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数学家传记

奥斯卡·克莱因Oskar Klein

出生
1894年9月15日 瑞典斯德哥尔摩默比
逝世
1977年2月5日 瑞典斯德哥尔摩

奥斯卡·克莱因是一位瑞典理论物理学家,他的思想在弦理论的发展中很重要。

完整传记

奥斯卡·克莱因是瑞典第一位拉比Gottlieb 克莱因的小儿子,Gottlieb 克莱因原籍南喀尔巴阡。Gottlieb 克莱因在海德堡获得博士学位,并于1883年移居瑞典。他显然在年幼的儿子心中灌输了求知的兴趣,因为克莱因从小就对生物学颇为喜爱。大约15岁时,这种兴趣转向了化学,不久之后,即1910年,Svante Arrhenius似乎是在Gottlieb的授意下,邀请克莱因到他在诺贝尔研究所的实验室工作。在这里,他对溶解度产生了兴趣,并于1912年发表了他的第一篇论文,内容是关于氢氧化锌在碱中的溶解度。这一年正是他完成中学教育的那一年。然而,他直到1914年才参加大学考试。

Arrhenius想派克莱因去巴黎大学Jean-Baptiste Perrin的实验室工作,但这一计划因第一次世界大战的爆发而落空。I. Klein发现自己被卷入风暴之中,于1915年和1916年服兵役。服役结束后,战争仍在激烈进行,他回到Arrhenius身边工作。

他们现在的工作重心是研究醇在不同溶剂中的介电常数。在斯德哥尔摩的这段特殊逗留期间,他遇到了Hendrik A 汉斯·克拉莫斯,后者当时(1917年)是哥本哈根尼尔斯·玻尔的学生。在接下来的几年里,克拉莫斯和克莱因在斯德哥尔摩和哥本哈根多次会面,而哥本哈根将成为克莱因的下一个目的地。

1917年,克莱因获得了一笔出国留学奖学金,随后于1918年抵达哥本哈根。在接下来的两年里,他往返于斯德哥尔摩和哥本哈根之间,为尼尔斯·玻尔和Arrhenius工作,1919年夏天与克拉莫斯在哥本哈根度过,最终于1920年返回斯德哥尔摩。但这并不是他在哥本哈根经历的终结。事实上,这仅仅是个开始。

尼尔斯·玻尔于1920年前往斯德哥尔摩拜访克莱因,并说服他再次回到哥本哈根,在尼尔斯·玻尔的研究所工作。克莱因同意了,并开始了一段后来证明成果丰硕的合作关系,最终为他带来了第一份教职。

大约在这个时候,尼尔斯·玻尔正与Svein Rosseland研究原子与自由电子混合物的统计平衡。当时人们相信,电子与原子碰撞总会损失能量。然而,克莱因与Rosseland合作,提出了“第二类碰撞”,在这种碰撞中电子实际上获得了能量!

克莱因继续在“分子通道”的另一侧工作,将注意力转向离子。事实上,这引导他进行了学位论文研究,在其中他利用约西亚·威拉德·吉布斯的统计力学研究了强电解质中离子之间的力。其结果是对布朗运动的广义表述。他于1921年在斯德哥尔摩高等学校进行了博士论文答辩,答辩对手是Erik Ivar 埃里克·伊瓦尔·弗雷德霍姆,这位数学物理学家以其在积分方程和谱理论方面的工作最为著名。成功答辩后,克莱因回到哥本哈根,后来协助尼尔斯·玻尔前往哥廷根。

大约在这个时候,克莱因转向发表关于物理学的半通俗作品。他在这个新领域的首部作品是一篇哲学论文,反驳了瑞典哲学家对相对论的一项反对意见。毫不奇怪,正是在这个时候,他开始寻找工作。

1923年,克莱因与Gerda Agnete 海里格·冯·科赫结婚,并搬到密歇根州安娜堡,在密歇根大学任职,他获得这个职位很大程度上要感谢他尊敬的朋友尼尔斯·玻尔。他在安娜堡的第一项工作涉及反常埃里克·克里斯托弗·齐曼效应,这个问题源于当时没有人理解原子在磁场中的行为。经典齐曼效应简而言之被解释为磁场使谱线分裂。问题在于经典理论只能有效描述总电子自旋为零的原子。两者的差异可以从它们的哈密顿量中看出。对于正常齐曼效应,哈密顿量为:

H1=e2mcL.BH_{1} = \Large\frac{e}{2mc}\normalsize \bf{L} . \bf{B}

对于反常齐曼效应,哈密顿量变为:

H1=e2mc(L+2S).BH_{1} = \Large\frac{e}{2mc}\normalsize (\bf{L} + 2\bf{S}) . \bf{B}

额外项来自具有自旋的物体的内禀偶极矩,其中S\bf{S}是自旋角动量。在当时(1923年),这是一个相当棘手的问题,但克莱因并未止步于此。

他接着研究双原子分子与进动电子的相互作用,研究分子内部的角动量。次年,即1924年,他教授了一门电磁学课程,并讲授了引力场与电磁场联合场中的带电粒子。这是他关于统一场论的里程碑式工作的开端。

克莱因选择通过本质上将他的工作扩展到第五维来解决这个问题,尽管他早期的统一思想以量子物理为核心催化剂。他通过设定p52=m2p_{5}^{2} = m^{2}来做到这一点。Brink [5]曾说克莱因的驱动力是:-

……希望有一种形式体系,把波方面和粒子方面都作为极限包含在内。

一段时间之后,克莱因越来越少主张量子物理能导致一幅统一图景,事实上他后来完全放弃了这一想法。然而,他确实看到了在五维中实现统一的可能性,这似乎在他最初的尝试中就已经存在。

此时,克莱因显然不知道西奥多·卡鲁扎的工作。西奥多·卡鲁扎在1919年寄给阿尔伯特·爱因斯坦一篇论文,提出将引力与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的光的理论统一起来。阿尔伯特·爱因斯坦起初对这篇论文不感兴趣,但后来意识到其中包含的高度原创的思想,并鼓励西奥多·卡鲁扎发表他的想法。事实上,这篇论文是由阿尔伯特·爱因斯坦本人于1921年12月8日提交的。

1925年,克莱因回到哥本哈根,染上了肝炎。他病了半年,不过1925年7月维尔纳·海森堡来看望过他,1926年1月埃尔温·薛定谔也来看望过他。大约就在这时,他终于能够重新工作。也正是在这时,他终于知道了西奥多·卡鲁扎的工作。沃尔夫冈·泡利把这项工作告诉了他和克莱因:-

……试图从沉船中抢救出我能抢救的东西。

克莱因对西奥多·卡鲁扎工作的改造与原作有一个重大区别:那个额外维度即第五维卷曲成一个球,其尺度约为马克斯·普朗克长度,即103310^{-33}厘米。然而,重要的是要注意,这个额外维度虽然卷曲起来,本质上仍然是欧几里得的。基本上,第五坐标不可观测,但它是一个与电荷共轭的物理量。正如Kragh [4]所解释的,克莱因试图把电的原子性解释为一种量子定律。他还试图解释电子和质子。

克莱因假设第五维度是周期的,周期为l=c2kel = \hbar c \Large\frac{\sqrt {2k}} {e},其中ee是电子的电荷,kk阿尔伯特·爱因斯坦的引力常数。该维度在马克斯·普朗克长度量级。

克莱因的结果于1926年秋发表在Nature上,引起了弗拉基米尔·福克、Leon Rosenfeld、路易·德布罗意迪尔克·扬·斯特勒伊克等著名理论家的兴趣。不幸的是,尽管最初对统一抱有很大兴趣,大多数物理学家最终还是转向了更有希望、更可用实验检验的研究,把西奥多·卡鲁扎-克莱因理论留给将近半个世纪之后的另一代物理学家去探索。用克莱因自己的话说:-

保罗·狄拉克完全可以说,我的主要麻烦来自试图一次解决太多问题。

也正是在1926年,克莱因被任命为隆德大学的讲师(Docent),并在接下来的五年里成为尼尔斯·玻尔在通信和互补性方面最密切的合作者,而且显然对不确定性原理的发展有所贡献,正如维尔纳·海森堡所回忆的:-

经过几周并非没有压力的讨论,我们很快得出结论——尤其是由于克莱因的参与——我们实际上指的是同一回事,而不确定性关系只是更一般的互补原理的一个特例。

事实上,1926年对克莱因来说是一个辉煌的年份。除了终于从肝炎中康复并在隆德成为讲师之外,也正是在这一年,他做出了下一个伟大的理论突破。在一篇他确定原子跃迁概率的论文中(早于保罗·狄拉克),他引入了后来被称为克莱因-Gordon方程的初始形式。

克莱因-Gordon方程是第一个相对论性波动方程。该方程可以写成:

2ψt2=c22ψm2c42ψ\Large\frac{\partial^2 \psi}{\partial t^2}\normalsize=c^2 \nabla^2 \psi - \Large\frac{m^2 c^4}{\hbar^2}\normalsize\psi

有趣的是,这个方程在弗洛伦斯·南丁格尔·大卫玻姆1951年的书Quantum Theory中完全按照所写的样子出现,但并未被称为克莱因-戈登方程。然而,汉斯·贝特和Jackiw的Intermediate Quantum Mechanics,最初写于1964年,确实将同一个方程称为克莱因-戈登方程。克莱因和Walter Gordon最终因此获得以他们名字命名方程的荣誉,尽管似乎花了超过四分之一世纪才获得这一荣誉。奇怪的是,埃尔温·薛定谔本人私下从他的原始波动方程发展出一个相对论波动方程,实际上这并不太难做到,并且在克莱因和Gordon之前就这样做了,尽管他从未发表结果。麻烦出现在方程未能得出氢原子正确的精细结构,以及一年后(1927年)沃尔夫冈·泡利引入自旋概念时。该方程结果与自旋不相容,因此仅适用于涉及无自旋粒子的计算。但尽管如此,它是量子理论中的一个重要点,并且连同他的统一理论,确保了克莱因的持久遗产,并巩固了1926年作为他生命中关键的一年。

1926年之后的几年里,克莱因转向教学并继续他的研究,尽管速度可能有所放缓。Brink [5]引用克莱因的一位朋友兼导师的话说:-

你现在将实现这些话:去教导人民。你伟大的教学才能一直是你最强的品质之一。我不认为发现新的自然定律和指出新方向是你的强项之一,尽管你在这个方向上总是表现出一定的雄心。

1927年,克莱因被任命为哥本哈根的讲师,但仍然继续他的研究,与帕斯库尔·约尔丹合作研究量子力学中的二次量子化。

在与帕斯库尔·约尔丹的合作中,他展示了量子场与量子统计之间的密切联系。已知二次量子化保证了光子遵循萨特延德拉·纳特·玻色-阿尔伯特·爱因斯坦统计,但克莱因表明二次量子化并不局限于自由粒子。他和帕斯库尔·约尔丹展示了可以对非相对论埃尔温·薛定谔方程进行量子化,为了纪念这项工作,他又获得了一个以他命名的数学工具,即帕斯库尔·约尔丹-克莱因矩阵。

在随后的几年里,他与正在哥本哈根进行长期研究访问的日本物理学家仁科芳雄合作,研究保罗·狄拉克电子的康普顿散射问题。尽管存在所谓的克莱因佯谬,即物理学家尚未完全理解正电子,他仍能说服物理学家相信保罗·狄拉克相对论性波动方程的合理性。他持续的工作包括热力学第二定律的量子力学和克莱因引理。

1930年,他受邀接替埃里克·伊瓦尔·弗雷德霍姆在斯德哥尔摩高等学校的职位,最终回到故乡城市担任该职位,直到1962年退休。

在20世纪30年代,克莱因帮助了许多因犹太血统而被德国和其他国家驱逐的难民物理学家。在他帮助的许多人中,有一位是沃尔特·戈登,他后来与克莱因一起成为我们刚才讨论的以他们命名的方程的受益者。1943年,克莱因还协助尼尔斯·玻尔从哥本哈根逃脱。

在20世纪30年代,克莱因还抽时间参加会议,其中尤其包括1938年华沙会议,他在会上就(almost) non-Abelian gauge theories发言。这次会议包括当时一些领先的理论家,如亚瑟·爱丁顿尤金·维格纳等。正是在这次会议上,克莱因提出自旋为-1的粒子介导β衰变,并以类似于光子在电磁学中的作用方式参与弱相互作用。克莱因的假说是对统一场论的又一次尝试,这次是试图统一强、弱和电磁力。这项工作直到近二十年后才被注意,1957年由朱利安·施温格重新提出。

在20世纪40年代,克莱因研究了各种各样的课题,包括超导性(1945年与延斯·林哈德合作)、生物化学、通用pp衰变、广义相对论和恒星演化。1947年后的某个时候,他和独立工作的乔瓦尼·普皮都意识到电子和μ介子都是“弱”粒子。

在20世纪50年代和60年代,克莱因仍然活跃,1958年在第11届索尔维会议上发表演讲,1963年与Hannes Alfven共同发展了一种新的宇宙学模型,并在1964年发表于Astrophisica Norvegica的一篇论文中探讨了阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。晚年,他还对哲学产生了浓厚兴趣,尤其是科学与宗教之间的类比。此外,他开始撰写几本通俗书籍,其中大部分已绝版。

克莱因在斯德哥尔摩去世,他是20世纪最杰出的理论物理学家之一。

参考文献

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