保羅·埃倫費斯特：被遺忘的物理學家和無與倫比的導師_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-08-17 09:52
撰文 | Eric. Johnson（辛辛那提聖約瑟夫山大學化學系副教授）
翻譯 | 1/137
埃倫費斯特在很大程度上是一個被遺忘的人物，但他受到20世紀最聰明的學生以及最重要的科學家的喜愛
如果我們從其所結交的朋友來判斷，埃倫費斯特（Paul Ehrenfest）肯定是一位偉大的科學家。愛因斯坦曾稱他為“據我所知我們這個行業中最好的老師”。量子物理學的先驅玻爾（Niels Bohr）是他的密友和家中常客。曼哈頓計劃的領導者，費米（Enrico Fermi）和奧本海默（Robert Oppenheimer），都曾在萊頓大學埃倫費斯特的實驗室接受過博士後的學術訓練，儘管埃倫費斯特的個人貢獻稍顯遜色。如今，他在很大程度上是個被遺忘的角色，即使在物理學家中也是如此。那麼，為什麼他會被認為是一位偉大的科學家呢？
埃倫費斯特在科學上的任何偉大之處都與其博士導師玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）的學術遺產密不可分。作為19世紀的物理學巨擘，玻爾茲曼對我們理解氣體居功至偉——這一主題可能無法吸引21世紀的人們的想象力，但它在熱力學的發展中發揮了關鍵作用。通過將氣體建模為原子的集合，並遵循統計學規則，玻爾茲曼為難以捉摸的熱力學第二定律構建起了微觀基礎。這項工作的重要性隨後被發現遠遠超出了對氣體的研究，影響到密碼學和經濟學領域，甚至是宇宙大尺度結構。
然而，對埃倫費斯特來説，早在他見到他的導師之前，這些發現帶給玻爾茲曼的興奮就已經消退了。玻爾茲曼雖然仍是享譽海內外的著名科學家，卻飽受自我懷疑和顧影自憐的折磨。他已是一個心力交瘁的老人，不比埃倫費斯特內心期許的導師，尤其是他這樣已做出如此偉大發現的導師。他們之間的關係從未發揮出全部潛力，甚至他們在課堂上的互動似乎也變得不必要的複雜。在一個常被提及的故事中，埃倫費斯特贏得了玻爾茲曼的青睞，因為他向班上的其他同學特別詳盡地引用了玻爾茲曼的工作。玻爾茲曼開玩笑地回答説：“如果我對自己的工作有如此瞭解就好了！”但人們記得，埃倫費斯特也曾讓他的導師感到沮喪。在另一次課上交流中，玻爾茲曼指責這個年輕人把他當作可以榨乾汁液的檸檬。顯然埃倫費斯特只是想讓教授澄清一些困惑之處。但是，他難以抑制的交流意願——最終證明對埃倫費斯特的成功至關重要的個性特質——可能使他與這位長者疏遠了。
不過最終，這可能並不重要。玻爾茲曼在埃倫費斯特獲得博士學位僅兩年後就自殺了。儘管在一個人的自殺事件中發現任何積極的東西似乎是不恰當的，但回顧往事，玻爾茲曼的逝世很明顯為埃倫費斯特創造了一個機會，一個以未履行義務的形式出現的機會。在他去世前不久，玻爾茲曼同意為久負盛名的《數學科學百科全書》（Encyclopedia of Mathematical Sciences，以下方便起見簡稱《百科全書》）撰寫一篇關於（熱力學）第二定律的統計學基礎的文章。當那篇尚待完成的文章突然失去了原定作者後，《百科全書》的編輯克萊因（Felix Klein）需要一個替代者，這促使他求助於埃倫費斯特。克萊因曾在一次數學研討會上見過埃倫費斯特，剛剛獲得博士學位的後者在會上就第二定律這個眾所周知的棘手問題進行了異常清晰的闡述。在那次演講中，埃倫費斯特介紹了一個簡單的模型，闡明瞭玻爾茲曼工作中許多更有爭議的方面。該模型不依賴過於複雜的數學計算，而僅靠一個思想實驗——隨機選擇球在兩個罐子間來回移動；或在一個更顯幽默的版本里，跳蚤在兩隻狗身上跳來跳去，俗稱狗—跳蚤模型（dog-flea model）。無論是罐子裏的球還是狗身上的跳蚤，都説明了粒子如何在空間中分佈，以及這種分佈是如何隨時間演化。該模型體現了埃倫費斯特方法的特點，揭示了他作為一名科學家的根本天賦。他是他那一代最重要的老師。
數學研討會促成了《百科全書》的文章。《百科全書》的文章促成了埃倫菲斯特的教授職位[1]。教授職位又促成了那些友誼和合作，使他廣為人知。然而，真正的偉大意味着一種遺產，一種歷史的需要。埃倫費斯特真的是那種水準的科學家嗎？一個教師要有何種天資才能被公認為偉大？
想想索末菲（Arnold Sommerfeld）的評價吧——他培養出了諾貝爾獎得主海森堡（Werner Heisenberg）和泡利（Wolfgang Pauli）——“他講課像個大師（master），”索末菲在為埃倫費斯特申請萊頓教職的推薦信中寫道。“我從來沒有聽過一個人講得這麼有魅力，這麼有才華……他知道如何把最困難的事情具體化，並直觀地表達清楚。數學論證被他轉化成易於理解的圖像。”
埃倫費斯特在課堂外的方法也值得注意，尤其是他在培養研究生時所表現出的強韌。烏倫貝克（George Uhlenbeck），作為埃倫費斯特曾經的學生，這樣描述他在萊頓的教育經歷：“他基本上總是隻和一個學生一起工作，而且一週中每天下午都是如此。他和學生討論的要麼是他正在研究的問題，要麼是他想詳細瞭解的文獻當中的最近的論文。討論進行得很快。”烏倫貝克補充説，“到下午結束時，學生累得要死。奇怪的是，過了一段時間，倦意就消失了，一年之後，雙方几乎平等地工作。”
當20世紀的傑出科學家一起奠定現代物理學的基礎時，他們希望埃倫費斯特在場
在烏倫貝克的例子中，他不僅熬過了學徒期，而且和同學古德斯密（Samuel Goudsmit）做出了基礎性的發現——電子自旋的性質。誠然，如果不是他首先忍受了埃倫費斯特全神貫注的嚴格要求，他就可能不會有這樣的發現。富於教益的是，烏倫貝克的發現使他得到了應有的榮耀。一個不如埃倫費斯特的科學家可能會把學生的工作歪曲成他自己的，盜取屬於學生的未來的榮譽。但十分明顯，埃倫費斯特不僅是一個偉大的科學家，他也是一個好人。
對於這個好人來説，也許沒有比他的朋友兼同事愛因斯坦更令人信服的品德證人了。在他的著作《晚年文集》（Out of My Later Years）中，愛因斯坦將埃倫費斯特描述為一個“對人類的發展和命運充滿激情的人，尤其是對他的學生。理解他人，獲得他們的友誼和信任，幫助任何捲入外在或內心鬥爭的人，鼓勵有天分的年輕人——所有這些都是他真正的要素，幾乎比浸淫在科學問題中還重要。”愛因斯坦進一步指出，埃倫費斯特“總是把明晰和敏鋭帶入討論。他反對含糊和拐彎抹角，必要時運用他的機智，甚至是徹頭徹尾的粗魯。”
當20世紀傑出的科學家們一起為現代物理學奠基時，他們希望埃倫費斯特在場。他的同儕意識到，科學革命不僅需要革命性的思想，還需要有犀利的思想家來組織湧現出的故事。埃倫費斯特明顯是後一類的典範。他的傳記作者馬丁·克萊因（Martin Klein）這樣描述他的角色：“沒有人比他更深入地致力於創造20世紀物理學的概念，也沒有人比他更全力以赴地在革命的洪流中保持明晰性和可理解性。他的努力得到了同儕的認可，並因此私下被稱為物理學的良知。”
不幸的是，埃倫費斯特不滿足於僅僅作為物理學的良知。他渴望扮演一個迥然不同的角色，在革命者中贏得一席之地——而隨着年齡的增長，這種不同似乎越來越不可能。年輕的一代（他幫助培養的一代）正在改變物理學的本質，其方式似乎降低了他的技能的價值。對埃倫費斯特來説，物理一直是可形象化的事物。它讓位於具體的例子。它不僅僅是一組自洽的數學命題。（物理）意義和理解藴藏在數學之中。但年輕一代通過轉向越來越深奧的方法獲得了成功。於是當物理學開始不可逆轉地滑向抽象時，埃倫費斯特似乎被甩在了後面。
他毫不掩飾自己的困惑和羞愧。但是，他的羞愧是毫無根據的，與他的日常經驗相矛盾。物理學界一直對他推崇有加；他的同事仍然尋求他的建議。然而，他覺得自己被排除在交流之外，某種一直浮於表面的信心不足感開始滋長。在給以前的幾個學生的信中，他寫道：“每一期的《物理學雜誌》（Zeitschrift für Physik）或《物理評論》（Physical Review）都會讓我陷入盲目的恐慌中。孩子們，我真是什麼都不知道。”學生們則向他們的導師保證説，他實際上知道太多的事情。他發現最令人費解的問題——那些與新興的量子理論有關的問題——是物理學界作為一個整體面臨的重大障礙。（編者注：埃倫費斯特關於黑體輻射的工作可見《黑體輻射公式的多種推導及其在近代物理構建中的意義(三) | 賢説八道》）他們鼓勵他更為公開地談論量子理論帶來的挑戰，他做到了，但這是在一些刺激之後。他最終在《物理學雜誌》（讓他陷入盲目恐慌的雜誌之一）上發表了一篇文章。這篇文章的題為“關於量子力學的一些探究問題”（Einige die Quantenmechanik betreffende Erkundigungsfragen）。對這篇文章的回應證實，埃倫費斯特的“探究問題”不是簡單的困惑，更不是某個人的負擔。他的問題實際上指明瞭前進之路。因此，埃倫費斯特以他特有的方式，再次強調了對明晰性的需求是不可或缺的嚮導。
但這最終讓他付出了代價，也讓物理學界失去了最重要的老師。埃倫費斯特沿着玻爾茲曼的道路走向悲慘的結局。然而，他不會貿然做出決定。這封經常被引用為他遺書的信，實際上是在離他自殺一整年前寫的（但從未寄出）。在信中他寫道[2]：
“我親愛的朋友們：玻爾、愛因斯坦、弗蘭克、赫格洛茨、約飛、科恩斯塔姆和托爾曼！在接下來的幾個月裏，我實在不知道該如何繼續揹負這已變得難以承受的生活負擔……我肯定會自殺的。如果那一天真的到來，那麼我想知道，我已經平靜地、不慌不忙地寫信給你們，你們的友誼在我的生活中扮演瞭如此重要的角色。……近年來，我越來越難以理解[物理學]的發展。在努力之後，我越來越虛弱和痛苦，最後在絕望中放棄了。除了自殺，我沒有其他“實際”的可能性……原諒我。”
一年後，他的看法沒有改善。最終，這也不僅僅是物理的事。一段失敗的婚姻，鄰國德國納粹黨的崛起，以及隨後他的老朋友愛因斯坦的移民美國，所有這些因素都可能導致1933年9月25日悲劇的發生。埃倫費斯特那天早上前往阿姆斯特丹，在那裏他先是和一位以前的學生見面。雖然他打算當天晚些時候自殺，但他顯然需要最後一次扮演導師的角色。會面後，他去了他15歲的兒子瓦西克所在的“受難兒童研究所”（Institute for Afflicted Children）。瓦西克患有唐氏綜合症，不久前從一家德國診所轉院到阿姆斯特丹。納粹黨在那一年早些時候攫取了政權。到達研究所後，埃倫費斯特在候診室見到了他的兒子。他用手槍射中了兒子的頭部，然後自殺了。這是個難以名狀的結局——這一難以置信的行為背叛了他有意義的一生。埃倫費斯特是一位偉大的科學家，卻不是一個對其人生的敏鋭的評判者。
作者簡介
作者Eric Johnson是辛辛那提聖約瑟夫山大學（Mount St. Joseph University in Cincinnati）化學系主任、副教授。他是《焦慮與方程：理解玻爾茲曼熵》（Anxiety and the Equation: Understanding Boltzmann’s Entropy）一書的作者。
註釋
[1]譯註：埃倫費斯特夫婦為《百科全書》撰寫的文章在當時學術圈內引起廣泛的注意，加之一些其他因素，使萊頓大學的洛倫茲(H.A.Lorentz)指定埃倫費斯特為自己的接班人，接手那裏的教授職位。
[2]（英文）原文如下：“My dear friends: Bohr, Einstein, Franck, Herglotz, Joffé, Kohnstamm, and Tolman! I absolutely do not know any more how to carry further during the next few months the burden of my life which has become unbearable … it is as good as certain that I shall kill myself. And if that will happen some time then I should like to know that I have written, calmly and without rush, to you whose friendship has played such a great role in my life. … In recent years it has become ever more difficult for me to follow the developments [in physics] with understanding. After trying, ever more enervated and torn, I have finally given up in DESPERATION. … I have no other ‘practical’ possibility than suicide … Forgive me.”
本文譯自：The Perils of Being Paul Ehrenfest, a Forgotten Physicist and Peerless Mentor (The Perils of Being Paul Ehrenfest, a Forgotten Physicist and Peerless Mentor | The MIT Press Reader). 譯文對原題稍作了改動。
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