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数学家传记

卡尔·史瓦西Karl Schwarzschild

出生
1873年10月9日 德国美因河畔法兰克福
逝世
1916年5月11日 德国波茨坦

卡尔·史瓦西是一位德国物理学家和天文学家,他研究了最终导致预言黑洞存在的数学。

完整传记

卡尔·史瓦西的父母是Henrietta Sabel和Moses Martin Schwarzschild。这个家庭是犹太人,史瓦西的父亲是法兰克福商业界的一位富裕成员。Dieke在[1]中写道:-

从他母亲,一个活泼、温暖的人,史瓦西无疑继承了他快乐、外向的个性;从他父亲,继承了持续努力工作的能力。

史瓦西 是他父母六个孩子中最大的,有四个弟弟和一个妹妹。他也是一个更大的亲戚大家庭的一员,这些人有教养,兴趣主要在艺术和音乐上。然而,他并不是从直系或旁系家庭中获得对科学的热爱的,因为他成为家族中第一位科学家。

他在法兰克福的一所犹太小学上学,直到十一岁,然后他进入了那里的文理中学。正是在这个阶段,他对天文学产生了兴趣,并节省零花钱为自己购买材料,如透镜,以便制作望远镜。史瓦西的父亲与J 保罗·爱泼斯坦教授关系友好,后者是Philanthropin学院的教授,并拥有自己的私人天文台。他们的友谊源于对音乐的共同兴趣。爱泼斯坦教授有一个儿子,Paul 保罗·爱泼斯坦,比史瓦西大两岁,两个男孩成为了好朋友。他们共同对天文学感兴趣,史瓦西学会了如何使用望远镜,还从他的朋友Paul 保罗·爱泼斯坦那里学到了一些高等数学。

在很大程度上,正是他通过与保罗·爱泼斯坦的友谊所学到的东西,使史瓦西在十六岁时掌握了天体力学。这种掌握如此之深,以至于他在这个年龄还在法兰克福中学时,就写了他的前两篇关于双星轨道理论的论文。这些论文于1890年发表在Astronomische Nachrichten上。

史瓦西在1891-93两年间于斯特拉斯堡大学学习,期间学到了大量实用天文学知识,随后在慕尼黑大学获得博士学位。他的学位论文是关于将儒勒·昂利·庞加莱的旋转体稳定构型理论应用于卫星的潮汐变形以及皮埃尔·西蒙·拉普拉斯太阳系起源,由Hugo von Seeliger指导。史瓦西从Seeliger的教学中获得了极大的启发,这影响了他的一生。

获得博士学位后,史瓦西 被任命为维也纳郊区奥塔克林的冯·库夫纳天文台的助理。他于1896年10月上任,任职至1899年6月。在天文台期间,他研究利用照相底片确定恒星视亮度的方法[4]:-

……一项长期持续的研究,既需要细节上的精益求精,也需要构思上的卓越才华。

他于1899年6月离开冯·库夫纳天文台,成为慕尼黑大学的Privatdozent,并提交了关于测量恒星星等的工作作为他的教授资格论文(Habilitation)学位论文Beiträge zur photographischen Photometrie der Gestirne (对恒星照相测光的贡献)。这项工作使他做出了几项重要发现。首先,他看到他测量的照相星等与已列表的目视星等不同。他意识到差异是由于恒星颜色不同造成的。他从冯·库夫纳天文台选择367颗恒星进行测量,其中包括两颗变星。用他的照相方法测得的星等变化范围远大于目视星等的变化范围。他正确地认识到,这是由于变星在其周期中表面温度的变化。

在1900年于海德堡举行的德国天文学会会议上,史瓦西讨论了空间是非欧几里得的可能性。同年,他发表了一篇论文,给出空间曲率半径的下限为2500光年。他还研究了太阳的辐射压,并假设彗尾由能很好反射光的球形粒子组成,计算了彗尾中粒子的大小。他知道辐射压必须克服引力,也知道粒子不散射光。这使他推断出粒子的直径必须在0.07到1.5微米之间。

从1901年到1909年,他是哥廷根大学的非常任教授,同时也是那里天文台的台长。在哥廷根,他与菲利克斯·克莱因大卫·希尔伯特赫尔曼·闵可夫斯基合作。不到一年,他就被提升为常任教授。亚瑟·爱丁顿在[4]中写道:-

对于一位在数学和物理所有分支都有广泛兴趣的人来说,这样的环境一定非常适宜……

史瓦西在哥廷根期间发表了关于电动力学和几何光学的论文。他在哥廷根天文台工作期间进行了大规模的恒星亮度巡天,出版了Aktinometrie (《辐射测量学》)(第一部分于1910年,第二部分于1912年)。1906年,他研究了能量通过辐射在恒星中的传输,并发表了一篇关于太阳大气辐射平衡的重要论文。1909年10月22日,他与Else Posenbach结婚,她是哥廷根一位外科教授的女儿。他们有三个孩子:Agathe、Martin(生于1912年5月31日,后来成为普林斯顿大学天文学教授)和Alfred。

结婚后,在1909年底,史瓦西离开哥廷根,就任波茨坦天体物理天文台台长。这是德国天文学家所能获得的最负盛名的职位,他非常成功地担任了这一职务。他有机会研究1910年波茨坦探险队前往特内里费拍摄的爱德蒙·哈雷彗星回归的照片。他还在光谱学方面做出了重大贡献,这成为他此时非常感兴趣的一个主题。

1913年,史瓦西当选为柏林科学院院士。在他的入院演讲中,他很好地表明了自己对科学的态度(例如参见[4]):——

数学、物理学、化学、天文学,齐步前进。无论哪个落后,都会被拖拽着跟上。无论哪个加速前进,都会帮助其他学科。天文学与整个精确科学圈子之间有着最紧密的团结。……从这个方面来看,我可以认为我的兴趣从未局限于月球之外的事物,而是沿着从那里延伸到我们月下知识的线索前行;我常常对天空不忠。这是一种对普遍性的冲动,它被我的老师Seeliger无意中强化,后来又受到Felix 菲利克斯·克莱因和哥廷根整个科学圈子的滋养。那里的座右铭是:数学、物理学和天文学构成一门知识,就像希腊文化一样,只有作为一个完美的整体才能被理解。

1914年8月战争爆发时,史瓦西自愿服兵役。他曾在比利时服役,负责一个气象站;在法国被分配到炮兵部队,负责计算导弹弹道;之后又去了俄罗斯。

在俄国期间,他写了两篇关于阿尔伯特·爱因斯坦相对论的论文和一篇关于马克斯·普朗克quantum theory的论文。那篇量子理论论文解释了斯塔克效应,即氢光谱线在电场中分裂(分裂量正比于场强),可以从量子理论的假设得到证明。几乎同时,慕尼黑的一位P 爱泼斯坦独立地证明了这一点。

史瓦西的相对论论文给出了阿尔伯特·爱因斯坦广义引力方程的第一个精确解,使人们理解了点质量附近空间的几何结构。他把第一篇论文寄给了阿尔伯特·爱因斯坦,后者回复道:——

我没想到人们能以如此简单的方式表述这个问题的精确解。

这两篇论文中提出的工作为后来对黑洞的研究奠定了基础,表明质量足够大的物体其逃逸速度将超过光速,因而无法被看见。然而,史瓦西本人明确表示,他认为这一理论解在物理上没有意义,因此非常清楚地表明他并不相信黑洞的物理实在性。

他在俄国期间患上了一种叫做天疱疮的疾病,这是一种罕见的自身免疫性皮肤水疱病。患此病的人,其免疫系统将皮肤细胞误认为外来物并攻击它们,导致疼痛的水疱。在史瓦西的时代,尚无已知的治疗方法,1916年3月他因病被送回家,两个月后去世。

亚瑟·爱丁顿在[4]中写道:-

他对知识的广泛贡献使人将他与儒勒·昂利·庞加莱相提并论;但史瓦西的志趣更为实际,他对仪器方法的设计与分析的成功同样感到欣喜。……他的乐趣在于不受限制地漫游于知识的牧场,并且像游击队长一样,他的攻击落在最意想不到的地方。

史瓦西在42岁、正值成就巅峰时去世,因此他一生中获得的荣誉相对较少也就不足为奇了。然而,他于1905年当选为哥廷根科学学会会员,1909年6月11日当选为皇家天文学会 of London会士,1913年当选为德国科学院会士。他也获得了身后的荣誉,特别是一座天文台,于1960年在陶滕堡建立,作为德国科学院的附属研究所,以他的名字命名。献词中将他描述为:-

……过去一百年间最伟大的德国天文学家。

德国统一后,该研究所于1992年重建,并更名为“陶滕堡史瓦西图林根州立天文台”。德国天文学会于1959年设立了一个以他命名的特别讲座,并设立了史瓦西奖章。第一位获得者是Martin Schwarzschild,他的儿子。

参考文献

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