被遺忘的天才：他曾將愛因斯坦拒之門外_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-09-02 09:54
編譯者按
“Een Vergeten Genie”一文是著名理論物理學家Hendrik B. G. Casimir所寫的關於荷蘭天才物理學家特羅德（Hugo Martin Tetrode）的簡單生平及其物理貢獻的介紹。為了便於讀者閲讀，文後附加了原文沒有的一些關鍵參考文獻和適當的註釋（筆者藉此對本文編輯的建議與幫助表示感謝）。説特羅德是“被遺忘的天才”只是在作者當時的語境之下，時過境遷，今天看來可能並不十分“確鑿”，畢竟在物理系的熱力學統計物理課上，還要講到他與另一位德國物理化學家奧托·薩庫爾（Otto Sackur，1880-1914）各自獨立發現的Sackur-Tetrode方程（今年恰好也是該方程誕生110週年）。但是無論如何，特羅德及其物理成就對公眾，甚至物理工作者，都稍顯陌生。編譯此文，希望能夠將其歷史角色拉回公眾的視野。
撰文 | H. B. G. Casimir
編譯 | 1/137
“我正在為牛津大學出版社寫一本書，專門講述20世紀物理學中超距作用概念的歷史。我要談的一點是荷蘭物理學家特羅德（Hugo Martin Tetrode）的貢獻。他在1922年（關於超距作用）的論文，首先給愛因斯坦以及多年後的惠勒和費曼，留下了深刻的印象。問題是到目前為止我完全找不到任何關於他的生平，甚至連他的名字都沒有（除了他發表的一些論文提到他住在阿姆斯特丹）。我得承認，就此事我已經聯繫了很多國家的大學。儘管如此，我認為在書中包含一些關於這位真正被低估的荷蘭物理學家的生活細節是很重要的，他對量子和經典物理的研究是我們這一領域的持久貢獻。因為我知道你也是荷蘭人，所以我把你當作救命稻草。如果你能向我提供一些關於特羅德的生活、職業和工作的細節，或文件，我將非常感激。”
從一個著名的公式開始
這樣的信必須回覆，但首先我對特羅德知之甚少。我知道一個著名的熱力學公式以他的名字命名。我記得在1928年或之後不久，我震驚於他在德國Zeitschrift für Physik上發表的一篇非常專業的文章。令人驚訝的是，他不屬於通常的、非常小的荷蘭理論家圈子。我的老師泡利（Wolfgang Pauli）——1932-1933學年我在蘇黎世聯邦理工學院給他擔任助理——就曾經長嘆説：“在你們荷蘭有些怪才（Merkwürdige Kauze）。比如特羅德，他的工作十分出色。但沒人認識他，他似乎也不想認識任何人。”
此外，我相當確定他從未在大學或工業實驗室擔任物理學家。因為沒有其他更多信息了，所以我不得不着手調查一番。我先去查閲了電話簿，很快發現“Tetrode”這個名字非常罕見（倒是“Tetterode”更常見）。因此，打電話去特羅德家並非無望，我試了兩次就成功了。我不記得到底為什麼要去希爾弗瑟姆（Hilversum），但事實證明，住在那裏的特羅德女士仍記得自己帥氣但孤獨的堂兄。她在那時以及後來應我請求查閲了家族文檔，我非常感激她。她説特羅德的父親曾是銀行董事，這一點對我非常有幫助。
德維斯（Joh. de Vries）教授向我提供了有關特羅德家族的大量信息，他那時正在研究荷蘭銀行史。與此同時，我還通過其他方式知道到了更多東西。考克斯（A. Kox）博士正在負責出版洛倫茲（H. A. Lorentz，1853-1928）的通信集，他偶然發現了特羅德給洛倫茲的一封值得注意的信。此外，他注意到在阿姆斯特丹的塞曼（Pieter Zeeman，1865-1943）實驗室裏有一些書籍，其中的藏書票是特羅德釘上去的。我自己也在萊頓大學教授保羅·埃倫費斯特（Paul Ehrenfest，1880-1933）井井有條的通信中發現了特羅德的一些筆記。
有了這些線索，完成一個稍完整的傳記似乎並不太難，但這種期望只部分地實現了。然而我的發現是如此驚人，我認為值得講述出來。他的父親，Pieter Johan Conrad Tetrode博士（1863-1955）是金融界的知名人物，曾在多家銀行工作，1919年至1934年擔任荷蘭銀行董事。此後他還擔任過多個監事。1894年，他與Charlotte Louisa Gildemeester（1864-1942）結婚，育有三個子女：本故事主角雨果（Hugo Martin，1895.3.7-1931.1.18），妹妹海倫娜（Helena Maria，1897-1982）和弟弟彼得（Pieter，1902-1973）。特羅德終生未婚。他的弟弟和妹妹都是晚婚，沒有子嗣，他們的配偶也過世了。他出生在範德斯特拉特（Vondelstraat）的一所房子裏。1902年，他家搬到了Keizersgracht 573號，1909年又搬到了Herengracht 526號。他們一直在這住到1934年，也就是特羅德去世後，這裏一直都是他們家的地址，儘管後來他們主要住在索斯特堡的惠澤埃格蒙德（Huize Eggher-monde）。
他畢業了嗎？
我無法確定特羅德是否完成了他的畢業考試，更不要説在何時何地考的了。阿姆斯特丹的市政檔案館只記載了他沒有念市屬高中，也沒有去過第一HBS銀行。儘管勤勉地查閲了參考文獻和檔案，除了一個例外，我從後來的調查中一無所獲。但是這個例外很有意思。
在1913年版“荷蘭貴族“第4卷中提到他被萊比錫（Leipzig）大學錄取。我給萊比錫一位知名同事的信意外立功。萊比錫大學學生註冊登記系統在兩次世界大戰中得以倖存。事實證明，特羅德於10月16日註冊兩年，其間唸了數學、物理和化學。他住在教授馮·厄廷根（von Oettingen）教授的家中。他是否參加了畢業考試？是的話，他必須跳過一門或幾門課程，或參加國家考試。1912 年 8月8日，他收到了一封他參加的講座和實踐的證明。他顯然回到了阿姆斯特丹。
奇怪的是，名單上沒有關於理論物理和數學的講座。沒有證據表明他在次年再次來到萊比錫。我懷疑情況並非如此，但無論如何他沒有參加定期講座：這已在登記系統中已查明瞭。
奇蹟
現在，偉大的奇蹟到來了。1912年3月18日，著名的物理雜誌Annalen der Physik的編輯收到了他的一份手稿。它很快於5月23日發表（7月17日雜誌編輯收到了他的一份簡短補充，對前文中的一些小錯誤進行了糾正）[註釋1]。
對於一個還不到十七歲的年輕人來説，這是一件令人驚歎的工作。這表明他已經研究和理解了現代理論物理學的大部分內容，特別是玻爾茲曼和吉布斯的統計力學，他並不懼怕相當高等的數學。這已經非常難得，但更為引人注目的是，他引入了兩個大膽的假設，幾乎是不言而喻的，而這些他無法證明但合理的假設，則給出了那個著名的方程（德國物理化學家O. Sackur幾乎同時得到了同樣的方程[註釋2]）。這個理論引起了不小的轟動，洛倫茲和埃倫費斯特都研究過它。但兩人都反對特羅德的方法，雖然他們承認它導致了有用的結果。隨着量子力學後來的發展，人們才完全搞清楚特羅德為什麼是正確的。
他從萊比錫回家後做了什麼？我懷疑他一直在家裏獨立工作。1915年，他寫信給埃倫費斯特，顯然後者邀請他參加討論班，他很遺憾當天無法參加，但他希望很快能去萊頓拜訪埃倫費斯特。在不久之後的第二封信中，他感謝埃倫費斯特寄來的（論文）副本，並説可以從中學到很多東西。1915年，他在荷蘭皇家科學院院報（Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen）發表了一篇長論文，進一步闡述了他對“化學常數”的看法。這是由洛倫茲和塞曼提交的。如文檔所示，他與洛倫茲交換了意見。到目前為止，我沒有找到關於與塞曼有關係的詳細信息，但特羅德和塞曼並不是不可能相互認識。無論如何，特羅德隨後與其他荷蘭物理學家進行了一些接觸。
1916年，埃倫費斯特再次邀請他。他答稱由於健康狀況不佳無法參與討論，他也沒有在家接待訪客。這可能是結核病的第一次發作嗎？然而他對物理學的興趣並未消失：同一封信中還包含了對普朗克文章的批評。
直到1922年，他才再次“發聲”：Sanchez-Ron寫信給我提及的論文發表於Zeitschrift für Physik[註釋3]。它包含一種新的力學方法，非常新穎，非常大膽，但數學上有精確地表述。這種方法也導致了特殊的思辨性的反思，用他自己的話説：“在最後四頁中，我們寧可放棄對數學證明的思考。”我想引用幾句話，儘可能原汁原味地將特羅德（在我看來非常漂亮）的德語翻譯出來：
“因果關係，部分取決於偶然性。然而，這種觀念最初並不存在於人類頭腦中，並且在過去並未得到遵守：眾所周知，在世界事件中（人們）假設完全不同的相互聯繫，儘管是以一種相當幼稚的方式。”
在上面提到的那位表親在家族文件找到的材料中，有一張特羅德的照片，照片背面寫着“1922年夏天第一次會議，工人在演講者房子的窗口”。我還沒有確定它是哪個會議，但至少看來他已經康復並參加了一定的社交活動。1924年，特羅德給洛倫茲寫了一封長信，解釋説他過去完全陷入了對1922年論文中的想法的進一步闡述之中。他現在正朝着完全不同的方向尋找“量子之謎”的解決方案，並希望與洛倫茲討論這個問題。
我不知道他們是否真的進行了這樣的討論，但無論如何，這種方法目前也沒有被證明是富有成效的。發生在1924年至1928年之間的新量子力學的發展是沿着完全不同的路線。特羅德肯定密切關注這一發展。事實上，1928年他再次在Zeitschrift für Physik 發表了兩篇文章[註釋4]，其中包含對Dirac理論的寶貴數學補充，並顯示出他已完全掌握最新的量子力學理論。與埃倫費斯特的最後一次通信也在那一年。後者要求他寄來論文副本，並邀請他有機會來萊頓：也許他會很高興認識狄拉克或泡利。特羅德寄送了一些（論文）副本並附上禮節性的回函，稱舊論文的副本在阿姆斯特丹，他本人在蘇斯特貝赫（Soesterberg）。他一回到阿姆斯特丹就會立即寄送給埃倫費斯特，但沒有回應後者的邀請。
將愛因斯坦拒之門外
特羅德於1931年1月18日去世。其後不久，他的妹妹來到塞曼實驗室捐獻了他的科學藏書，塞曼的一名前僱員仍然清晰的記得這一幕。她説她哥哥死於肺結核，生前變得越來越怕見人，最後她幾乎成了唯一一個與他接觸的人。
有一則關於特羅德的軼事。愛因斯坦和埃倫費斯特有一次想去拜訪他，卻被他的僕人在前門謝客：“先生不待客。”這個我已聽過多次的故事聽起來可能難以置信，但它與我目前所發現的是一致的。浮現在我們面前的是一個真正有天賦的人，但健康不佳。因為經濟上的獨立，他可以抱病繼續他的研究，但也許正是這種經濟上的獨立導致了一種逐漸形成的孤獨。
無論如何，他顯然並不熱衷於參加會議和討論。也許他認為，如果他能偶爾通過發表論文和他的同行溝通，那就足夠了。我自己對此並不完全滿意。我想多瞭解一下這位傑出人物的生活方式、思維方式和工作方法。這也是我寫這篇短文的原因之一。
註釋
1. 詳見參考文獻[2]。特羅德在5月23日發表的文章中給出了熵的一個啓發性的推導，他假設基本單元相格的大小為(zh)^n．他利用液體汞的蒸氣壓數據擬合參數z。由於一些數字上的錯誤，他得到z≈0.07。在隨後對前文的勘誤中，特羅德修正了自己的錯誤，得到了z~1的正確結果。詳見參考文獻[9]。
2. 詳見參考文獻[3，4]。
3. 即文章開始西班牙科學史家J. M. Sanchez-Ron提到的“超距作用”論文，見參考文獻[5, 6]。電動力學可以用粒子間超距作用(Action at a distance)——即不引入場的情況下——加以描述，以區別於（麥克斯韋）場論。這導致了Tetrode-Fokker-Schwarzchild作用量積分。這是H. Tetrode對電動力學研究的貢獻。電動力學的超距作用思想比“場”的概念來的悠久，甚至在麥克斯韋場論被實驗所證實之後約半個世紀，也即上世紀40年代末，費曼和惠勒師徒仍然試圖以所謂的“吸收體”超距作用來詮釋。
4. 見參考文獻[7，8]。
參考文獻
[1]http://www.marceltettero.nl/mtettero/Tetrode.htm，本文原文發表於NRC Handelsblad, 1984.2.23.
[2] H. Tetrode, Die chemische Konstante der Gase und das elementare Wirkungsquantum (The chemical constant of gases and the elementary quantum of action), Ann. Phys. 38, 434-442 (1912); Berichtigung zu meiner Arbeit: “Die chemische Konstante der Gase und das elementare Wirkungsquantum”︁ (Correction to my work: The chemical constant of gases and the elementary quantum of action), ibid., 39, 255 – 256 (1912).
[3] O. Sackur, Die Anwendung der kinetischen Theorie der Gase auf chemische Probleme (The application of the kinetic theory of gases to chemical problems), Ann. Physik. 36, 958-980 (1911).
[4] O. Sackur, Die universelle Bedeutung des sog. elementaren Wirkungsquantums (The universal significance of the so-called elementary quantum of action), Ann. Physik. 40, 67-86 (1913).
[5] H. Tetrode, Über den Wirkungszusammenhang der Welt. Eine Erweiterung der klassischen Dynamik (On the interdependencies of the world. An extension of classical dynamics), Zeitschrift für Physik, vol.10, 317–328 (1922).
[6] A. D. Fokker, Ein invarianter Variationssatz für die Bewegung mehrerer elektrischer Massenteilchen (An invariant set of variations for the movement of multiple electrical mass particles), Zeitschrift für Physik vol. 58, 386–393 (1929).
[7] H. Tetrode, Der Impuls-Energiesatz in der Dirachsen Quantentheorie des Elektrons (The impulse-energy theorem in Dirac’s quantum theory of the electron), Zeitschrift für Physik, vol. 49, 858–864 (1928).
[8] H. Tetrode, Allgemein-relativistische Quantentheorie des Elektrons (General-relativistic quantum theory of the electron), Zeitschrift für Physik, vol. 50, 336–346 (1928).
[9] W. Grimus, On the 100th anniversary of the Sackur-Tetrode equation, arXiv:1112.3748 [physics.hist-ph].
作者簡介
Hendrik B. G. Casimir（1909-2000），即H.卡西米爾，荷蘭著名理論物理學家以及工業研究領導者。1909 年 7 月 15 日出生於海牙，1926年進入萊頓大學跟隨埃倫費斯特學習理論物理。後在哥本哈根成為尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）的研究生。1931年他完成了有關量子力學和羣論的博士論文，開始在量子力學領域嶄露頭角。1932至1933年，卡西米爾在蘇黎世為泡利做助手，這段經歷對他產生了持久而深遠的影響。1948年，他與迪克·普爾德（Dik Polder）一起發現了著名的卡西米爾效應。卡西米爾的另一個角色是工業研究的領導者。他於上世紀50年代後期進入飛利浦實驗室管理層，負責該實驗室全球研究活動。卡西米爾在日常生活中喜歡美食、文學藝術、在山中Hiking，以及拉小提琴。
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