝特对物理学的理论贡献之外,他还是第二次世界大战期间曼哈顿计划的主要贡献者。在美国参战前后成为美国公民后,他能够参与国防相关项目,并开始在麻省理工学院辐射实验室从事雷达项目。1942年,他说服参加了J Robert Oppenheimer组织的一次夏季研究,这导致1943年成立了洛斯阿拉莫斯实验室,贝特担任理论部主任。他的小组成员中有Edward Teller,当时仍然是他最好的朋友之一。但Teller对开发热核装置(氢弹或H弹)的独特痴迷导致他们的关系冷却(用贝特自己的话来说)。

贝特在他余生中不仅通过直接发表论文,还通过指导康奈尔大学的年轻教职员工,继续为物理学做出贡献。他经常就许多主题(尽管主要是核武器问题)向政府成员提供建议,包括多位总统。他是关注科学家联盟(UCS)的最早成员之一,该联盟部分是为了反对开发反弹道导弹(ABM)而成立的。

弗里曼·戴森记得他总是喜欢被称为“贝特”,并且他有一种不寻常的幽默感,这不仅体现在他与Beck和Reizler的恶作剧出版物中,还体现在他将自己的名字借给一篇他几乎无关的论文(而且是一篇严肃的论文),只是为了让一贯爱开玩笑的George Gamow能够与他的学生Ralph Alpher发表一篇论文,其作者行将写着:R Alpher, H 贝特, and G Gamow。这就是现在著名的(臭名昭著的?)α,β,γ\alpha, \beta, \gamma paper

贝特在晚年仍然相当活跃,最近参加了几个关于Michael Frayn获奖戏剧Copenhagen的组织论坛。他对物理学界的巨大影响的一个明显迹象是,在他于2005年初去世后,美国物理学会出版的Physics Today整期都献给了他。贝特于1955年荣获马克斯·普朗克奖章,并于1961年获得美国原子能委员会的恩里科·费米奖。1957年,他当选为伦敦皇家学会会士,以及华盛顿特区的国家科学院(美国)成员。

参考文献

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