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哈塞爾內(nèi)爾與維也納大學(xué)理論物理學(xué)的發(fā)展

朱慧娟

首都師范大學(xué)物理系，北京

弗里德里希·哈森諾爾（ Hasen?hrl，1874-1915）（圖1）是一位奧地利理論物理學(xué)家，師從著名物理學(xué)家路德維希·玻爾茲曼。 哈澤內(nèi)爾主要研究電磁學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)，在量子理論方面做出了杰出的探索。 盡管他英年早逝，但他為維也納大學(xué)理論物理學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。 在擔(dān)任維也納大學(xué)理論物理學(xué)教授期間，他培養(yǎng)了一代年輕學(xué)者，其中包括諾貝爾獎(jiǎng)獲得者歐文·漢斯·迪林（Erwin Hans ，1888-1976）、薛定諤和蘭斯-迪林效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者。 哈塞爾內(nèi)爾的理論教學(xué)極大地影響了他們，使他們成長(zhǎng)為優(yōu)秀的理論物理學(xué)家。

圖 1 研究了振動(dòng)理論和勢(shì)能理論。

1 理論物理之路

哈澤內(nèi)爾 1874 年出生于維也納，是一名律師的兒子。 1884年至1892年就讀于特蕾莎高中（ ）。 特蕾莎中學(xué)原本是奧地利女王瑪麗亞·特蕾莎于1746年建立的一所皇家學(xué)校。然而，1848年席卷歐洲的資產(chǎn)階級(jí)革命后，時(shí)任皇帝弗朗茨·約瑟夫一世決定將學(xué)校轉(zhuǎn)為向資產(chǎn)階級(jí)子弟開(kāi)放。 哈塞內(nèi)爾在高中時(shí)就表現(xiàn)出了出色的數(shù)學(xué)天賦，并于1892年以優(yōu)異的成績(jī)畢業(yè)。同年秋天，他進(jìn)入維也納大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理。

當(dāng)時(shí)維也納大學(xué)共有三位物理學(xué)教授。 一位是負(fù)責(zé)物理陳列室的 von Lang教授（1838-1921），另一位是負(fù)責(zé)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Franz 教授。 弗朗茨·埃克斯納（Franz Exner，1849-1926），另一位是物理學(xué)研究所所長(zhǎng)約瑟夫教授（Josef，1835-1893）。 1893年，斯蒂芬去世。 一年后，維也納大學(xué)極力爭(zhēng)取玻爾茲曼接替他擔(dān)任校長(zhǎng)。 同時(shí)，他被任命為理論物理教授，重點(diǎn)教學(xué)理論物理，而埃克斯納則主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。 物理學(xué)和物理化學(xué)。 1894年至1895年，哈澤內(nèi)爾離開(kāi)學(xué)校去軍隊(duì)服役一年，回到學(xué)校后繼續(xù)完成未完成的學(xué)業(yè)。 他很快就被玻爾茲曼的課程所吸引，并對(duì)理論物理產(chǎn)生了濃厚的興趣。

1896年，哈澤內(nèi)爾與埃克斯納一起完成了他的博士論文，研究題目是“論液體介電常數(shù)的溫度系數(shù)和莫索蒂-克勞修斯公式”（“über der ? in Flü die -' sche Form?el”） ），這是哈森內(nèi)爾在物理學(xué)領(lǐng)域的首次系統(tǒng)研究，旨在考察莫索蒂-克勞修斯方程對(duì)液體的適用范圍。 哈澤內(nèi)爾在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大多數(shù)液體來(lái)說(shuō)，這個(gè)方程在很寬的溫度范圍內(nèi)都成立。 這項(xiàng)研究使哈森內(nèi)爾于1897年獲得了博士學(xué)位。經(jīng)玻爾茲曼推薦，他于1898年秋前往萊頓大學(xué)，擔(dān)任海克·翁內(nèi)斯的研究助理，繼續(xù)從事這一課題的研究。 雖然從事實(shí)驗(yàn)物理領(lǐng)域，但他一直關(guān)注理論問(wèn)題，研究過(guò)振動(dòng)理論和勢(shì)能理論。

一年后，哈森納回到維也納，轉(zhuǎn)向電磁輻射研究。 這也是他在理論研究上成名的開(kāi)始。 1904年至1905年，他以同名論文《論移動(dòng)物體的輻射理論》（“Zur in K?rpern”）發(fā)表了三篇關(guān)于移動(dòng)空腔的輻射能量效應(yīng)的論文。 腔內(nèi)的輻射能與腔的質(zhì)量之間存在等效關(guān)系。 哈森內(nèi)爾因這項(xiàng)研究首次預(yù)測(cè)了質(zhì)量與能量的等價(jià)關(guān)系，于1905年獲得了奧地利科學(xué)院赫廷格獎(jiǎng)（）。 但哈澤內(nèi)爾并沒(méi)有意識(shí)到這種等價(jià)關(guān)系背后的物理意義，因此他推導(dǎo)出了錯(cuò)誤的系數(shù)。 很快，愛(ài)因斯坦發(fā)表了正確的質(zhì)能公式，最終取代了哈塞爾公式。 這件事還有一個(gè)小插曲。 在20年代德國(guó)反相對(duì)論運(yùn)動(dòng)的鼎盛時(shí)期，哈澤內(nèi)爾的工作曾被德國(guó)反相對(duì)論理論家用作愛(ài)因斯坦抄襲他人的證據(jù)。

此后，哈塞內(nèi)爾轉(zhuǎn)向統(tǒng)計(jì)力學(xué)的研究。 他試圖修改經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)并找到量子理論的基礎(chǔ)。 哈塞內(nèi)爾是較早研究量子論的人之一，曾應(yīng)邀參加1911年和1913年在比利時(shí)布魯塞爾舉行的第一屆和第二屆索爾維會(huì)議。他對(duì)量子論的重要探索體現(xiàn)在《論量子論的基礎(chǔ)》一文中。熱力學(xué)理論”（“über die der W?rme”）。 他研究了普朗克諧振子能級(jí)公式，認(rèn)為真實(shí)原子運(yùn)動(dòng)的周期與能量有關(guān)，試圖從巴爾默譜頻公式推導(dǎo)出氫原子能級(jí)，但由于看不出巴爾默公式的差異，因此關(guān)系兩者之間的關(guān)系無(wú)法進(jìn)一步明確揭示[3]。 后來(lái)，玻爾發(fā)現(xiàn)了量子理論和光譜定律之間的聯(lián)系，并創(chuàng)造性地用量子化的原子結(jié)構(gòu)解釋了光譜定律。

2 玻爾茲曼的繼承者

除了理論研究員之外，哈澤內(nèi)爾還是一名大學(xué)物理教師。 1899年，他從荷蘭萊頓返回維也納后，獲得了大學(xué)教書(shū)資格，成為維也納大學(xué)的私人講師。 1905年，他被任命為維也納技術(shù)大學(xué)物理學(xué)副教授，向工程系和化學(xué)系的學(xué)生教授物理學(xué)。

1906 年 9 月，玻爾茲曼在意大利度假時(shí)自殺。 這個(gè)消息震驚了整個(gè)歐洲科學(xué)界，也給玻爾茲曼的同事和學(xué)生帶來(lái)了沉重的打擊，哈澤內(nèi)爾也不例外。 “老物理研究所剛剛經(jīng)歷了玻爾茲曼的慘死。 哈澤內(nèi)爾、埃克斯納和許多其他玻爾茲曼學(xué)生因失去生命而悲痛欲絕，忙著進(jìn)進(jìn)出出。”

玻爾茲曼的地位對(duì)于維也納大學(xué)來(lái)說(shuō)極其重要，因?yàn)?strong>維也納大學(xué)的理論物理學(xué)是在玻爾茲曼到來(lái)之后才正式成立的。 在此之前，維也納大學(xué)沒(méi)有設(shè)立理論物理教席，只有3個(gè)實(shí)驗(yàn)物理教席。 為了滿足理論物理發(fā)展的需要，維也納大學(xué)向當(dāng)時(shí)還在慕尼黑大學(xué)任教的玻爾茲曼伸出了橄欖枝，并以優(yōu)厚的待遇拉攏了玻爾茲曼。 玻爾茲曼由此成為該校第一位理論物理學(xué)教授。 到維也納大學(xué)后，他提出不教實(shí)驗(yàn)物理，只教理論物理。 維也納大學(xué)同意了他的請(qǐng)求，并將所有實(shí)驗(yàn)班都分配給了埃克斯納。 玻爾茲曼只需專注于理論教學(xué)。 1902年，維也納大學(xué)物理相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了重大重組。 其中一個(gè)重大變化是，從原物理研究所中分離出一個(gè)單獨(dú)的理論物理研究所，由玻爾茲曼負(fù)責(zé)。 物理學(xué)的制度化基本完成。

玻爾茲曼去世后，維也納大學(xué)不得不仔細(xì)尋找繼任者。 第一個(gè)候選人是馬克斯·普朗克，第二個(gè)是威廉·維恩，第三個(gè)是年輕的哈納納。 在未能獲得前兩名候選人后，維也納大學(xué)選擇了哈塞內(nèi)爾作為他的繼任者，擔(dān)任維也納大學(xué)理論物理研究所所長(zhǎng)和該校理論物理教授。 這兩個(gè)頭銜都非常沉重，不僅承載著行政和教學(xué)的職責(zé)，還承載著玻爾茲曼巨大光環(huán)帶來(lái)的壓力。 事實(shí)上，無(wú)論誰(shuí)成為玻爾茲曼這樣一位享有盛譽(yù)的物理學(xué)家的接班人，都會(huì)感受到壓力。 類(lèi)似的情況也發(fā)生在愛(ài)因斯坦身上。 1912年，歐洲另一位著名物理學(xué)家亨德里克·洛倫茨希望愛(ài)因斯坦在萊頓大學(xué)接替他，但愛(ài)因斯坦以哈澤內(nèi)爾的處境為由，禮貌地拒絕了，并對(duì)他表示同情。

不過(guò)，無(wú)論是在理論研究還是教學(xué)能力上，哈澤內(nèi)爾都算得上是合格的接班人。 作為玻爾茲曼的學(xué)生，哈澤內(nèi)爾非常熟悉他的工作，尤其是統(tǒng)計(jì)力學(xué)領(lǐng)域。 他上任后不久就發(fā)表了精彩的就職演講，清楚地解釋了玻爾茲曼在統(tǒng)計(jì)力學(xué)方面的工作。 哈澤內(nèi)爾的教學(xué)能力也是有目共睹的。 早在他擔(dān)任私人講師時(shí)，他的課程就吸引了很多觀眾。 在這方面，他繼承了玻爾茲曼平易近人的風(fēng)格，對(duì)學(xué)生耐心，講課邏輯清晰留學(xué)之路，板書(shū)書(shū)寫(xiě)有序。 哈澤內(nèi)爾曾這樣評(píng)價(jià)玻爾茲曼：“他從不表現(xiàn)出優(yōu)越感。任何人都可以自由地向他提問(wèn)，甚至批評(píng)他。談話總是和平進(jìn)行，學(xué)生總是受到平等對(duì)待。伙計(jì)。” 這個(gè)描述也可以用來(lái)形容哈澤內(nèi)爾本人。

3 優(yōu)秀理論教育工作者

玻爾茲曼去世后，維也納大學(xué)的理論物理學(xué)處于癱瘓狀態(tài)，課程暫停了10個(gè)月。 哈澤內(nèi)爾的到來(lái)給被陰霾籠罩的理論物理研究所帶來(lái)了希望。 他熱情洋溢的就職演說(shuō)具有鼓舞人心的力量維也納大學(xué)，立即吸引了剛?cè)雽W(xué)一年的薛定諤。 薛定諤說(shuō)：“他對(duì)玻爾茲曼的介紹給我留下了深刻的印象。我認(rèn)為玻爾茲曼的觀點(diǎn)對(duì)我來(lái)說(shuō)是無(wú)與倫比的重要，其影響力甚至超過(guò)了普朗克和愛(ài)因斯坦。” 這次演講使他決心沿著玻爾茲曼的道路繼續(xù)對(duì)物理學(xué)的探索。

年輕、熱情、充滿活力的哈澤內(nèi)爾用自己的實(shí)際行動(dòng)贏得了物理系學(xué)生的青睞。 在課程安排上，他基本上沿襲了玻爾茲曼任職期間的課程體系。 玻爾茲曼的理論物理課程是四年制的系統(tǒng)課程，包括經(jīng)典力學(xué)、流體力學(xué)、彈性理論、電動(dòng)力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)理論，而哈塞內(nèi)爾的理論物理課程也是四年制的課程。 一個(gè)周期，每周5次，但內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，包括相對(duì)論、量子論等新興物理理論。 他還在研討會(huì)上與學(xué)生們討論了最新的觀點(diǎn)和想法。 可以說(shuō)維也納大學(xué)，他是最早將相對(duì)論和量子論引入課堂的教師之一，這與他很早就接受這些新思想有很大關(guān)系。 在他的影響下，他的學(xué)生很快從以太觀念中解放出來(lái)，很快接受了量子觀念。 課外時(shí)間，他和妻子會(huì)在家里熱情地招待學(xué)生。 他熱愛(ài)滑雪、登山等戶外運(yùn)動(dòng)，也會(huì)和學(xué)生一起組織戶外游覽。

哈澤內(nèi)爾在理論教學(xué)中孜孜不倦地播下的種子最終結(jié)出了豐碩的果實(shí)，他培養(yǎng)了一代年輕的理論物理學(xué)家。 薛定諤是哈塞爾內(nèi)爾最好的學(xué)生。 他是量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一，并因“發(fā)現(xiàn)了富有成效的原子理論新形式”而與保羅·狄拉克共同獲得了 1933 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 他在大學(xué)期間幾乎修完了哈森內(nèi)爾的所有課程，并掌握了后來(lái)理論研究的大部分基礎(chǔ)。 在薛定諤眼中，除了父親之外，沒(méi)有人比哈澤內(nèi)爾對(duì)他的影響更大。 蒂林是哈澤內(nèi)爾的另一位學(xué)生，后來(lái)致力于廣義相對(duì)論的研究，并揭示了廣義相對(duì)論衍生的參考系拖曳效應(yīng)，后來(lái)被稱為“蘭斯-蒂林效應(yīng)”。 在哈澤內(nèi)爾的影響下，原本希望從事實(shí)驗(yàn)物理研究的蒂林轉(zhuǎn)向理論物理領(lǐng)域，并最終成長(zhǎng)為一名優(yōu)秀的理論家。 蒂林在接受采訪時(shí)表示，哈澤內(nèi)爾是一位他在學(xué)術(shù)上和作為一名教師都?xì)J佩的教授。

正當(dāng)哈澤內(nèi)爾以極大的熱情投入到理論物理的研究和教學(xué)時(shí)，戰(zhàn)爭(zhēng)改變了一切。 第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，哈森納自愿參軍，奔赴前線，在克拉科夫和蒂羅爾山區(qū)執(zhí)行不同的任務(wù)。 1915年10月7日，他在蒂羅爾山區(qū)前線戰(zhàn)場(chǎng)帶頭沖鋒時(shí)，被手榴彈襲擊，當(dāng)場(chǎng)身亡。 遺憾的是，一位杰出的理論物理學(xué)家最終告別了他最親密的親友、尊敬他的同事、熱愛(ài)他的學(xué)生，也就這樣告別了他的理論研究和教學(xué)生涯。

縱觀哈澤內(nèi)爾的一生，他理論思想豐富，但卻多次錯(cuò)過(guò)偉大的發(fā)現(xiàn)。 他擅長(zhǎng)理論教學(xué)，為維也納大學(xué)培養(yǎng)了優(yōu)秀的理論物理人才。 他在短暫的一生中很好地詮釋了一個(gè)優(yōu)秀的理論物理學(xué)家也可以是一個(gè)優(yōu)秀的思想傳播者和教育者。