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细数那些从事物理学的一家子

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:8

    细数那些从事物理学的一家子

    共同获得诺贝尔物理学奖的布拉格父子

    从杰出闪耀的伯努利家族到求知若渴的居里夫妇,许多著名的物理学家庭都为拓宽人类对自然的认知做出了巨大的贡献。其中有一个家族诞生了8位数学家,其他家庭则分别获得过多项诺贝尔奖项。加拿大圆周理论物理研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics)向我们介绍了10个物理学(数学)家族:

    巴丁家族:获得两次诺贝尔物理学奖的人

    美国物理学家约翰·巴丁(John Bardeen,1908-1991)因半导体工作及晶体管效应的发现而与他人共同获得1956年的诺贝尔物理学奖,并于1972年因超导的BCS理论再次获奖。巴丁因此而成为第一位、也是目前为止唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的人。

    他的大儿子詹姆斯(James)则以广义相对论的工作而闻名,尤其是他对黑洞热力学公式推导所作出的贡献。詹姆斯目前是华盛顿大学的荣誉教授及圆周理论物理研究所的杰出访问研究员。

    巴丁的二儿子威廉(William)是费米实验室的理论物理学家。巴丁的女儿伊丽莎白(Elizabeth)作为一名电脑程序员曾为波斯顿城市医院设计了应用系统,并与麻省理工学院的物理学荣誉教授托马斯·J·(Thomas J.Greytak)结为连理。

    伯努利家族:8个数学家

    从1654年到1759年,伯努利家族的三代人中诞生了八位学者,他们为包括微积分学、流体力学、概率论和统计学在内的应用数学及物理学的基础研究做出了巨大贡献。

    第一代:雅各布(Jacob,1654-1705)、尼古拉斯(Nicolaus)和约翰·伯努利(Johann Bernoulli,1667-1748)是出生于瑞士巴塞尔的三兄弟。大哥雅各布和弟弟约翰都是著名的数学家:雅各布是伯努利数的命名来源,他在概率论、微分方程、无穷级数求和、变分方法、解析几何等方面均有很大建树,是公认的概率论先驱之一;而约翰则是微积分的早期应用者,他发明了指数运算,提出洛必塔法则、最速降线和测地线问题,给出求积分的变量替换法。与此同时,他们都是变分法的创建者之一。值得一提的是,约翰培养了一大批出色的数学家,其中包括18世纪最著名的数学家欧拉、瑞士数学家克莱姆、法国数学家洛必塔,以及他自己的儿子丹尼尔、尼古拉斯第二等。

    第二代:尼古拉斯的儿子尼古拉斯第一(Nicolaus I,1687-1759)成长为一名数学教授。而约翰的孩子们中,尼古拉斯第二(Nicolaus II,1697-1726)是一名著名的数学教授,但却在31岁死于发热;丹尼尔(Daniel,1700-1782)博学广识,其成就涉及多个科学领域,他致力于流体力学,给出伯努利方程等基础理论,并在概率论中引入正态分布误差理论,编写了第一个正态分布表,成为概率论及统计学先驱;约翰第二(Johann II,1710-1790)则是一名著名的数学家和物理学家,他把光看作弹性介质中的压力波,导得微分方程并用级数求出它的解。

    第三代:约翰第二的儿子约翰第三(Johann III,1744-1807)是一位神童,他在19岁时就当选为柏林皇家天文学家。他在研究的同时遍游四海,不久后又被任命为柏林科学院数学系主任。而约翰第三的弟弟雅各布第二(Jacob II,1759-1789)则是一位数学家和物理学家,但不幸在29岁时溺水身亡。

    玻尔家族:进国家足球队踢奥运会的数学家

    丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr,1885-1962)是二十世纪当之无愧的物理学巨擘。他首次将量子概念应用于原子和分子结构中,为量子力学的发展奠定了基础,并因此获得了1922年的诺贝尔物理学奖。他通过引入量子化条件,提出了玻尔模型来解释氢原子光谱;提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学,他还是哥本哈根学派的创始人,对二十世纪物理学的发展产生了深远的影响。

    尼尔斯的儿子奥格(Aage,1922-2009)因发现原子核结构于1975年再次获得诺贝尔物理学奖。奥格接替父亲的职位,出任了哥本哈根大学理论物理研究所主任(1965年尼尔斯去世三周年时,该研究所被命名为尼尔斯·玻尔研究所。)。

    尼尔斯的弟弟哈那德(Harald,1887-1951)也同样出色。他是数学分析的先驱,奠定了周期函数研究的主要基础,他也是哥本哈根大学的数学教授。同时,他担任中卫的丹麦国家足球队获得了1908年夏季奥运会的足球亚军。

    布拉格父子:唯一一对同时获奖的父子

    能斩获两次诺贝尔奖的科学家族确有几个,但父子同时获奖的例子却只有这一个。英国物理学家威廉·亨利·布拉格(William Henry Bragg,1862-1942)与其澳大利亚出生的儿子劳伦斯(Lawrence,1890-1971)通过对X射线谱的研究提出了晶体衍射理论,并因此提出了布拉格定律,同时也改进了X射线分光计,因而获得1915年的诺贝尔物理学奖。时年25岁的劳伦斯是迄今为止最年轻的诺贝尔奖得主。这对父子在此后的几十年间都致力于解析晶体结构,布拉格这个名字几乎是现代结晶学的代名词。

    居里家族

    在几代人都从事物理研究的家族中,居里家族可谓首屈一指。玛丽·斯卡洛多斯卡·居里(Marie Sklodowska Curie,1867-1934)和他的丈夫皮埃尔·居里(Pierre Curie,1859-1906)两人与亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel,1852-1908)因在放射学方面的深入研究和杰出贡献,共同获得了1903年的诺贝尔物理学奖。他们在1902年提炼出了十分之一克极纯净的氯化镭,并准确地测定了它的原子量,从此镭的存在得到了证实。1911年,居里夫人因发现放射性元素钋和镭,再次获得诺贝尔化学奖。

    居里夫妇的大女儿伊雷娜•约里奥-居里(Irène Joliot-Curie,1897-1956)继承了家族传统,因为对人工放射性的研究和丈夫弗雷德里克•约里奥(Frédéric Joliot,1900-1958)共同获得了1935年诺贝尔化学奖。夫妻俩还于1948年领导建立了法国第一个核反应堆。

    小女儿艾芙·居里(Ève Curie,1904-2007)成为了一名作家和记者,曾撰写其母传记《居里夫人传》(Madame Curie)。尽管她并没有获得诺贝尔奖,但她的丈夫、美国驻希腊大使Henry Richardson Labouisse,Jr.(1904-1987)曾代表联合国国际儿童基金会(UNICEF)获得了1965年诺贝尔和平奖。

    伊蕾娜和弗雷德里克的孩子们同样都成长为科学家:海伦·郎之万·约里奥(Hélène Langevin-Joliot)是一名核物理学家;皮埃尔·约里奥(Pierre Joliot)则是著名生物学家。

    虽然八卦是不对的,但是你们肯定知道和居里夫人有绯闻的法国物理学家、皮埃尔生前的学生保罗·朗之万(Paul Langevin,1872-1946),没错就是贡献了朗之万动力学以及朗之万方程的那位。多年后,居里夫人的孙女嫁给了朗之万的孙子。

    马赫父子与泡利:教父与教子也算啊

    奥地利物理学家、哲学家恩斯特·马赫(Ernst Mach,1838-1916)是最早开始研究超音速运动的科学家,马赫数(音速)的命名就是为了纪念他;同时他也为多普勒效应的发现做出了主要贡献。

    恩斯特和儿子路德维希·马赫(Ludwig Mach,1868-1951)曾共同工作,以捕捉冲击波的影踪,在19世纪90年代,路德维希基于这项工作而发明的马赫-曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer)成功观测到更清晰的图像。路维德·曾德尔(Zehnder)首先于1891年提出这一构想,后来路德维希于1892年发表论文对其加以改良。

    恩斯特·马赫的教子沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli,1900-1958)则是量子力学的先驱。1945年,泡利因他在25岁时发现的泡利不相容原理而获得诺贝尔物理学奖。这一原理指出:在确定的费米子组成系统中,不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。

    奥本海默兄弟

    罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer,1904-1967)和他的弟弟弗兰克·奥本海默是美国历史上动荡时期与共产主义有关的伟大物理学家。

    1942年8月,罗伯特被任命为“曼哈顿计划”的实验室主任,建立了洛斯阿拉莫斯实验室(LANL),并于1945年领导制造出世界上第一颗原子弹,被誉为“原子弹之父”。1947年,罗伯特担任原子能委员会总顾问委员会主席。但在1953年这个分裂的麦卡锡时代,艾森豪威尔“以他早年的左倾活动和延误政府发展氢弹的战略决策为罪状起诉,甚至怀疑他是苏联的代理人”对罗伯特进行安全审查并吊销其安全特许权,这就是轰动一时的“奥本海默案件”。1963年,美国总统亲自将原子能方面的最高奖项——费米奖授予罗伯特。曾任原子能委员会主席的利林塔尔评论道,这是“为给奥本海默所蒙受的怨恨和丑恶的罪行而举行的赎罪仪式”。此外,罗伯特从1947年起一直担任普利斯顿高等研究所所长,直至1966年退休后因病去世。

    罗伯特的弟弟弗兰克则是主攻核物理和铀浓缩的粒子物理学家,他在20世纪50年代同样受到了麦卡锡主义的迫害。弗兰克与妻儿被“下放”到科罗拉多州做了十年的牧民,出于对科学教育的热爱,他后来还在科罗拉多大学及一所中学教授物理。他深信建立科学中心这样一种新的教育形式,一定能够增进和发展大众理解科学的能力。60年代初,弗兰克开始了他的环球考察,一种新的构想在他的脑海中开始涌现——建立一种新型的科技博物馆。1969年,旧金山探索馆(Exploratorium)应运而生。

    拉曼与钱德拉塞卡

    印度物理学家钱德拉塞卡拉·文卡塔·拉曼(Chandrasekhara Venkata Raman,1888-1970)的父亲是数学和物理学家,他早在学生时期就开始了对光学和声学的研究。拉曼因发现光照射到分子上发生散射时波长会发生一定变化(称为拉曼散射)而获1930年诺贝尔物理学奖,如今,拉曼散射已经成为化学、物理学、材料科学研究必不可少的工具。同时,他也对光量子自旋的发现做出了贡献。

    拉曼的外甥苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar,1910-1995)是一名天体物理学家,他在恒星内部结构理论、恒星和行星大气的辐射转移理论、星系动力学、等离子体天体物理学、宇宙磁流体力学和相对论天体物理学等方面都有重要贡献,他在1983年因对星体结构和演化的理论研究而获诺贝尔物理学奖。稳定白矮星的最大质量——钱德拉塞卡极限即以他命名。

    西格巴恩家族

    作为X射线光谱学的早期研究者,瑞典物理学家曼内·西格巴恩(Manne Siegbahn,1886-1978)研发出X射线的高精度测量技术,推动了量子论和原子物理学的发展,并由此获得1924年的诺贝尔物理学奖。

    曼内的儿子凯·西格巴恩(Kai Siegbahn,1918-2007)跟随父亲研究这一领域并成为了激光光谱学的专家。他致力于研发一种用电子检测复合材料成分和纯度的新技术——X射线光电子能谱分析(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS),并于1954年获得了氯化钠的首条高能高分辨X射线光电子能谱。在与西格巴恩的合作下,美国惠普公司于1969年制造了世界上首台商业单色X射线光电子能谱仪。1981年,他与尼古拉斯·布隆伯根及阿瑟·伦纳德·肖洛共同获得诺贝尔物理学奖,被公认为化学分析用电子能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis,ESCA)的带头人。

    凯的两个儿子也都成为了物理学家:佩尔(Per)目前是瑞典斯德哥尔摩大学的量子科学教授,汉斯(Hans)则是乌普萨拉大学的分子及凝聚态物理教授。

    汤姆逊父子:电子是粒子,电子是波

    英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊(Joseph John Thomson,1856-1940)是第三任卡文迪许实验室主任,以其对阴极射线和气体电导率的研究和发现电子的实验著称。1897年,汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中,证实了电子的存在,并测定了电子的荷质比,轰动了整个物理学界,也因此在1906年荣获诺贝尔物理学奖。

    20世纪20年代,汤姆逊的儿子乔治·佩吉特·汤姆森(George Paget Thomson,1892-1975)在这一领域做出了进一步的研究,他的电子衍射实验显示电子是以波的形式存在,尽管电子也是由微小的颗粒组成。他由此分获1937年诺贝尔物理奖,并于1943年受英国封爵。父亲发现电子是粒子,儿子发现电子是波,也传为一段美谈。

    来源 圆周理论物理研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics)

    翻译 张雪

    审校 胡家僖

    原文链接:

    https://www.perimeterinstitute.ca/news/physics-runs-family

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