数学史 · 中文镜像

数学家传记

拉尔夫·福勒Ralph H. Fowler

出生
1889年1月17日 英格兰埃塞克斯郡罗伊登费兹登
逝世
1944年7月28日 英格兰剑桥

拉尔夫·福勒是一位英国物理学家和天文学家。他还研究热力学和统计力学。

完整传记

拉尔夫·福勒是Howard Fowler和Frances Eva(曼彻斯特棉花商人George Dewhurst的女儿)的长子。他被描述为相当健壮,拥有响亮但和蔼的笑声。他显然从父亲那里继承了运动天赋,父亲是橄榄球和板球明星。他的父亲是牛津人,被召入律师界,但没有成为大律师,而是从商。

福勒的早期教育由家庭女教师在家中处理。十岁时,他考入Horris Hill的Evans预备学校,在那里他在田径方面表现出色,尤其是板球和足球(英式足球)。1902年,13岁时,福勒赢得了温切斯特公学的奖学金,在入学考试中排名第二(这显然让他恼火,尽管当时他生病了)。他在温切斯特度过了接下来的六年,成为Prefect of Hall(学校校长)并赢得了数学和自然科学方面的学校奖项。再一次,田径是福勒生活的主要焦点,尽管他在高尔夫方面取得了成功,但他被他的妹妹Dorothy击败,她是一位冠军高尔夫球手。

福勒在温切斯特的学术能力非凡。他的古典六年级导师Frank Carter认为,他本可以成为一名与他作为数学学者一样优秀的古典学者。但吸引他的是数学。他的数学能力与他和蔼的性格相匹配。在温切斯特,福勒结交了许多朋友。尽管他倾向于直言不讳,但他总是在事后弥补,这似乎对人们产生了影响,无论是在温切斯特还是后来,人们似乎都聚集在他周围。

他的家庭生活似乎同样平衡。人们常常可以看到他与父亲、姐姐和弟弟Christopher一起打高尔夫球。Fowler家的家庭生活显然相当幸福,福勒的父母“为了孩子们的教育尽可能完美,不惜一切,假期也安排得充实”[3]。在福勒于Winchester期间,他家从Essex搬到了Norfolk,定居在Weybourne,靠近Sheringham,Fowler一家常在那里打高尔夫球。稍后他们又搬到了Somerset的Burnham-on-Sea的Glebelands,但在此之前福勒还打了一阵板球,为Norfolk郡队效力了一段时间。

1906年12月,福勒赢得了剑桥大学三一学院的主要奖学金,并于1908年米迦勒学期前往三一学院。在三一学院,他攻读数学,于1909年完成了数学荣誉学位考试的第一部分,获得一等。1911年,他在荣誉学位考试第二部分中成为数学荣誉学位考试一等及格者(Wrangler)。1911年完成第二部分后获得学士学位,1915年获得硕士学位。1913年,他被授予数学Rayleigh奖。不用说,剑桥对福勒相当不错——或者更确切地说,福勒对剑桥相当不错。

完成学位后,福勒开始研究纯数学。他的娴熟和洞察力使他在1914年10月获得了三一学院的研究员职位。然而,第一次世界大战刚刚爆发,他获得了皇家海军炮兵队的委任。人们常常可以看到他在三一学院穿着长袍罩在军装卡其布上,这显然是一道不寻常的景象。战争倒不那么不寻常,它相当典型地带来了苦难。福勒也未能幸免。1917年,他在索姆河失去了弟弟Christopher,这对他打击很大。后来,他又以类似的方式失去了在Winchester的两位最好的朋友A D Gillespie和R H Hutchison。福勒本人在加里波利肩部受重伤。然而,这次受伤结果却喜忧参半,因为它使他结识了A V Hill,Cambridgeshires的上尉,国王学院的研究员(也是三一学院的前研究员)。因为正是Hill最终成为催化剂,将福勒的数学才能带入了物理学领域。

Hill与Horace Darwin(出自多产的Darwin家族,其中包括物理学家C G Darwin、弗朗西斯·高尔顿,以及最著名的Horace的父亲、进化论者查尔斯·高尔顿·达尔文)合作,发明了一种镜像系统,最初设计用于确定飞机的飞行路径,后来用于为防空炮瞄准德国齐柏林飞艇。福勒正好在他们开始实地测试该仪器时加入。随着有才华的年轻科学家加入这个小组,它被称为“Hill的强盗”,正是在这里,福勒建立了一些他最珍视的友谊,尤其是与爱德华·亚瑟·米尔恩的友谊,后者在福勒生前和死后都写了几篇文章和讣告。

福勒很快成为Hill的副手,在Whale岛的HMS Excellent实验部门工作。福勒作为助理主任,居住在Portsmouth,而Hill经常前往伦敦与上级沟通。Hill最终成为名誉少校,而福勒被任命为皇家海军炮兵上尉。福勒招募了一长串有能力的数学家加入这个小组,结合Hill的灵感,福勒的数学能力带领小组完成了许多重要工作。许多发表在期刊上,包括两篇现在经典的论文,发表在Philosophical Transactions of the Royal Society上,对英国和北美的弹道学领域产生了深远影响,尤其是在第二次世界大战中。

福勒显然不是“文书工作者”,他既积极参与实验,也从事繁重的论文写作。他在这一领域的工作特别使他考虑高海拔的风结构和温度结构,这可能成为他后来对热力学和统计力学兴趣的催化剂。由于他的弹道学工作,福勒于1918年被授予OBE。

1919年,福勒退役并回到三一学院,尽管后来在第二次世界大战期间他将在新成立的军械委员会中任职。正是在这时,福勒受到了刚被任命为卡文迪什教授的Lord Rutherford的影响。两人成为非常好的朋友,福勒最终于1920年被任命为学院数学讲师。在这里,他投身于各种数学问题,并最终开始转向数学物理中更近期的问题,包括各种气体动理论的工作,这再次将他引向热力学和统计力学。

1921年,福勒与艾琳结婚,她是Lord Rutherford的独生女,福勒在剑桥的好友和同事。在接下来的九年里,两人育有四个孩子,艾琳在最后一个孩子出生后不久去世。

1922年,福勒成为剑桥的学监,作为一名海军陆战队员,他非常适合这一职位,发现自己经常追赶本科生,有一次还因此受伤。也是在1922年,福勒开始了他最具开创性的工作。这最初是与C G达尔文(著名的达尔文家族的另一位成员)的合作。两人受到保罗·埃伦费斯特和Trkal工作的启发,开始研究能量分配问题。通过统计力学发展出一种研究物理化学的新技术后,两人,以及后来福勒独自,证明了Saha、费迪南德·冯·林德曼和西德尼·查普曼等人所做的一些公式和计算。1922-23年,福勒确立了高温电离解离公式的有效性。1923年初,福勒与爱德华·亚瑟·米尔恩一起,撰写了一篇关于恒星光谱、温度和压力的开创性著作。这项工作在20世纪20年代通过一系列论文继续,导致1923-24年获得剑桥大学约翰·柯西·亚当斯奖,并于1929年出版为开创性卷册Statistical Mechanics,其第二版删去了天体物理应用,于1936年出版。1939年,与E A古根海姆合著并出版了后续卷册Statistical Thermodynamics

1926年标志着他最具开创性的个人论文的发表,该论文将气态简并态(服从量子统计,由保罗·狄拉克共同发现,而保罗·狄拉克是由福勒本人引入量子理论的)与白矮星联系起来。据传,他对自己没有同时将恩里科·费米-保罗·狄拉克统计应用于导体感到恼火,这项工作后来由阿诺·索末菲完成。

福勒的兴趣范围使他在接下来的二十年里持续工作,发表了关于光谱学、物理化学、现在称为凝聚态物理(或固态物理)以及材料磁性的论文。他最终在剑桥卡文迪什实验室任职,并于1932年当选为新设立的普卢默理论物理讲席。

他与岳父Lord Rutherford密切合作,研究了许多有趣的问题,并于1935年发表了关于晶体比热的贝克讲座,1934年发表了关于氢的重同位素的利弗西奇讲座。1925年,他当选为皇家学会会士,并于1933年成为温彻斯特的会士。1936年,他被授予皇家奖章之一,并于1938年被任命为国家物理实验室主任,尽管由于健康不佳未能就职。根据爱德华·亚瑟·米尔恩的说法,从第一次世界大战前的纯粹数学家到第二次世界大战时的物理学家、工程师和管理者的转变简直令人惊讶,这极大地证明了福勒在实践事务中的能力。

1938年,他因病无法就任国家实验室主任一职,于是选择留在剑桥担任普卢默讲席。1939年战争爆发时,他不顾健康状况,立即恢复了在军械委员会的工作,并最终被选为驻加拿大以及后来驻美国的科学联络人,这两个国家他曾通过访问多伦多以及在普林斯顿大学和威斯康星大学担任访问教授而熟悉。由于担任这一联络工作,他于1942年被授予爵士爵位。

战争后期他返回英国,据称一直在为军械委员会和海军部工作,直到1944年他过早去世前仅几周。

必须说,福勒爵士是一位杰出的物理学家。但也许他最广为人知的是他对别人的影响。事实上,在1922年至1939年间,福勒指导了不下十五位皇家学会会士和三位诺贝尔奖得主。在此期间他指导的总人数达到惊人的六十四人,这意味着他在任何时候平均都有十一名研究生。人们可能会认为,这不允许他与学生之间形成任何深度的关系。然而,事实远非如此。在福勒指导下学习的人对他怀有极大的钦佩。特别是,爱德华·亚瑟·米尔恩[1]尤其被这个人所吸引,他亲切地称他为“那种即使把摩托车卖给你,你仍然可以和他保持友好的人;不可能说得更多了”,并称他为“人中之王”[2]。

除了对他产生深远影响的爱德华·亚瑟·米尔恩之外,他还有机会影响亚瑟·爱丁顿爵士、苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡保罗·狄拉克威廉·麦克雷爵士、贝尔塔·斯韦尔斯夫人等人,或是通过直接指导,或是通过合作间接影响。即使在个人生活中,他也与杰出人物有着密切的联系,他娶了Lord Rutherford的独生女艾琳,他是在剑桥卢瑟福的卡文迪什实验室认识她的。有时他的影响仅仅是因为他被这么多人所熟知。正是福勒最终在1923年将保罗保罗·狄拉克引入了蓬勃发展的量子理论领域,使保罗·狄拉克在1925年走到了最终发现的前沿。福勒还通过尼尔斯·玻尔保罗·狄拉克维尔纳·海森堡取得了联系。正如威廉·麦克雷爵士简单地说[3]:“他在正确的时间、正确的地点,是正确的人。”

福勒的影响深远,超越了剑桥的神圣殿堂,延伸到英国和外国的政府。他生活的这一方面再次部分是时机问题。在加里波利服役于皇家海军陆战队期间,他受了重伤。在康复期间,他遇到了A V Hill,后者在防空炮术方面的工作催生了“Hill's Brigands”,这是一群才华横溢的科学家,负责开发更好的瞄准德国齐柏林飞艇的技术。这项工作产生了关于旋转炮弹空气动力学的两篇经典论文,据爱德华·亚瑟·米尔恩称,这项工作对英国和北美的弹道学产生了巨大影响。这段经历也使福勒具有足够的影响力,能够在二十年后第二次世界大战中影响英国及其盟友的行动。

在后来的这场战争中,福勒担任英国与加拿大之间以及后来英国与美国之间的联络人。1942年他被授予爵士爵位,无疑部分是由于他在两次战争中对国家的英勇服务。

在职业生涯早期,获得学位之后,福勒开始研究某些二阶微分方程解的行为。他特别研究了Emden微分方程:1ξ2ddξ(ξ2dθdξ)=θn\Large\frac{1}{\xi^{2}\normalsize} \Large\frac{d}{d\xi}\normalsize (\xi^{2}\Large\frac{d\theta}{d\xi}\normalsize ) = -\theta^{n}亚瑟·爱丁顿爵士最初表明,利用上述方程并取n=3n = 3,可以求出气态恒星的平衡态。由此他得到了恒星光度关于质量的公式。爱德华·亚瑟·米尔恩想知道如果恒星不具有这种特定的能量产生率会发生什么。他正确地推断出Emden方程必定有其他解。当爱德华·亚瑟·米尔恩向福勒透露他的想法时,福勒立即针对不同的nn值和所有类型的边界解发展出了一个新的解。由此得到的通用方程,后来对恒星天体物理学产生了相当大的影响,其形式为:ddξ(ξdθdξ)±ξσθn=0\Large\frac{d }{d\xi}\normalsize (\xi^{\sum } \Large\frac{d\theta}{d\xi}\normalsize ) ± \xi^{\sigma'}\theta^{n} = 0。这后来与他在白矮星退化态方面最具原创性的论文相关联。在这篇论文中,福勒表明白矮星的物质必定由服从恩里科·费米-保罗·狄拉克统计的气体组成——也就是说,它必定处于退化态。原子被如此剧烈地电离,以至于它们实际上没有电子。这些离子紧密堆积,留下自由电子形成退化气体,福勒将其描述为“像一个处于最低态的巨大分子”。后来发现,白矮星的平衡态由Emden方程的一个解来描述,该方程经福勒在上述方程中取n=32n = \large\frac{3}{2}\normalsize推广而来。

福勒的天才在于他能够将严格的数学严谨性应用于各种物理问题。但也许他最大的特点是他结交朋友和熟人的能力,这体现在他众多的“粉丝”以及他在科学和政治上编织的影响网中。世界在如此年轻的时候就失去了这样一位伟人,确实令人遗憾。

参考文献

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