馬克斯·玻恩（德國理論物理學(xué)家、量子力學(xué)奠基人之一）

馬克斯·玻恩（Max Born，1882年12月11日—1970年1月5日），男，是德國猶太裔理論物理學(xué)家、量子力學(xué)奠基人之一，因?qū)α孔恿W(xué)的基礎(chǔ)性研究尤其是對波函數(shù)的統(tǒng)計學(xué)詮釋而獲得1954年的諾貝爾物理學(xué)獎。

馬克斯·玻恩1901年起在布雷斯勞、海德堡、蘇黎世和哥廷根等各所大學(xué)學(xué)習(xí)，先是法律和倫理學(xué)，后是數(shù)學(xué)、物理和天文學(xué)。1907年獲得博士學(xué)位。1912年與西爾多·馮·卡門合作發(fā)表了《關(guān)于空間點陣的振動》的著名論文，從此開始了他以后幾十年創(chuàng)立點陣?yán)碚摰氖聵I(yè)。1921年成為哥廷根大學(xué)物理系主任。?1936年任愛丁堡大學(xué)教授，1937年當(dāng)選為英國倫敦皇家學(xué)會會員。玻恩還是《哥廷根宣言》的簽署人。

人物生平

玻恩于1882年12月11日出生于德國普魯士的布雷斯勞（今波蘭城市弗羅茨瓦夫）一個猶太人家庭，父親是布雷斯勞大學(xué)的解剖學(xué)和胚胎學(xué)教授。小時受父親影響，喜歡擺弄儀器和參加科學(xué)討論。

1901年進(jìn)入布雷斯勞大學(xué)。后來到海德堡大學(xué)和蘇黎士大學(xué)求學(xué)。1905年慕名進(jìn)入哥廷根大學(xué)聽D．希耳伯特、H．閔可夫斯基等數(shù)學(xué)、物理學(xué)大師講學(xué)。1907年在哥廷根大學(xué)通過博士考試，導(dǎo)師是希爾伯特。此后前往劍橋大學(xué)跟隨拉默爾和約瑟夫·湯姆孫學(xué)習(xí)了一段時間。1908年至1909年回到布雷斯勞學(xué)習(xí)相對論。閔可夫斯基曾邀請他去哥廷根與他共事，但是此后不久的1909年冬天閔可夫斯基便去世了，玻恩受命繼續(xù)閔可夫斯基在物理領(lǐng)域的研究工作。

玻恩在1909年獲得大學(xué)任教資格，先是在哥廷根大學(xué)受聘為無薪金講師，1912年接受邁克爾遜的邀請前往芝加哥教授相對論，并與邁克爾遜合作完成了一些光柵光譜實驗。此外，玻恩對固體理論進(jìn)行過比較系統(tǒng)的研究，1912年和馮·卡爾曼一起撰寫了一篇有關(guān)晶體振動能譜的論文，他們的這項成果早于勞厄（1879—1960年）用實驗確定晶格結(jié)構(gòu)的工作。

1913年8月2日玻恩與愛倫伯格（H. Ehrenberg）結(jié)婚。他們都是路德教教徒，有三個孩子。那時玻恩喜好的消遣活動是長途徒步旅行和音樂。

1915年玻恩去柏林大學(xué)任理論物理學(xué)教授，并在那里與普朗克、愛因斯坦和能斯特并肩工作，玻恩與愛因斯坦結(jié)下了深厚的友誼，即使是在愛因斯坦對玻恩的量子理論持懷疑態(tài)度的時候，他們之間的書信見證了量子力學(xué)開創(chuàng)的歷史，后來被整理成書出版。玻恩在柏林大學(xué)期間，曾加入德國陸軍，負(fù)責(zé)研究聲波理論和原子晶格理論，并于1915年發(fā)表了他的第一本書《晶格動力學(xué)》（Dynamik der Kristallgitter），該書總結(jié)了他在哥廷根開始的一系列研究成果。

1919年第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，玻恩轉(zhuǎn)去法蘭克福大學(xué)任教并領(lǐng)導(dǎo)一個實驗室，他的助手奧托·施特恩后來也獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。1921年至1933年玻恩與好友夫蘭克一同回到哥廷根大學(xué)任教授，主要的工作先是晶格研究，然后是量子力學(xué)理論。他在哥廷根費米、狄拉克、奧本海默和瑪麗亞·格佩特-梅耶等一大批物理學(xué)家合作。1925年至1926年與泡利、海森堡和帕斯庫爾·約爾丹（Pascual Jordan）一起發(fā)展了現(xiàn)代量子力學(xué)（矩陣力學(xué)）的大部分理論。1926年又發(fā)表了他自己的研究成果玻恩概率詮釋（波函數(shù)的概率詮釋），后來成為著名的“哥本哈根解釋”。

盧瑟福-玻爾的原子行星模型和玻爾關(guān)于電子能級的假設(shè)（其中把普朗克的量子概念與原子光譜聯(lián)系起來了）曾被用來解釋后來知道的一些數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，但只取得了一些微不足道的成功。在物理理論從經(jīng)典向現(xiàn)代過渡的這一時期（約在1923年前后），泡利和海森堡都在哥廷根大學(xué)做玻恩的助手。德布羅意在1924年巴黎的論文中提出電子與一組波相聯(lián)系。海森堡在他的“測不準(zhǔn)原理”中，表明了經(jīng)典力學(xué)規(guī)律不適用于亞原子粒子，因為不能同時知道這些粒子的位置和速度。

玻恩以此為起點對這一問題進(jìn)行了研究，他系統(tǒng)地提出了一種理論體系，在其中把德布羅意的電子波認(rèn)為是電子出現(xiàn)的幾率波。玻恩-海森堡-約當(dāng)矩陣力學(xué)與薛定諤發(fā)展起來的波動力學(xué)的數(shù)學(xué)表述不同，狄拉克證明了這兩種理論體系是等效的并可相互轉(zhuǎn)換。今天，我們把它稱為量子力學(xué)。

1933年納粹上臺后，玻恩由于是猶太人血統(tǒng)而被停職，并與當(dāng)時許多德國科學(xué)家一樣被迫移居國外。移居英國后，1934年起受邀在劍橋大學(xué)任教授，這段時間的主要研究集中在非線性光學(xué)，并與利奧波德·因費爾德（Leopold Infeld）一起提出了玻恩-因費爾德理論。1935年冬天，玻恩在印度班加羅爾的印度科學(xué)研究所呆了6個月，與C·V·喇曼共事。1936年前往愛丁堡大學(xué)任教直到1953年退休。1936年被納粹剝奪德國國籍。

玻恩很想把量子力學(xué)和相對論統(tǒng)一起來，因此他于1938年提出了他的倒易理論：物理學(xué)的基本定律在從坐標(biāo)表象變換到動量表象時是不變的。1939年玻恩加入英國國籍。這時他仍繼續(xù)從事愛因斯坦和英費爾德（Infeld）曾探索過的統(tǒng)一場論的研究。

1953年，玻恩退休后居住在巴德派爾蒙特，這是位于哥廷根附近的一個旅游勝地。1953年6月28日玻恩成為哥廷根的榮譽(yù)市民。1954年由于在量子力學(xué)和波函數(shù)的統(tǒng)計解釋及研究方面的貢獻(xiàn)，與瓦爾特·博特共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎。他最后一本關(guān)于晶體的書是1954年完成的（與我國物理學(xué)家黃昆合作完成）。除了在物理領(lǐng)域的杰出研究外，玻恩還是“哥廷根十八人”（德語：Göttinger Achtzehn）之一，《哥廷根宣言》的簽署人，旨在反對德國聯(lián)邦國防軍使用原子武器裝備。

1970年1月5日，玻恩在哥廷根逝世。

人物成就

玻恩在物理學(xué)中的主要成就是創(chuàng)立矩陣力學(xué)和對薛定諤的波函數(shù)作出統(tǒng)計解釋。因量子力學(xué)方面的基本研究，特別是因波函數(shù)的統(tǒng)計解釋，和Bothe分享了1954年度的諾貝爾物理學(xué)獎金。

創(chuàng)立矩陣力學(xué)

1920年以后，玻恩對原子結(jié)構(gòu)和它的理論進(jìn)行了長期而系統(tǒng)的研究。那時，盧瑟福-玻爾的原子模型和有關(guān)電子能級的假設(shè)遇到了許多困難。因此，法國物理學(xué)家德布羅意于1924年提出了物質(zhì)波假設(shè)，認(rèn)為電子等微觀粒子既有粒子性，也有波動性。1926年奧地利物理學(xué)家薛定諤（1887—1961）創(chuàng)立了波動力學(xué)。同時，玻恩和海森伯、約爾丹等人用矩陣這一數(shù)學(xué)工具，研究原子系統(tǒng)的規(guī)律，創(chuàng)立了矩陣力學(xué)，這個理論解決了舊量子論不能解決的有關(guān)原子理論的問題。后來證明矩陣力學(xué)和波動力學(xué)是同一理論的不同形式，統(tǒng)稱為量子力學(xué)。因此，玻恩是量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一。

解釋對波函數(shù)

為了描述原子系統(tǒng)的運動規(guī)律，薛定諤提出了波函數(shù)所遵循的運動方程——薛定諤方程。但是，波函數(shù)和各種物理現(xiàn)象的觀察之間有什么關(guān)系，并沒有解決。玻恩通過自己的研究對波函數(shù)的物理意義作出了統(tǒng)計解釋，即波函數(shù)的二次方代表粒子出現(xiàn)的幾率取得了很大的成功。從統(tǒng)計解釋可以知道，在量度某一個物理量的時候，雖然已知幾個體系處在相同的狀態(tài)，但是測量結(jié)果不都是一樣的，而是有一個用波函數(shù)描述的統(tǒng)計分布。因為這一成就，玻恩榮獲了1954年度諾貝爾物理學(xué)獎。

開創(chuàng)晶格動力學(xué)

在他的早期生涯中，玻恩的興趣集中在點陣力學(xué)上，這是關(guān)于固體中原子怎樣結(jié)合在一起如何振動的理論。在馮·勞厄最終證明了晶體的格點結(jié)構(gòu)之前，玻恩和馮·卡門（Von Karman）就在1912年發(fā)表了關(guān)于晶體振動譜的論文。玻恩以后又多次回到晶體理論的研究上，1925年玻恩寫了一本關(guān)于晶體理論的書，開創(chuàng)了一門新學(xué)科——晶格動力學(xué)。1954年他和我國著名物理學(xué)家黃昆合著的《晶格動力學(xué)》一書，被國際學(xué)術(shù)界譽(yù)為有關(guān)理論的經(jīng)典著作。

其他成就

1953年退休以后，玻恩勁頭十足地研究愛因斯坦的統(tǒng)一場論。1959年，與沃耳夫合著了《光學(xué)原理》，至2001年已出至第七版，成為光的電磁理論方面的一部公認(rèn)經(jīng)典著作。玻恩還研究了流體動力學(xué)、非線性動力學(xué)等理論。

玻恩和富蘭克（1882—1964）一起把哥廷根建成很有名望的國際理論物理研究中心。當(dāng)時，只有玻爾建立的哥本哈根理論物理中心可以和它匹敵。

玻恩講課很生動，淺入深出，教學(xué)很有成績。他培養(yǎng)出的學(xué)生，后來有不少人成為有名的物理學(xué)家，如泡利、海森堡和我國的黃昆等。

個人榮譽(yù)

獎?wù)潞兔u(yù)

1934年：劍橋Stokes（George Gabriel Stokes）獎?wù)?/p>

1945年：愛丁堡皇家學(xué)會MacDougall-Brisbane獎?wù)潞虶unning-Victoria Jubilee獎

1948年：德國物理學(xué)會馬克斯·普朗克獎?wù)?/p>

1950年：倫敦皇家學(xué)會Hughes（David E. Hughes）獎?wù)?/p>

1953年：哥廷根市榮譽(yù)市民

1956年：慕尼黑國際法Hugo Grotius（格勞秀斯）獎?wù)?/p>

1959年：德國聯(lián)邦十字勛章

1982年：哥廷根大學(xué)慶祝馬克斯·玻恩和詹姆斯·夫蘭克誕辰100周年。

會員和院士

獲劍橋大學(xué)、牛津大學(xué)和柏林大學(xué)等十多所大學(xué)名譽(yù)博士學(xué)位。

1939年當(dāng)選倫敦皇家學(xué)會會員，他還是美國國家科學(xué)院、美國藝術(shù)與科學(xué)院、愛丁堡皇家學(xué)會會員，是柏林、哥廷根、哥本哈根、斯德哥爾摩等科學(xué)院院士。

諾貝爾獎

1954年因提出量子力學(xué)的統(tǒng)計解釋而獲諾貝爾物理學(xué)獎。

命名榮譽(yù)

1. 以他名字命名的玻恩-奧本海默近似方法在1928年發(fā)展成為原子軌道模型，玻恩近似在分布理論中起到了先驅(qū)作用。

2. 以馬克斯·玻恩的名字命名的研究所——柏林馬克斯·玻恩非線性光學(xué)和短時間光譜學(xué)研究所（Max-Born Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.）。

3. 為了紀(jì)念馬克斯·玻恩的貢獻(xiàn)，德國物理學(xué)會與英國物理學(xué)會1973年起每年頒發(fā)“馬克斯·玻恩獎”給在物理學(xué)領(lǐng)域做出特別有價值的科學(xué)貢獻(xiàn)，輪流頒發(fā)給英國和德國的科學(xué)家。

個人著作

• 《晶體點陣動力學(xué)》（1915年）

• 《愛因斯坦相對論》（1920年）

• 《固態(tài)原子理論》（1923年）

• 《原子動力學(xué)問題》（1926年）

• 《原子物理學(xué)》（1935年）

• 《晶格動力學(xué)》（1954年）

• 《物理學(xué)實驗與理論》（1943年）

• 《我們一代的物理學(xué)》（1956年）

• 《物理學(xué)與政治學(xué)》（1962年）

社會評價

在量子理論的發(fā)展歷程中，玻恩屬于量子的革命派，他是舊量子理論的摧毀者，他認(rèn)為舊量子論本身內(nèi)在矛盾是根本性的，為公理化的方法所不容，構(gòu)造特性架設(shè)的辦法只是權(quán)宜之計，新量子論必須另起爐灶，用公理化方法從根本上解決問題。

玻恩先后培養(yǎng)了兩位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者：海森堡（1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎）；泡利（因為提出不相容原理獲1945年的諾貝爾物理學(xué)獎）。不過，玻恩似乎沒有他的學(xué)生幸運，他對量子力學(xué)的幾率解釋受到了包括愛因斯坦、普朗克等很多偉大的科學(xué)家的反對，直到1954年才獲諾貝爾物理學(xué)獎。

玻恩是締造量子力學(xué)的領(lǐng)袖?；是哥廷根物理學(xué)派?的核心人物?。

人物傳記

《玻恩研究》，厚宇德?著，人民出版社出版，2012年。

《玻恩與哥廷根物理學(xué)派》，厚宇德?著，中國科學(xué)技術(shù)出版社，2017年。