科普利獎章得主的物理學家群像(三)量子世代來臨前的劍橋遺老

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2023-04-11
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上一回阿文介紹了達爾文祖孫三代,接下來,我要繼續介紹在一戰前後的科普利獎章的得主。這個時代正是量子物理逐漸成型的時代,但是科普利獎要等到稍後才會表揚這些後起之秀,在二次大戰之間的這段期間,皇家學會一共表揚了十位物理學家,讓阿文為您一細數…

1914年的得主是赫赫有名的J.J.湯木生,身為卡文狄希實驗室主任的他,是當時英國物理界的領袖。在得到科普利獎章的八年前,他就得到諾貝爾物理獎了,所以在這裡,我們就跳過他,日後阿文再專為他寫一篇專文。

接下來,1916年的科普利獎頒給了詹姆斯.杜瓦(James Dewar, 1842-1923),得獎理由是「因他在物理化學方面的重要研究,尤其是他對氣體液化的研究」。他最有的事蹟是設計了杜瓦瓶,成功液化了氧氣、氫氣等多種氣體,這對低溫物理的研究非常重要,雖然他被歸類成物理化學家,但是他被提名諾貝爾物理獎五次,化學獎四次。所以縱使杜瓦沒有得到諾貝爾物理獎,也沒有得到化學獎,我們還是把他算進物理學家的行列吧。

杜瓦出生於蘇格蘭法夫地區,位於福斯灣北岸的一座小鎮金卡丁(Kincardine),是在家裡六兄弟中的老么,父母在他15歲時便雙雙離世。他考入愛丁堡大學後,在萊昂.波雷費(Lyon Playfair, 1818-1898)的指導下進行研究。說起波雷費,他曾在1853年當過英國科學大臣,在職期間他一直鼓吹在克里米亞戰爭中使用毒氣對付俄羅斯軍隊。波雷費也曾擔任過英國化學學會會長。杜瓦從愛丁堡大學畢業之後成為波雷費的助手,之後還曾到比利時的根特大學,在凱庫勒(August Kekulé, 1829-1896)的指導下學習。凱庫勒是歐洲最著名的化學家之一,特別是在理論化學領域。他是化學結構理論的主要創始人,也是1885年顆普利獎章的得主。最初的五屆諾貝爾獎化學獎得主中,他的學生占了三屆:1901年的范托夫、1902年的費歇爾和1905年的拜爾。可惜凱庫勒本人在1896年過世,與諾貝爾獎無緣。

凱庫勒最有名的事蹟就是夢到他在夢見一條蛇首尾相接的時候發現了苯環結構。1867年詹姆斯.杜瓦也曾提出了幾種苯(化學式為C6H6)的可能結構,但是後來他認為最合理的結構,還是凱庫勒之前提出的苯環結構。但是到了二十世紀六零年代,化學家合成了苯的一種同分異構體,與杜瓦提出的那幾種構想的其中之一類似,所以這些化合物被稱作杜瓦苯(Dewar benzene

1875年杜瓦成為劍橋大學的實驗自然哲學傑克遜講座教授,同時成為劍橋大學彼得學院的研究員,並在1877年成為英國皇家學會會員。他和喬治.道寧.利維因(George Downing Liveing, 1827-1924)合作,通過光譜來分析物質的組成。他們的合作成果豐碩,完成了78篇論文。在這裡,順便介紹一下傑克遜講座,這個講座是一位牧師Richard Jackson 捐贈遺產在1782年所設立的,接替杜瓦擔任這個職位的是發明雲霧室的威爾遜,接替威爾遜的是發現電離層的阿普爾頓爵士,接替阿普爾頓的是劈開鋰原子的考克饒夫爵士,他們三人都得過諾貝爾獎,接替考克饒夫爵士的是發現核分裂的施里弗。現任的傑克遜講座教授,迪迪埃.派屈克.奎洛茲(Didier Patrick Queloz, 1966-)則是和米歇爾.麥耶(Michel Gustave Édouard Mayor, 1942-)共同發現了圍繞主序星的首顆太陽系外行星而得到2019年的諾貝爾物理獎。從這名單,可以想見這個講座的分量了。

論到杜瓦最重要的工作,還是在氣體液化,以及與此相關的低溫物理研究。1878年他在皇家學會介紹了法國科學家卡耶泰(Louis Paul Cailletet, 1832-1913)和瑞士科學家皮科泰(Raoul Pictet, 1846-1929)的工作,在英國第一次引進了卡耶泰的液化氣體的裝置。這套裝置的原理是通過焦耳-湯姆遜實驗來液化氣體。先前阿文在維多利亞時代的物理巨擘: 開爾文男爵 (上):絕對零度 這篇文章介紹過焦耳-湯姆遜實驗,這裡就不再重複了。

1880年左右杜瓦開始研究液態氧,1884年他又在皇家學會介紹了波蘭克拉古大學的科學家Karol Olszewski(1846-1915)和Zygmunt Florenty Wróblewski (1845-1888) 將氧氣液化的工作。波蘭這邊曾達到破記錄的−225 °C (48 K)。但是液化氣體也是危險的工作,Wróblewski就是在實驗時發生意外而喪命。杜瓦急起直追,1885年藉著改進技術,杜瓦可以集齊1瓶的液態氧。1891年他提出了可以生產工業級產量液態氧的生產過程。 1890年代初期,他奉命組建了皇家學會戴維-法拉第實驗室。1892年他發明了以他名字命名的真空絕熱容器,杜瓦瓶,用來研究低溫現象。杜瓦瓶後來被德國公司Thermos商業化,成為現在常用的保溫瓶。

杜瓦的下個目標是液化氫氣。氧氣的凝固點是凝固點50.5 K(-222.65 °C),沸點90.188 K(-182.96 °C)。氫氣則是需要達到20.28 K (−252.87 °C)的低溫,所以比液化氧氣難得多了。經過一番努力,杜瓦於1899年,終於成功液化了氫氣,並可以獲攝氏零下260的低溫,讓研究低溫現象的科學家可以大展身手。

杜瓦曾繼續嘗試液化氦氣,液化氦氣需要降到攝氏零下269度,而且氦氣是惰性氣體,使得液化過程更加困難,後來由於他取得的氦氣量不夠,使得荷蘭的同型海克.卡末林.昂內斯拔得頭籌,在1908年首先完成對氦氣的液化,昂內斯採用了級聯法(cascade method)來液化氦氣,昂內斯先將氦氣壓縮至20大氣壓,透過液態氫吸收氦氣的熱能來讓氦氣急遽降溫,再讓已經冷卻的氦氣作節流膨脹(Throttling Expansion Process,指的是從較高的壓力下的氣體經多孔塞(或節流閥)向較低壓力方向產生絕熱膨脹的過程。這是等焓過程,在這個過程中氣體體積增大,壓力降低,因而溫度降低。)最後終於成功得到了60毫升的液態氦氣。昂內斯得到1913年的諾貝爾獎,就是因為研究低溫下金屬的導電性而得獎的。其實杜瓦也曾與倫敦大學(University College, London的弗萊明 (John Ambrose Fleming, 1849 –1945)合作,研究金屬在極低溫的導電行為,(弗萊明最有名的,大概是各位在中學時背得滾瓜爛熟的弗萊明左手定則,左手三根手指互相垂直,中指的方向為電流方向、食指的是磁場方向、大拇指的則是導體感受到的推力的方向。阿文回想起國中時,考物理時只看到前後左右舉起左手比來比去的畫面,嘴角還是會上揚)。他與弗萊明共同研究金屬的電阻在零下200攝氏度到200攝氏度溫度範圍內的變化情況,他們預言接近絕對零度時,金屬的電阻會變為零。可惜杜瓦沒有成功將氦液化,他的金屬低溫導電性研究沒有開花結果,科學競爭就是這麼殘忍的事,不是嗎?

1904年杜瓦與法國科學家皮耶.居禮一起研究鐳衰變放出氦的過程,同年被授予爵士。1905年他發現把椰子殼燒成的木炭冷卻到零下185度時,木炭變得非常容易吸收空氣,利用這個特性,科學家可以製造真空,這個技術後來在原子物理的實驗中變得非常有用。杜瓦還和阿貝爾(Frederick Abel, 1827-1902)一起發展了一種無煙火藥,稱為線狀無煙火藥(Cordite。他們在1889年申請了專利。線狀無煙火藥成份主要為硝化纖維素及穩定劑(有時也加入硝化甘油等其他成份)並壓製成「麵條」型。到了第一次世界大戰期間,他發明的無煙火藥發揮了很大作用,但是他的低溫學研究卻因為資金缺乏而終止,所以他開始轉向氣泡表面張力研究。他得到科普利獎章時,已經七十四高齡。1923年,他在倫敦離世,享年80歲。

接在杜瓦之後得獎的物理學家是荷蘭的電動力學大師羅倫茲(Hendrik Lorentz),他於1918年得獎,其實羅倫茲早在1902年就得到諾貝爾物理獎。1921年科普利獎頒給劍橋的盧卡斯講座教授,拉莫爾(Joseph Larmor),阿文曾為他撰寫過專文,有興趣的看官們可以參考「見證帝國斜陽的劍橋人:拉莫爾爵士 」一文。隔年科普利獎則是頒給原子核物理的祖師爺拉塞福,他也早在1908年得到諾貝爾獎,不過卻是化學獎。阿文當然會為拉塞福另撰專文,從物理學家頻頻拿到科普利獎章這件事,可以看得出來,二零年代還真是物理的黃金年代。相對論與量子物理可以說是當時的風雲兒,搶盡風頭。從這個觀點來看,1923年得獎的賀拉斯.蘭姆爵士(Sir Horace Lamb, 1849  - 1934 ),可真是個異數了。

蘭姆得獎時與杜瓦一樣,都已經是七十四高齡,而且他的風格可以說是徹底的十九世紀的劍橋風格。他最擅長的正是用數學來描述自然現象,特別是俯首可得的流體現象。他著有幾本非常有影響力的古典物理學著作,其中包括《流體動力學》(1895 年)和《聲音動力學理論》(1910 年)。渦度 (vorticity) 這個詞正是蘭姆在 1916 年所創造的呢。

蘭姆出生在柴郡的斯托克波特,他的父親約翰是一家棉紡廠的工頭,他因改進紡紗機而獲得了些名聲,但是他在兒子還是個孩子的時候,就不幸去世了。蘭姆的母親再婚以後,賀拉斯就去和姑媽霍蘭德夫人住在一起。(聽起來怎麼有點像是迪更斯的塊肉餘生錄呀?) 這位霍蘭德夫人嚴厲中不失慈愛。蘭姆在斯托克波特文法學校學習時,還結識了一位睿智和藹的校長,查爾斯.漢密爾頓牧師,以及專研古典文學的畢業生弗雷德里克.斯萊尼.普爾,後者在最後一年與蘭姆成了好朋友。正是從這兩位良師那裡,蘭姆激起他對數學和古典文學的興趣。

1867年,他獲得劍橋皇后學院的古典學術獎學金。 然而,由於此時蘭姆決心要往科學發展,因此他沒有接受這份獎學金,而是到曼徹斯特附近的歐文斯學院工作了一年,來提升他的數學能力。當時,歐文斯學院的純數學講座由著名的蘇格蘭數學家托馬斯.巴克(Thomas Barker)擔任,他於 1862 年以狀元的身份通過劍橋Tripos 畢業考,並獲得了第一屆史密斯獎。蘭姆在巴克這樣的高手的調教下,果然拿到劍橋三一學院的獎學金。 他從三一學院畢業時,還是畢業考Tripos的榜眼,也是史密斯獎的獲獎者,並於 1872 年當選為研究員。三一學院當時的教授中有馬克斯威(James Clerk Maxwell)和斯托克斯(George Gabriel Stokes),正是它的黃金時期。蘭姆很快就被選為學院的研究員和導師。到 1874 年,蘭姆已經全心全力投入到學院的工作中,在那裡,他為三年級學生準備了一系列關於流體動力學的講座。 當時的學生,後來擔任英國國家物理實驗室首任主任的理查德.格拉茲布魯克(Richard Glazebrook, 1854-1935)回憶道,它們是“令人耳目一新”,並稱讚蘭姆處理旋轉運動中液體特性時,表述得十分清晰。這正是上個世紀劍橋特有訓練的特色。

然而,蘭姆在劍橋的大好前途卻戛然而止,因為他很快就與他前任校長的小姨子伊麗莎白.富特(Elizabeth Foot)陷入愛河,由於他在三一學院的職位條件規定必須維持單身,因此他被迫在 1875年辭職,另謀他職。所幸貴人相助,蘭姆才能找到棲身之所。他在斯托克波特結識的老友,弗雷德里克.斯萊尼.普爾(Frederic Slaney Poole)當時已經搬到南澳大利亞,生活了好幾年。當普爾聽說蘭姆因為訂婚而不得不離開劍橋時,他寫了一封信,建議他應該申請在最近成立的阿德萊德大學(University of Adelaide)。蘭姆接受他的建議,申請千里之外的教職,並在 1875 年,被任命為那裡的第一位艾德爾數學與自然哲學講座教授(Elder Professor of Mathematics and Natural Philosophy),並於 1876 年 3 月就任。這個講座是由湯馬斯.艾德爾爵士(Sir Thomas Elder,1818 –1897),南澳大利亞在1850年代發現黃金之後,前來淘金的人便絡繹不絕,帶動了整個地區的發展,艾德爾爵士便是來南澳大利亞打天下而發大財的蘇格蘭人。

蘭姆在建立阿德萊德大學的學術和行政結構方面頗有建樹,除了教授純數學和應用講授之外,也提供物理的實驗演示。蘭姆在接下來的十年裡,在阿德萊德攻讀文學學士課程的平均學生人數不到 12 人; 雖然蘭姆在晚上也需要做一些公開演講,但他的工作量還算是比較輕的。1878 年,他出版了《流體運動的數學理論論文》,後來在 1895 年被重印為《流體動力學》首次出版。

1883 年,蘭姆在《皇家學會哲學彙刊》上發表了一篇論文,將馬克斯威方程應用於球形導體中的振盪電流問題,這是對後來被稱為趨膚效應的早期檢驗。所謂趨膚效應是指交流電流通過導體時,導體內部的電流分布會隨著與導體表面的距離增加而呈指數衰減的現象。換言之,導體內的電流會集中在導體的表面。從與電流方向垂直的橫切面來看,導體的中心部分幾乎沒有電流流過,只在導體邊緣的部分會有電流。蘭姆的工作逐漸為人所知,所以在1884 年被選為皇家學會會員。這也開啟了他的回鄉之路。

在澳大利亞度過十年之後,蘭姆於 1885 年被任命為曼徹斯特的歐文斯學院的數學系主任,並於 1888 年成為拜爾講座教授,蘭姆一直擔任該職位直到 1920 年退休(歐文斯學院於 1904 年與曼徹斯特維多利亞大學合併)。有趣的是,接替蘭姆在阿德萊德大學職位的是他三一學院的學弟,威廉.亨利.布拉格,他在阿德萊德待了二十三年。他後來回到英國以後,在1915與兒子一起得到諾貝爾物理獎。阿德萊德出身的諾貝爾獎得主還有證明幽門桿菌是造成胃潰瘍的生理學家羅賓.沃倫(Robin Warren)以及因為研究青黴素而得獎的藥理學家霍華德.華特.弗洛里,弗洛里男爵(Howard Walter Florey, Baron Florey, 1898-1968),可以看出澳大利亞的學術成長。

他的研究主要的主題包括波傳播、電感應、地震、航空學和潮汐理論。他寫了關於黏滯性球體的振動、彈性球體的振動、彈性固體中的波、電波和光的吸收的重要論文。這些題材都是劍橋數學者所擅長的,而且結果通常都能很快地運用在工程上。1917 年,高齡六十七的蘭姆發表了他對薄固體層中的特殊波的古典力學分析和描述。 這些現在被稱為蘭姆波。蘭姆方程式是設定在 x 和 y 方向具有無限範圍,但是在 z 方向具有厚度 d 的實心板的條件下,得到的波動方程式。蘭姆波的性質被證明是相當複雜的。無限介質僅支持兩種以獨特速度傳播的波模式; 但是板塊支持兩組無限的蘭姆波模式,其速度取決於波長和板塊厚度之間的關係。自 1990 年代以來,由於計算能力的快速增加,對蘭姆波的理解和利用有了很大的進展。蘭姆的理論公式已經發現了大量的實際應用,特別是在無損檢測領域。


蘭姆撰寫了重要著作,特別是在聲學和流體動力學方面,例如流體運動的數學理論(1878 年)。他的著作《流體動力學》(1895 年)多年來一直是該主題的標準著作,其他著作包括《無限微積分基礎課程》(1897 年,1919 年第 3 版)、彈性固體表面上震動的傳播(1904 年)、聲音的動力學理論 (1910, 2nd ed. 1925), 靜力學(Statics, 1912, 3rd ed. 1928), 動力學(Dynamics, 1914), 高等數學(Higher Mechanics, 1920) 和 數學物理的演進(The Evolution of Mathematical Physics, 1924)。在 1904 年他對英國協會的講話中,他解釋了他寫這些書的原因:

必須不時有人站出來整理和整理積累的材料,拿掉那些被證明不重要的東西,並將有用的部分焊接成一個相連的系統中。

It is ... essential that from time to time someone should come forward to sort out and arrange the accumulated material, rejecting what has proved unimportant, and welding the rest into a connected system.

除了研究,教學之外,蘭姆也在學界上頗為活躍。他於 1884 年當選為皇家學會會員後,兩次擔任學會副主席,1902 年獲得皇家獎章,1902-1904 年,他擔任倫敦數學會主席, 曼徹斯特文學和哲學學會。1925 年他當選英國協會主席。 1931 年被封為爵士。1932 年,蘭姆在向英國科學促進會發表的演講時,曾詼諧地表達了解釋和研究流體湍流的困難。 據說他說:“我現在是個老人了,等我死了去天堂,有兩件事我希望開悟。一個是量子電動力學,一個是流體的湍流運動。關於前者 我相當樂觀。”他於1935年因衰老無疾而終,得享高壽,算是有福之人。

 

下一回,又是哪位物理學家能得到皇家學會的青睞呢?敬請期待!

 

參考資料:

  1. 中文 英文維基相關條目
  2. James Dewar and the vanishing electrical resistance at absolute zero temperature by Kostas Gavroglu,Ann. Phys. (Berlin) 524, No. 3–4, A61–A64 (2012)