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数学家传记

保罗·埃伦费斯特Paul Ehrenfest

出生
1880年1月18日 奥地利维也纳
逝世
1933年9月25日 荷兰莱顿

保罗·埃伦费斯特是一位奥地利数学家,对统计力学和量子力学做出了重要贡献。

完整传记

保罗·埃伦费斯特的父亲西格蒙德埃伦费斯特出身于一个贫穷的犹太家庭。他在摩拉维亚的犹太村庄洛施维茨的一家织布厂工作时,与约翰娜·耶利内克结婚。婚后他们搬到维也纳,在那里开了一家杂货店,生意相当不错。他们有五个存活下来的孩子,埃伦费斯特是最小的,有四个哥哥阿图尔、埃米尔、胡戈和奥托。Johanna Ehrenfest在他们的店里长时间工作,埃伦费斯特在家由保姆照顾。

埃伦费斯特小时候身体不好。他体弱多病,有眩晕发作,还经常流鼻血。他遭受了附近其他孩子的反犹言论,但他的兄弟们大力支持他,在他的童年中扮演了重要角色。埃伦费斯特五岁时,他的大哥已经二十二岁了,正是通过他的兄弟们,埃伦费斯特对教育产生了兴趣。他们给他一些他喜欢解的谜题。

到六岁时,埃伦费斯特已经能读、能写、能算。这些大多是他自学的,母亲帮了一点忙,兄弟们则给予鼓励。在这个年龄,即1886年,他开始上小学,1888年转到另一所小学。他是由兄弟们而非学校引入科学和数学的,他们的态度对他产生了相当大的影响[2]:-

这种早期印象——科学是应当带着喜悦去学习的东西,是应当讨论和争论的东西——被吸收进了埃伦费斯特的最内心深处。

他于1890年完成小学学业,他的学校报告显示,那段时间在学业上非常成功,所有科目都得了最高分,但他的生活已经开始变得不幸。他的母亲已患病一段时间,于1890年死于乳腺癌。埃伦费斯特的父亲也健康状况不佳,患有胃溃疡。约翰娜去世后不久,埃伦费斯特的父亲再婚,第二任妻子是约瑟芬·耶利内克,即他第一任妻子的妹妹。约瑟芬与埃伦费斯特的大哥年龄相仿。

1890年,埃伦费斯特在Akademisches 文理中学(Gymnasium)开始接受中学教育。鉴于他在家里的问题,他在学校的表现大幅下滑,无论是成绩还是行为,或许并不令人意外。他唯一继续擅长的科目是数学。显然,他是一个不快乐的孩子[2]:-

他常常痛苦,深感抑郁,与自己及世界格格不入。

生活并未好转,因为在他十六岁时,父亲因多年逐渐恶化的胃病去世。他的长兄Arthur成为他的监护人,并设法说服埃伦费斯特不要如他所愿离开学校。情况有所改善[2]:-

埃伦费斯特显然能够从抑郁中走出来,这种抑郁有时严重到让他考虑自杀。他的知识兴趣变得更加强烈,或许作为一种自我保护的形式。

1899年夏天,埃伦费斯特成功通过了学校考试,但他的学校经历绝对是负面的,正如他后来生活中所表现的那样,他坚持自己的孩子在家接受教育。埃伦费斯特于1899年10月成为维也纳技术大学的学生。在那里,他与另外三名数学学生Heinrich Tietze汉斯·哈恩和古斯塔夫·赫格洛茨建立了密切的友谊。他们自称“不可分割的四人”。埃伦费斯特在1899-1900年间参加了路德维希·玻尔兹曼关于热力学理论的讲座。突然间,主要归功于路德维希·玻尔兹曼,他在学校对教育的负面想法被对数学和物理的巨大热爱所取代。

按照当时的惯例,奥地利和德国的学生通常不会在整段本科课程期间只待在一所大学。1901年,埃伦费斯特转学到哥廷根,师从菲利克斯·克莱因大卫·希尔伯特。在那里,他修读了马克斯·亚伯拉罕关于光的电磁理论的课程,还旁听了Stark、Walther Nernst、卡尔·史瓦西恩斯特·策梅洛的课程。在旁听菲利克斯·克莱因大卫·希尔伯特的课程时,埃伦费斯特看到了一位年轻的俄罗斯数学学生塔季扬娜·埃伦费斯特。他纳闷她为什么不来参加数学俱乐部的聚会,随后发现原因是女性不被允许参加。埃伦费斯特对这一规定提出挑战,经过一番斗争,终于使这一规定得以改变。这是他们友谊的开端,最终促成了他们的婚姻。

在哥廷根度过十八个月后,埃伦费斯特回到了维也纳。1904年,他在路德维希·玻尔兹曼的指导下于维也纳获得博士学位,论文题目属于经典力学领域:《刚体在流体中的运动与海因里希·鲁道夫·赫兹的力学》。这篇论文被认为是一项不错的工作,但埃伦费斯特本人从未给予它很高的评价,并在1904年6月23日获得博士学位后选择不将其发表。此后,塔季扬娜·埃伦费斯特从哥廷根来到维也纳与埃伦费斯特会合,他们在克服了信仰不同这一严重问题后结了婚。在获准结婚之前,两人都不得不放弃自己的宗教——婚礼于1904年12月21日举行。

1905年,埃伦费斯特发表了一篇关于马克斯·普朗克的黑体辐射理论的论文。它[2]:-

……显示出埃伦费斯特的真正兴趣、独特才能以及他个人风格的起点。

他留在维也纳,但没有职位。1906年9月,他回到哥廷根,希望那里可能有职位空缺,但没有。然而,他震惊地得知路德维希·玻尔兹曼于9月6日自杀。埃伦费斯特承担了撰写讣告的任务。菲利克斯·克莱因大卫·希尔伯特赫尔曼·闵可夫斯基康斯坦丁·卡拉西奥多里此时都在哥廷根工作,这对埃伦费斯特的研究来说是一个重要时期。菲利克斯·克莱因请他写一篇关于统计力学的文章,如果他愿意,可以与其妻子合写。两位埃伦费斯特开始撰写这篇文章,但直到1911年才付印。

1907年,埃伦费斯特前往圣彼得堡。并不是他在那里有职位,而是他的妻子是俄罗斯人,这次搬迁大概是为了找到一个能让他们感到自在的地方。诚然,鉴于他所遭遇的反犹态度,埃伦费斯特对自己的国家感情复杂。一到圣彼得堡,他就与雅各布·塔马尔金亚历山大·弗里德曼弗拉基米尔·安德烈耶维奇·斯捷克洛夫以及其他数学家和物理学家取得了联系。

埃伦费斯特夫妇在圣彼得堡度过了五年。这段时间里,埃伦费斯特深深沉浸于研究问题之中。他与妻子合作撰写了关于统计力学的综述文章,这篇文章的完成时间比预期要长。他与菲利克斯·克莱因通信,后者告诉他,需要的是对该学科所有问题的一份综述,而不是由埃伦费斯特本人给出完整解答。为了希望这能带来一个学术职位,埃伦费斯特尽管已拥有博士学位,仍在圣彼得堡攻读了物理学硕士学位。他成功获得了学位,但并未获得他所期望的学术职位。他写信给许多机构,包括北美的一些机构,试图找到职位,但他的所有询问都没有结果。

1911年,埃伦费斯特在Annalen der Physik上发表了一篇重要论文,论述quantum theory的基本特征。1912年1月,埃伦费斯特出发前往德语世界的各所大学巡访,希望获得一个职位。他访问了柏林,在那里见到了马克斯·普朗克;莱比锡,在那里见到了老朋友赫格洛茨;慕尼黑,在那里遇到了阿诺·索末菲;然后是苏黎世、维也纳和布拉格,在布拉格他第一次遇到了阿尔伯特·爱因斯坦。在旅途中,他得知儒勒·昂利·庞加莱写了一篇关于量子理论的论文,其结果与他Annalen der Physik论文中的结果相似。儒勒·昂利·庞加莱并不知道埃伦费斯特的贡献,因此没有引用他的工作。

埃伦费斯特回到圣彼得堡,令他难过的是,儒勒·昂利·庞加莱的论文已经发表,而他还没来得及向儒勒·昂利·庞加莱指出自己的贡献——他为与圣彼得堡主流研究隔绝付出了代价。然而,他的命运即将改变。亨德里克·洛伦兹正在寻找一个人来继任他在莱顿的讲席。阿诺·索末菲推荐了埃伦费斯特,写道(见[2]):-

他讲课像一位大师。我几乎从未听过一个人讲话如此引人入胜、才华横溢。意味深长的语句、机智的论点和辩证手法,他都以非凡的方式信手拈来……他知道如何把最困难的东西讲得具体而直观清晰。数学论证经他翻译成易于理解的图像。

1912年9月29日,埃伦费斯特收到一封电报,说他已被任命为莱顿的教授。他在莱顿度过了余下的职业生涯。我们现在来考察他在那里工作期间做出的一些贡献。

1917年和1920年,埃伦费斯特发表论文,研究物理空间的三维性质在多大程度上由基本物理方程的结构所决定,或反映在这些基本方程中这一问题。埃伦费斯特的论证既基于艾萨克·牛顿的天体力学,也基于阿尔伯特·爱因斯坦的相对论。

埃伦费斯特对量子统计的贡献在于理解了光子的性质,以及由马克斯·普朗克辐射定律所蕴含的光子属性。他研究量子理论,并将其应用于旋转物体。他认识到安德烈-马里·安培的分子电流与经典统计力学不相容。他提出了一个扩散模型,以阐明热力学第二定律的统计解释,即封闭系统的熵只能增加。现代非平衡态热力学把路德维希·玻尔兹曼的分子、碰撞观念与埃伦费斯特的统计观念结合起来,给出一种非线性的统计理论。

1933年,埃伦费斯特提出了基于自由能函数导数不连续性的相变分类。

乔治·乌伦贝克是埃伦费斯特的学生,1920年开始攻读硕士学位的研究。他谈到埃伦费斯特的教学风格[9]:-

先有断言,后有证明……他著名的清晰性[不应]与严格性混为一谈。……他从不提出或制造问题;他不相信问题;在他看来,唯一值得考虑的问题是你自己提出的问题。……他基本上一次只与一个学生工作,而且实际上每周几乎每天下午都如此。

关于埃伦费斯特的数学技能,乔治·乌伦贝克写道[9]:-

尽管他懂数学,但对他来说并不简单。他不是计算机。他不能计算。

埃伦费斯特在20世纪20年代初的讲座,10写道:-

埃伦费斯特的研究生讲座由一门为期两年的课程组成:詹姆斯·克拉克·麦克斯韦理论,以电子理论和一些相对论结束,一年;以及统计力学,以原子结构和量子理论结束,另一年。

1925年,当量子力学开始主导理论物理学的工作时,埃伦费斯特感到他有问题[9]:-

我想他一直憎恨它。所有这些年轻人,他们非常轻松地做出了这些计算……而你不需要理解太多。你只是计算,你做这个,你做那个,一切都出来了……因此,有一种以大卫·希尔伯特的基础、用算符构建起来的数学装置,它具有某种抽象性。这如此违背他的信条,我相信他为此感到痛苦。……他完全理解这一切。他说他只是太老了。真正参与其中违背了他的信条。

尼尔斯·玻尔和埃伦费斯特于1918年开始通信。当他们在莱顿7会面时:-

[埃伦费斯特]和尼尔斯·玻尔有许多可以一起谈论的话题——从量子理论的当前问题到冰岛萨迦,从儿童发展的阶段到真正的物理学家与其他人的区别。他们的交流遍及天地,埃伦费斯特向他的新朋友展示了荷兰博物馆的珍宝和球茎田的绚丽色彩。

埃伦费斯特在1921年第三届索尔维会议上介绍了尼尔斯·玻尔的结果。尼尔斯·玻尔因过度劳累没有出席。1921年晚些时候,尼尔斯·玻尔邀请埃伦费斯特去哥本哈根。他回复道:-

亲爱的,亲爱的玻尔,我非常非常想再次和你在一起。

埃伦费斯特对尼尔斯·玻尔阿尔伯特·爱因斯坦在量子理论上的分歧感到不快。1925年12月,他在莱顿的家中把他们聚在一起,试图让他们达成一致的立场。他们没有达成,埃伦费斯特非常不快,因为他被迫在他两个亲密朋友中的一个站边。他在1927年流着泪说,如果被迫做出选择,他将不得不赞同尼尔斯·玻尔

1931年5月,埃伦费斯特写信给尼尔斯·玻尔[3]:-

我已完全与理论物理失去联系。我再也读不进任何东西,觉得自己无能,甚至无法对洪水般的文章和书籍中什么才是有意义的有一点最微薄的把握。也许我已根本无可救药。

埃伦费斯特一生都受自卑之苦,这与他的科学家同行对他的高度尊重形成鲜明对比。他的儿子Wassik患有唐氏综合征,在身体和智力上都有严重问题,这也令他极为悲伤。

他最后一封信(从未寄出)是一份令人悲伤的文件(例如见[3]):-

我亲爱的朋友们:尼尔斯·玻尔阿尔伯特·爱因斯坦、Franck、赫格洛茨、Joffé、Kohnstamm和Tolman!

我完全不知道在接下来的几个月里如何继续承受我已经无法忍受的生活重担。我再也无法忍受让我的莱顿讲席付诸东流。我必须辞去这里的职位。也许我能在俄罗斯用尽我余下的力量。……然而,如果不能很快明确我能做到这一点,那么几乎可以肯定我会自杀。如果那真的发生,我希望知道我曾平静而不匆忙地写信给你们,你们的友谊在我生命中扮演了如此重要的角色。……

近年来,我越来越难以理解物理学的发展。在越来越疲惫和撕裂的尝试之后,我终于在绝望中放弃了。这让我对生活完全厌倦……我确实感到被判继续活着,主要是出于对孩子们的经济担忧。我尝试了其他事情,但那只短暂地有所帮助。因此我越来越专注于自杀的精确细节。除了自杀,我没有其他实际可能,而且是在先杀死Wassik之后。原谅我……

愿你和你的亲人安好。

这封信,以及他写给学生们的一封类似信件,从未寄出。埃伦费斯特在阿姆斯特丹的沃特林教授研究所的候诊室里枪杀了正在接受治疗的瓦西克。随后他开枪自杀。荷兰报纸只报道了他的突然去世,并长篇累牍地叙述了他的成就。

阿尔伯特·爱因斯坦2中这样评价埃伦费斯特:-

他不仅是我所认识的本行业中最优秀的教师;他还热切关注着人们的发展和命运,尤其是他的学生们。理解他人,赢得他们的友谊和信任,帮助任何陷入外部或内心挣扎的人,鼓励年轻才俊——所有这些都是他真正的本色,几乎超过了他对科学问题的沉浸。

参考文献

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