科普利獎章得主的物理學家群像(五) 兩位與太陽黑子結緣的貴公子

  • 阿文開講
  • 撰文者:高崇文
  • 發文日期:2023-06-02
  • 點閱次數:1281

今年大家談論度最高的,不再是疫情,而是經濟衰退。而經濟大蕭條是上個世紀持續時間最長、影響最廣、最為慘烈的經濟衰退,威瑪共和的傾壞,納粹勢力的抬頭,甚至第二次世界大戰的爆發,都與大蕭條有關。至於大蕭條的成因,有各種說法,阿文不是經濟學家,讀了各家說法,還是一頭霧水。不過,有一種說法倒是引起阿文的注意,就是太陽黑子理論。英國經濟學家傑文斯(W.S.Jevons)早在1875年就曾提出,太陽黑子的出現大約每十年左右出現一次,而經濟周期大約也是每十年一次。這並非偶然,具體來說,太陽黑子活動頻繁就使農業生產減產,農業的減產影響到工業、商業、工資、購買力、投資等方面,從而引起整個經濟蕭條。相反,太陽黑子活動的減少則使農業豐收,整個經濟繁榮。從導致大蕭條的1929年美國股市大崩盤到1933年大蕭條,也正好配合太陽黑子數達到最大值的時間(1928年4月)。當然,阿文對太陽黑子是否造成大蕭條也半信半疑,只是1931年與1932年頒發的科普利獎得主,恰巧與太陽黑子都有關,所以順便一提,也算是個有趣的豆知識。另外一個有趣的事實是,這兩位得主都是來自富貴之家,甚至利用自家貲財來資助科學,也算是一段佳話。

1931年的科普利獎頒給了弗朗茨·亞瑟·弗里德里希·舒斯特爵士 (Sir Franz Arthur Friedrich Schuster1851-1934) 。他其實不是出生在英國,而是出生在日爾曼的商業中心,美因河畔的法蘭克福。他的家族於 1786 年在那裡創立了一家棉花貿易公司(Gebrüder Schuster)。1808 年拿破崙統治對英國商品的貿易徵收關稅時,一些家庭已經移居英國。舒斯特的父母都是猶太人,他們於 1849 年結婚,並且改宗基督教。他的父親, 法蘭西斯·舒斯特(Francis Joseph Schuster) 是成功的棉花商人和銀行家。亞瑟是家中長子。1869 年,他父母移居到了家族紡織企業所在的曼徹斯特。曾在法蘭克福上學並在日內瓦學習的亞瑟於 1870 年與父母團聚,他和其他兄弟姊妹於 1875 年成為英國公民。有名的生理學家埃德加·舒斯特 (Edgar Schuster) (1897-1969) 是他的侄子。

雖然舒斯特在曼徹斯特的家族企業工作了一年(1870/71)後,但是由於他從小就對科學感興趣,所以他設法說服父親,讓他去歐文斯學院求學。在那裡,他師從托馬斯·巴克 (Thomas Barker, 1838-1907)學習數學,巴克是1862年劍橋Tripos畢業考的狀元。他還師從貝爾福斯·斯圖瓦特(Balfour Stewart,1828-1887)學習物理,並開始與亨利·羅斯科(Henry Roscoe, 1833-1915) 一起研究氫和氮的光譜。其實我們先前提過的蘭姆爵士,還有著名的湯木生爵士,也都是歐文斯學院的校友。歐文斯學院後來成為曼徹斯特維多利亞大學,它的物理系就是在舒斯特手上,成為不輸卡文狄希實驗室的一流學府。不過,那是十年以後的事了。阿文有幸在曼徹斯特維多利亞大學待過兩年,至今仍然念念不忘呢。

1873年,舒斯特前往海德堡大學,與古斯塔夫·克希荷夫(Gustav Kirchhoff)手下學習了一年。獲得博士學位之後,又在哥廷根的電磁學大師韋伯( Wilhelm Eduard Weber) 還有柏林大學的亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz )指導下,學習了一段時間。1875 年,舒斯特回到曼徹斯特後,在歐文斯學院成為一名無薪的物理學演示者。開始研究電學。1875 年,由於他對光譜分析的了解,使他被任命帶領一個探險隊前往暹羅,拍攝日全食期間的日冕光譜 (4 月 6 日)。對於這樣一位剛出道的科學家來說,可以算是一項很重要的任命。 在路上,他在 1875 年 2 月 21 日寫了一封信給期刊「自然」,描述了他對“綠色閃光”現象的觀察。接著他去劍橋大學的卡文狄希實驗室,在那裏工作了五年。他在那裡的身份也相當獨特。他既不是學生也不是同事。他與實驗室的第一任主任,馬克士威(James Clerk Maxwell,1831–1879) 第二任主任,瑞利男爵(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, 1842-1919)一起工作。舒斯特後來還利用他家族的財富購買材料和設備,並資助曼徹斯特設立數學物理講座,他也資駐劍橋大學成立氣象學講座。他對英國皇家學會和國際太陽能研究合作聯盟做也頗有貢獻。

1881年,舒斯特回到曼徹斯特,這次他終於要鴻圖大展啦。他被任命為歐文斯學院應用數學的拜爾講座教授,並於 1888 年,他接替了他的老師斯圖瓦特成為朗沃西(Langworthy)物理學講座教授。這一任命使他有機會建立一個大型而活躍的教學和研究部門。 1898年,他設計並籌集資金建造了一個全新的物理實驗室,1900 年,他設計的新實驗室正式開放。它是世界第四大的實驗室。這個實驗室旨在促進教學和研究的相互滲透。它很快成為卡文狄希實驗室的對手了。

舒斯特在曼徹斯特市教育委員會任職,並且主導了曼徹斯特大學及其技術學院的成立。在接下來的二十年裡,舒斯特幾乎是曼徹斯特科學界的主導人物。作為部門負責人,他制定了雄心勃勃的物理教學和研究計劃,他的努力最終促成了 1900 年新物理實驗室,它在剛開放時是英國最大的,也是世界第四大的實驗室。新建築反映了舒斯特的信念,就是重視物理學內跨學科研究,特別是強調純科學與應用科學之間的共生關係。舒斯特鼓勵員工和學生進行原創研究,並且分享他們的想法以謀互惠互利。他還在曼徹斯特推廣電機工程和電化學等這些新學科,並於 1892 年建立了惠特沃斯天文台,用於研究天文學和氣象學。1904年,曼徹斯特維多利亞大學成立後,舒斯特擔任理學院首任院長。曼徹斯特大學的舒斯特實驗室是物理和天文學學院的所在地,就是以他的名字命名的。阿文在曼徹斯特兩年,就是在舒斯特大樓內上班的呢。舒斯特於 1907 年辭去院長職務,部分原因是出於健康原因,部分原因是為了促進國際科學事業。他在確保拉塞福會接替他之後才離職。舒斯特與曼徹斯特大學後來的名聲大部分與接替他的恩內斯特·拉塞福有關。

雖然不如後來的拉塞福那樣知名,舒斯特在地震、磁力、大氣電學和日食方面的學術成就還是讓他享譽國際。他最早受到羅斯科的影響,主要的研究興趣是頻譜分析。他發表的第一篇論文是“關於氮的光譜”(1873 年),並在 1881 年發表了一篇重要文章“關於氣體光譜中的諧波比”,駁斥了 G. J. Stoney 提出的聲稱在不同元素的氣體光譜有存在基本頻率,也就是其他頻率是這個頻率的整數倍的說法。舒斯特在統計學上表明光譜更接近於隨機分佈。他在 1870 年代和 1880 年代還參加了到暹羅、亞利桑那、埃及和西印度群島的科學考察,以觀察日食期間的日冕光譜。

除了光譜之外,舒斯特對當時流行的電學也頗有研究。1874年,舒斯特發現了銅與氧化銅之間的整流效應。在實用上來說,這個發現很重要,因為銅與氧化銅的接觸後來應用到電流的整流器上面。在 1880 年代,他對通過真空管中的氣體放電進行了重要研究,這表明電流以離子的形式通過氣體,並且一旦氣體被電離,可以使用很小的電勢維持電流。這一發現形成了他在 1884 年和 1890 年貝克講座演講的主題。舒斯特的研究為後來電子的發現奠定了基礎。

舒斯特對沒什麼應用價值的主題也有眾多貢獻。1897 年,舒斯特提出了芮得格-舒斯特定律,這是一個描述譜線分佈規律性的公式。這種光譜線只出現在放射光譜,但是沒有出現在吸收光譜,後來才知道是由能量比較高的S態(角動量為零)躍遷到能量較低的P態(角動量為一)的躍遷所造成的。此外,舒斯特在 1898 年投到期刊「自然」的兩封短文中創造了反物質的概念。他假設反原子和整個反物質太陽系,如果原子與正常物質的原子結合,就會產生能量。 保羅·狄拉克在 1928 年的工作為他的假設奠定了數學基礎,該工作預測了反粒子,後來導致了反粒子的發現。舒斯特在 1905 年提出了一個輻射傳輸(radiative transfer) 問題,試圖解釋恆星光譜中吸收和發射線的出現。這是支持幾乎所有天氣和氣候模型中輻射傳輸處理的雙流近似的首次使用。著名的天體物理學家,錢德賽卡(Chandrasekhar) 認為舒斯特開啟了輻射傳輸這個研究領域。

但是論到舒斯特最廣為人知的成就,可能還是他在1898年提出的周期圖分析(periodogram analysis)了。舒斯特在 1897 年首次使用這種形式的諧波分析來反駁 C. G. Knott 關於地震發生週期性的說法。後來他把這個技術用到太陽黑子的研究上。事實上,早在1875 年,羅斯科的表弟、經濟學家傑文斯報告說:“歐文斯學院的舒斯特先生巧妙地指出,西歐的好年份間隔大約為 11 年,即平均年份的平均長度。 主要的太陽黑子週期。”這就是太陽黑子與經濟衰退被連想在一起的開端。太陽黑子活動大約每11年一個週期,在這個週期內黑子活動最高的時期被稱為極大期,黑子活動最低的時期稱為極小期。在週期的早期,黑子出現在較高的緯度,然後在接近極大期時,出現的緯度逐漸接近赤道:這稱為史波勒定律。這個定律大約在1861年被英國天文學家理察·卡靈頓發現,然後被德國天文學家古斯塔夫·史波勒所確認。舒斯特用周期圖分析分析太陽黑子,可以說是理所當然之事。這種技術後來變成識別時間序列觀察中存在的統計重要頻率的主要實用工具。

1912 年,年過六十的舒斯特在伯克郡 Wargrave 附近的 Hare Hatch 買下了 Yeldall 莊園,但是他卻沒有辦法好好安享天年。兩年後第一次世界大戰爆發後,舒斯特家族在媒體上受到反德偏見的影響,就亞瑟而言,在皇家學會的某些部門也受到了影響。 他的兄弟費利克斯·舒斯特爵士不得不發表聲明,指出舒斯特家對英國的忠誠不容置疑,並且他們的兒子正在英國軍隊服役。事實上,亞瑟在 1915 年英國協會會議上發表主席致詞的那一天,他得知他的兒子在戰場上負傷。當時連英國皇室都必須把名字從薩克森-科堡-哥達(House of Saxe-Coburg and Gotha)改成溫莎(House of Windsor),所以舒斯特家族也只能順應時勢了。

舒斯特被他的同時代人視為具有非凡能力的數學物理學家,同時也是一位能力出眾的管理者和教師,也積極倡導科學在教育和工業中發揮作用。舒斯特寫了不少教科書,包括與 C H Lees 合作的實用物理學中級課程(1896 年)、光學理論導論(1904 年)等。他在公共科學界非常活躍,擔任皇家學會秘書,並在氣象局和國家物理實驗室的理事會中任職。舒斯特曾擔任皇家學會秘書,並當選為副主席(1919-20)和外交委員(1920-24)。 他還擔任國際研究委員會秘書 (1919-28) 以及氣象辦公室 (1905-32) 和國家物理實驗室 (1899-1902, 1920-25) 的管理委員會成員。

舒斯特在1931年得到英國皇家學會最高榮譽,科普利獎章,得獎理由是「以其在光學和地磁學上的卓越研究」。 當時他已經是八十老翁了。得到科普利獎三年後,他於 1934 年 10 月 14 日在黑爾哈奇去世,安葬在倫敦郊外的布魯克伍德公墓。

隔年的科普利獎,則是頒給了以發現太陽黑子中的磁場而聞名,並且規劃或建造數個領先世界的望遠鏡的美國太陽天文學家;喬治·埃勒里·黑爾(George Ellery Hale, 1868 - 1938 )。他手上完成的有耶克斯(Yerkes)天文台的 40 英吋折射望遠鏡、威爾遜山(Mount Wilson)天文台60 英吋的反射望遠鏡、威爾遜山的 100 英吋胡克(Hooker)反射望遠鏡和帕洛瑪(Palomar)天文台的 200 英吋反射望遠鏡。 他還推動國際太陽能研究合作聯盟和國家研究委員會的成立。此外,著名的加州理工學院之所以能發展成為一流的研究型大學,他也是功不可沒。

喬治·黑爾於 1868 年 6 月 29 日出生於伊利諾伊州芝加哥,他的家族大約在 1640 年移居美國。芝加哥在 1871 年的芝加哥大火中被摧毀後。他的父親在芝加哥重建期間靠著製造和安裝乘客電梯獲得了可觀的財富。喬治是家中長子,他的父親和他的母親向他灌輸了對詩歌和文學的熱愛。他年輕時對父母送給他的書籍和機器著迷——他最珍貴的財產之一是一台小型顯微鏡。在父親的鼓勵下,他在他們家建了一家小工作坊,後來變成了實驗室。 顯微鏡引起了他對光學的興趣。十四歲時,喬治製造了他的第一台望遠鏡。他的父親後來用他們安裝在 Kenwood 房子屋頂上的二手克拉克折射鏡取而代之。很快他就開始拍攝夜空,觀察日偏食,並畫出太陽黑子。

年輕的黑爾被威廉·哈金斯(William Huggin)、諾曼·洛克耶(Norman Lockyer)和恩內斯特·拉塞福的著作所吸引。威廉·哈金斯爵士是當時最著名的天文學家之一,在1900至1905年間擔任皇家學會的主席。。他與妻子瑪格麗特·林賽·哈金斯是光譜學的先驅。他是第一位分析行星狀星雲光譜的人。他也是第一位區分出星雲和星系之間差異的天文學家。他在1868年觀察天狼星顯示有紅外移,依此可以推算恆星的徑向速度。而洛克耶則是以從太陽光譜而發現氦氣而聞名。他們的著作點燃了黑爾對天體物理學這個初萌芽的新興領域的狂熱。不過黑爾同時熱愛釣魚、划船、游泳、滑冰、網球和騎自行車。他是儒勒·凡爾納 (Jules Verne) 科幻故事的大粉絲。凡爾納最有名的故事當然是《環遊地球八十天》,但是阿文覺得他的《海底兩萬里》《機器島》也都很精彩,但是在黑爾的時代,《從地球到月球》(De la Terre à la Lune,1865年)應該是最為激動人心的作品吧。人類登月成功,還要等上一百年呀。

黑爾就讀於艾倫學院(Allen Academy),在那裡他學習了化學、物理學和天文學。他通過參加芝加哥手工培訓學校 (Chicago Manual Training School)的車間工作課程來補充他的實際工作經驗。黑爾在他父親的朋友、著名建築師丹尼爾·伯納姆(Daniel Burnham)的指導下,掌握了建築和城市規劃的原理。在伯納姆的建議和鼓勵下,黑爾在十七歲時決定去麻省理工學院 (MIT) 接受教育。

黑爾在麻省理工學院、哈佛大學天文台(1889-90 年)接受教育。1890 年,他開始在父親為他建造的肯伍德天體物理觀測站 (Kenwood Astrophysical Observatory)進行研究。 21 歲時,他於 1890 年在麻省理工學院就讀時開發了分光日光儀(與 Henri-Alexandre Deslandres 同時)。分光日光儀是一種帶有振盪狹縫或狹縫上方的旋轉棱鏡,可以在幾分鐘內掃描整個太陽表面。他在雪地上用它來拍攝表面上各種氣體雲的分佈。太陽黑子是太陽區域溫度較低的區域。他用它發現了太陽漩渦。黑爾也使用安裝在雪地上的光譜儀來分析太陽光和太陽大氣中元素譜線的行為。之後他到伯洛伊特學院任教(1891-93 年)。後來他前往柏林大學深造,攻讀博士(1893-94 年),但是還被畢業就已經被任命為剛成立不久的芝加哥大學的副教授,所以他沒有拿到學位就回國就任了。他到芝加哥大學擔任副教授後,表現得非常活躍,1897 年升為正教授(1897-1905)。 他還是《天文學和天體物理學》的聯合主編(1892-95 年),1895 年後成為《天體物理學雜誌》的主編。從 1921 年到 1923 年,他在科學服務委員會(現稱為科學與公眾協會)任職。黑爾是一位勤奮的組織者,幫助創建了許多天文機構、社團和期刊。黑爾也是將加州理工學院發展成為領先的研究型大學方面的重要推手。退休後他仍然在威爾遜山擔任主任,他在加利福尼亞州帕薩迪納建立了黑爾太陽能實驗室,作為他的辦公室和工作室,追求他對太陽的興趣。

黑爾的研究一值都在太陽。黑爾開啟了現代對太陽黑子的認識,他建立了太陽磁場與黑子的聯結。黑爾認為太陽黑子的週期是22年,涵蓋了兩次太陽磁場的磁偶極轉變。稍後,巴布科克(Horace W. Babcock)提出太陽外層的動力學模型。巴布科模型解釋了磁場受到太陽自轉扭曲造成的行為,描述了史波勒定律的原因以及其它的效應。1908 年,他利用季曼效應用改進的分光日光儀確定太陽黑子是磁性的。黑爾使用 1908 年投入使用的 60 英尺太陽望遠鏡,證明了太陽黑子是強磁場的中心——這是首次探測到地球之外的磁場。對該主題的進一步研究表明,太陽黑子中磁極性的東西向排列有很強的趨勢,在太陽赤道上具有鏡像對稱性,並且每個半球的極性從一個方向轉換太陽黑子磁場的這種系統特性現在通常被稱為黑爾-尼科爾森定律,或者簡稱為黑爾定律。他還從卡內基研究所尋求資金來建造 150 英尺高的太陽能塔(solar tower),該塔於 1912 年投入使用。1914 年,黑爾和他的同事發現,南北半球的太陽黑子每 11 年就會反轉一次極性。

除了他的太陽研究外,黑爾努力建立了許多重要的天文台,包括耶克斯天文台、威爾遜山天文台、帕洛瑪天文台和黑爾太陽實驗室。 在威爾遜山,他聘請並鼓勵哈洛·沙普利(Harlow Shapley) 和埃德溫·哈伯(Edwin Hubble)探索當時最重要的一些發現。這兩個人都是重量級的人物,特別是哈伯,與勒梅特同為現代宇宙論的奠基者。黑爾的看人眼光一流,由此可見一斑。

黑爾從年輕時,曾在歐洲廣泛旅行。長期以來,他意識到國際組織協調科學研究的價值,作為美國國家科學院委員會主席,他致力於組建國際太陽能研究組織。該學會的成立會議在 1904 年的聖路易斯博覽會上舉行,其中包括來自 16 個國家科學學會的代表。代表們隨後任命了一個委員會,該委員會將創建國際太陽能研究合作聯盟作為一個永久性的國際科學組織。一年後,新工會在英國牛津舉行了第一次正式會議。進一步的會議於 1907 年在巴黎和 1910 年在威爾遜山舉行,聯盟的範圍擴大到包括恆星研究,這與黑爾強調太陽只是眾多其他恆星中的一顆的主張相呼應。 1913 年在波恩舉行的最後一次會議後不久,第一次世界大戰爆發後聯盟的活動自然就結束了,後來在 1919 年國際天文學聯盟成立後,黑爾繼續開展活動。

在第一次世界大戰期間,黑爾在成立國家研究委員會以支持政府將科學用於其政策目標,特別是促進其軍事目的方面發揮了關鍵作用。 1922年,他被任命為國際聯盟知識合作委員會(League of Nations' Committee on Intellectual Cooperation,聯合國教科文組織的前身)的成員,其他成員包含愛因斯坦與瑪莉·居禮等知名科學家。但幾個月後因健康問題不得不辭職。 他的同事羅伯特·安德魯·密利根取代了他。退休後他仍然在威爾遜山擔任主任,他在加利福尼亞州帕薩迪納建立了黑爾太陽能實驗室,作為他的辦公室和工作室,追求他對太陽的興趣。

但是隨著年歲,黑爾出現了神經和心理症狀,包括失眠、經常頭痛和抑鬱。 這些問題迫使他辭去威爾遜山的董事一職。 他於1932年以其在太陽磁學現象方面上的傑出研究,以及作為一名科學工程師,特別是建立威爾遜山天文台上的貢獻

("For his distinguished work on the solar magnetic phenomena and for his eminence as a scientific engineer, especially in connexion with Mount Wilson Observatory")而得到科普利獎章。六年後他在帕薩迪納的拉斯恩西納斯療養院去世。

這兩位科學家無疑是象徵一個舊時代的光榮,然而物理隨著量子力學的出現,已經走到一個新的境界,新的發現,新的理論推陳出新,皇家學會當然無法漠視,我們接著會看到新一波的科普利獎章得主,還請大家繼續支持阿文寫下去囉!

 

參考資料:

 中文 英文維基相關條目