科普利獎章得主的物理學家群像(六) 烽火下的勇士們

歐洲的情勢隨著1933年德國納粹掌權(Machtergreifung)而風雲變色。而歐洲的科學家也個個被捲入即將來到的戰事之中。這一集的兩位主角也不例外。納粹的氣勢在1936年舉辦的柏林奧運之後持續攀高，軟弱的英法發現德國野心已經難以遏制，最後戰爭還是在1939年爆發，隔年徳國長驅直入法國，佔領巴黎。這一年倫敦也被徳國轟炸機攻擊，損失慘重。這一年的科普利獎則是頒給了堅決抵抗納粹的法國物理學家，保羅·朗之萬(Paul Langevin，1872 - 1946 )。

       朗之萬於1872年出生於巴黎，曾在巴黎高等物理化工學院( École de Physique et Chimie )和巴黎高等師範學校(École Normale Supérieure)就讀。還曾經去劍橋大學，在湯木生(J. J. Thomson) 爵士的指導下，在卡文迪希實驗室中學習。 回到巴黎的索爾邦大學後，朗之萬於 1902 年從皮耶·居禮指導下獲得博士學位。1904 年，他成為法蘭西學院的物理學教授。1926 年，他成為母校巴黎高等物理化工學院的主任。並於 1934 年當選為法蘭西科學院的院士。

       當朗之萬於 1895 年開始他的科學生涯時，物理界隨著各種射線（X 射線和放射性）的發現，正處於一片混亂，正是情勢大好的階段。朗之萬在完成關於氣體電離的論文之後，他的第一份工作集中在磁性的微觀性質上。他使用波茲曼發展的統計物理，來解釋皮耶·居禮觀察到的順磁性材料磁化率隨著溫度變化的事實。他設想磁性材料由大量像是小磁鐵的永久磁偶矩形成，這些小磁鐵是在封閉軌道上的電子流而產生。這些材料的磁性與溫度的關係被解釋為小磁鐵自身對齊的趨勢與傾向於賦予它們隨機方向的熱騷動之間的平衡，依此他得到磁化率與溫度成反比的結論，那正是他的老師，皮耶·居禮所發現的經驗定律。他也利用法拉第電磁感應定律來解釋逆磁性，採用的物理圖像是電子繞著正電荷旋轉。這樣，沒有永久性磁矩的原子在外加磁場下就會產生逆磁性。這個理論發表於 1905 年。值得一提的是，當時還沒發現原子核的存在，當然，也還沒有完整的量子理論，他的結果需要被修正，但是大體的方向卻是正確的。

       除了磁性理論之外，朗之萬也是法國特殊相對論的主要支持者。1906 年，朗之萬為法蘭西學院準備了一門電磁理論課程，得出的結論是電子的慣性是能量的一個特性。幾個月後，他讀了愛因斯坦關於特殊相對論的論文，並掌握了他自己的研究與這一革命性新理論之間的聯繫。從那時起，他把在法蘭西學院的課程用來深化和傳播愛因斯坦的理論，也因此成為特殊相對論在法國的鼓吹者。

       1908 年，朗之萬提出了一個方程來描述懸浮在液體中的粒子的隨機游動。這個方程是第一個隨機微分方程，它描寫液體中物體在粘性力（斯托克斯力）作用下不遭到周圍介質的原子的隨機力轟擊下的運動方程式。這個方程式被稱為朗之萬方程式，算是他最著名的貢獻。

       1910 年至 1911 年，他在法蘭西學院的課程中教授相對論。 就在那時，他設想了雙胞胎悖論，並於 1911 年將其提交給博洛尼亞大會和法國哲學學會，從而引起了哲學家亨利·柏格森的興趣，他於 1922 年發表了「持續，時間和同時性」。朗之萬邀請愛因斯坦到法蘭西學院講授相對論。4 月 6 日愛因斯坦在法國哲學學會與亨利·柏格森、萊昂·布倫施維克和埃米爾·梅耶森進行著名辯論。愛因斯坦在這場辯論中講出了:哲學的時間並不存在的名言。愛因斯坦於這年年底得前一年的諾貝爾物理獎!

       但是論到朗之萬最著名的工作，卻不是他的理論工作，而是利用他的老師，皮耶·居禮的壓電效應來運用超聲波。第一次世界大戰期間，朗之萬與工程師 Constantin Chilowski、ASDIC（反潛探測調查委員會的首字母縮寫）一起動員起來為戰爭服務。這套設備可以算是聲納的始祖，目的是利用超聲波在這些物體上的反射來探測潛艇。 在 1916 年以 Chilowski-Langevin 的名義申請初始專利後，朗之萬使用由雅克和皮耶·居禮於 1880 年發現的石英壓電來製造超聲波發射器-接收器。 這項發明直到戰爭結束後才投入使用，但與盟國共享，這讓朗之萬在 1920 年代捲入了專利戰。

       朗之萬也是提出物質波的物理學家，路易·德布羅伊(Louis de Broglie，1892-1987，後來成為第七任布羅伊公爵)的指導教授，當德布羅伊在1924年完成的博士論文《量子理論研究》中詳細地解釋他所創建的的物質波理論，他宣稱任何物質，不管有沒有質量，都具備波動和粒子的性質。由於論文的題目與內容太過新穎，讓當時許多學者都直搖頭，連身為指導教授的朗之萬其實也難以消受，但是他還是寄了一份論文給在柏林的愛因斯坦，尋求他的意見。愛因斯坦稍微翻了一下，馬上就意識到這篇論文的重要性，他興奮地回信：「他已經掀起了面紗的一角」！並且將論文送去柏林科學院，因而使得這理論廣知於物理學界。德布羅伊也順利拿到博士學位。後來，薛丁格從這篇論文裡，得到靈感。兩年後，薛丁格發表了薛丁格方程式，也從此開啟了量子力學的新紀元。 1927年，柯林頓·戴維森與雷斯特·革末將電子射向鎳晶體，發現其繞射圖譜和原是用於X射線的布拉格定律預測的一模一樣。證實了德布羅伊的物質波理論。因為這歷史性的發現，德布羅伊在五年後的1929年的諾貝爾物理學獎。這也要感謝朗之萬推了一把。

       第一屆索爾維 (Solvay)大會，從 1911 年開始匯集了當時所有偉大的物理學家一起討論重要的物理發現，朗之萬在1911 年，他與，路易·德布羅伊的哥哥，莫里斯·德布羅伊 (Maurice de Broglie) 一起在第一屆“輻射與量子理論”大會發表研究成果。長年擔任會議主席的荷蘭物理學家亨德里克·安東·羅倫茲 (Hendrik Antoon Lorentz) 於 1928 年去世後，朗之萬接棒，從 1930 年到 1933 年擔任索爾維物理學大會的主持。

       朗之萬不只是法國物理界的大老，也是出名的左翼份子，他很早就開始了政治活動：他在 1898 年簽署了旨在免除被懷疑是德國間諜的猶太軍官阿爾弗雷德·德雷福斯罪名的請願書。 第一次世界大戰後，像所有國家的許多知識分子一樣，朗之萬希望通過爭取和平來防止進一步的野蠻行為。 1919年起他加入克拉特指導委員會，同時加入人權聯盟，1931年成為聯盟主席。 努力與德國建立科學關係。 和愛因斯坦一樣，朗之萬也是篤信和平主義。 他越來越傾向於提倡科學家的社會責任，他主張科學是道德價值觀的承載者。1932 年，他與亨利·巴布斯 (Henri Barbusse) 和羅曼·羅蘭 (Romain Rolland) 共同創立了反戰反法西斯世界委員會。1934 年 2 月 6 日巴黎爆發極右翼騷亂後， 1934 年 3 月，朗之萬與哲學家阿蘭和民族學家保羅·里維在面對來自極右翼的威脅時，他們向工人發起聯合呼籲。朗之萬後來成為反法西斯分子警戒委員會的創始人之一。

       他的反法西斯的名聲導致他於德國占領巴黎之初的1940 年 10 月 30 日被蓋世太保逮捕。他的被捕導致了 1940 年 11 月 11 日的第一次反德示威。朗之萬一開始被關押在拉桑特監獄，1943 年 11 月，他被維琪政府解除了在法蘭西學院的職務，而在12 月 8 日獲釋，旋即被軟禁在特魯瓦，在那裡他自願在師範學校任教。 他最後終於在 1944 年 5 月潛逃進入瑞士。但是他的女兒與女婿可就沒著這麼幸運了。他的女兒，海倫娜·朗之萬嫁給了參加反抗納粹占領運動的物理學家雅克·所羅門(Jacques Solomon) ，她於 1943 年被因參與抵抗活動而被捕，並在幾個集中營，包含奧斯維辛集中營中倖存下來。 她與 Marie-Claude Vaillant-Couturier、Danielle Casanova 和 Charlotte Delbo 同處一隊政治犯。 但是雅克·所羅門則是在1942 年 5 月 23 日在瓦萊里安山 (Mont-Valérien) 被納粹槍決。

為了解釋他的社會和政治立場，朗之萬在 1945 年寫道：
“我的父親在 18 歲時不得不中斷了學業，他激發了我求知欲； 他和我的母親是巴黎公社被圍困和被血腥鎮壓的目擊者，通過他們的故事，使我對暴力的恐懼和對社會正義的強烈渴望銘記在心。”

朗之萬於 1946 年在巴黎去世。他被安葬在巴黎萬神殿，這是法國科學家極高的榮譽。
雖然戰爭持續進行，但是科普利獎仍然照常每年頒發，繼一位動物學家，一位化學家與一位生理學家之後，1944年的科普利獎再一次頒給物理學家。這次得獎的是傑佛瑞·泰勒爵士（Sir Geoffrey Taylor, 11886 - 1975）。泰勒是當代流體力學和波動理論的巨擘，出生於倫敦的聖約翰伍德。他的父親 Edward Ingram Taylor 是一位藝術家，他的母親 Margaret Boole 來自一個數學家家庭，她的姑姑是傳奇女數學家Alicia Boole Stott，她的祖父則是發明布林代數的數學家喬治·布林 (George Boole)。

     泰勒小時候參加了皇家學院的聖誕講座之後，開始對科學著迷，並使用油漆滾筒和膠帶自己進行了實驗。 他從 1905 年到 1908 年在劍橋三一學院學習數學和物理。之後他獲得了獎學金，繼續在湯木生( J. J. Thomson) 的指導下在劍橋學習。

       對於一般物理系的學生來說，泰勒最出名的是他的第一篇論文，這篇論文在他還是大學生時就發表了。他在論文中表明，即使在極弱的光源下，可見光經過雙狹縫依然也產生干涉條紋。他採用的光源是由來自氣體燈，發出的光通過一系列深色玻璃板衰減之後，在縫紉針周圍產生繞射。需要三個月才能使照相底板充分曝光。這篇論文沒有提到光子，也沒有提到愛因斯坦 1905 年關於光量子的論文，。 1927 年，保羅·狄拉克提出電磁場的量子理論以後，泰勒的實驗就開始在教學中廣被引用，作為表明光的干涉效應不能用一個光子干涉另一個光子來解釋的證據。一個光子穿過兩個狹縫的雙縫裝置能產生干涉圖案表明了干涉是光子自己與自己干涉的結果。事實上，泰勒實驗中的條件實際上不足以證明這一點，因為光源實際上不是單光子源，但類似實驗在 1986 年使用真正的單光子源重現。

       但是泰勒並沒有往量子物理發展，而是轉向古典物理中的流體力學。他首先研究衝擊波，獲得了史密斯獎。 1910 年，他被選為三一學院的研究學者，次年他被任命為舒斯特設立的氣象學講座，成為動力氣象學的講師(reader)。他在大氣亂流方面的工作後來以“流體中的亂流運動”發表，並於 1915 年為他贏得了亞當斯獎。

       1913 年，泰勒在冰上巡邏船 Scotia 上擔任氣象學家，在那裡他的觀察形成了他後來研究空氣混合理論模型的基礎。當第一次世界大戰爆發之後，他被派往範堡羅(Farnborough)的皇家飛機廠，將他的知識應用到飛機設計中，主要是關於螺旋槳軸的應力。他並不滿足於坐下來算物理，在這段期間，他還順便學會了如何駕駛飛機和跳傘!

     泰勒在1917年還證明泰勒-普勞德曼(Taylor-Proudman)定理，這個定理說明當固體在以高角速度 Ω 穩定旋轉的不可壓縮流體中緩慢移動時，由於科氏力的效應，流體速度沿任何平行於旋轉軸的直線都是均勻的，也就是說旋轉流體中流速的變化是發生在垂直於角速度向量的平面上。這基本上意味著穩定或緩慢的流動不會沿著旋轉軸的方向變化，並且本質上表現得像是二維流動。泰勒最令人難忘的貢獻是他於1923年用簡單實驗來演示在各種幾何形狀中，這個定理所衍生的各樣結果。

       這個定理還能解釋泰勒柱的形成。泰勒柱是指受固體擾動的旋轉流體傾向於形成平行於旋轉軸的柱。在固體上方和下方的流體運動被迫循環，因此被限制在由物體沿著旋轉軸延伸的柱子內。像是穩定的海流在流經海底山地時所形成的逆時針環流就是泰勒柱。舉例來說，泰勒柱形成於南大洋南斯科舍海脊的山峰之上。它們影響威德爾-斯科舍交匯處的循環和混合，南極環極流（ACC）和副極地威德爾環流在這裡混合。早在1868 年，開爾文勳爵威廉·湯姆森 (William Thomson) 首次觀察到這個現象。但是要等到泰勒才成功解釋了它的成因。

       旋轉流體中平行於旋轉軸移動的物體比在非旋轉流體中經歷到更大的阻力。例如，一個乒乓球在旋轉流體中會比較慢才上升到表面。這是因為依照泰勒-普勞德曼定理，球上升路徑中被推開的流體往往會循環回到偏離的點。旋轉速度越快，流體所行進的圓運動的半徑越小。反觀在非旋轉流體中，流體在上升的球上方部分並在其下方閉合，對球提供相對較小的阻力。所以受固體擾動的旋轉流體傾向於形成平行於旋轉軸的柱。但是由於大氣的密度會變化，所以不會形成泰勒柱。

       泰勒一直對空氣和水流都抱有極大興趣，也與他終生熱愛的航行有關。 在 1930 年代，他發明了“CQR”錨，它比任何使用中的錨都更堅固、更易於管理，用於包括水上飛機在內的各種小型船隻。

       第一次世界大戰後，泰勒回到劍橋三一學院，致力於將亂流理論應用在海洋學的研究。 他還研究了物體通過旋轉流體的問題。 1923 年，他被任命為皇家學會的研究教授，擔任亞羅研究教授(Yarrow Research Professor)一職。 這使他能夠不必教學，這是他之前四年一直在做的事，但是他既不喜歡做也沒有太大的天賦。 他擔任這個職務一直到他六十五歲為止。

       正是在這一時期，他在流體力學和固體材料力學方面做了非常廣泛的工作，包括他在範堡羅的戰爭工作之後對晶體材料變形的研究。 泰勒一直對空氣和水流都抱有極大興趣，也與他終生熱愛的航行有關。 在 1930 年代，他發明了“CQR”錨，它比任何使用中的錨都更堅固、更易於管理，用於包括水上飛機在內的各種小型船隻。 此外，他通過對速度漲落的統計研究引入了一種新方法在亂流理論取得了另一項重大突破。他介紹了利用傅利葉分析速度波動的空間分佈，並表明兩點速度相關的傅里葉變換是代表不同速度的譜密度函數諧波對均方速度的貢獻。這個工作並不新穎，但是是他將這些成果首次應用到亂流領域。

       1934 年，泰勒與 Michael Polanyi 和 Egon Orowan 大致在同個時期意識到，彈性材料的塑性變形可以用「差排理論」(dislocation theory)來解釋，這個理論是維多·沃爾泰拉(Vito Volterra 1860-1940)在 1905 年所提出來的。差排（英語：dislocation），在材料科學中，指晶體材料的一種內部微觀缺陷，即原子的局部不規則排列（晶體缺陷）。從幾何角度看，差排屬於一種線缺陷，可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線，其存在對材料的物理性能，尤其是力學性能，有極大的影響。1926年，蘇聯物理學家雅科夫·弗侖克爾（Jacov Frenkel）從理想完整晶體模型出發，假定材料發生塑性切變時，微觀上對應著切變面兩側的兩個最密排晶面（即相鄰間距最大的晶面）發生整體同步滑移。根據該模型計算出的理論臨界切變強度比實驗值大上了上千倍。泰勒等人認為，之所以存在上述矛盾，是因為晶體的切變在微觀上並非一側相對於另一側的整體剛性滑移，而是通過差排的運動來實現的。一個差排從材料內部運動到了材料表面，就相當於其差排線掃過的區域整體沿著該差排伯格斯向量方向(Burgers vector，差排導致的原子面扭曲的大小和方向)滑移了一個單位距離（相鄰兩晶面間的距離）。這樣，隨著差排不斷地從材料內部發生並運動到表面，就可以提供連續塑性形變所需的晶面間滑移了。與整體滑移所需的打斷一個晶面上所有原子與相鄰晶面原子的鍵合相比，差排滑移僅需打斷差排線附近少數原子的鍵合，因此所需的外加剪應力將大大降低。

       1936 年，泰勒在皇家學院舉辦了關於“船舶”的聖誕講座。 其中之一，關於“為什麼船在波濤洶湧的大海中翻滾”，是第一個由 BBC 進行電視轉播的 RI 聖誕講座。在第二次世界大戰期間，泰勒再次將他的專業知識應用於爆炸波傳播等軍事問題，他研究了空氣中的波和水下爆炸。1944 年，他獲得皇家學會頒發的科普利獎章，還受封為爵士。

       1944 年至 1945 年間，他被派往美國，作為英國代表團參加曼哈頓計劃。 在洛斯阿拉莫斯，泰勒幫助解決了原子武器開發中的內爆不穩定性問題， 1945 年 8 月 9 日在長崎使用的鈽彈就是使用這個設計引爆的。

       泰勒出席了 1945 年 7 月 16 日的三位一體核試驗，他名列萊斯利·格羅夫斯將軍開出的“貴賓名單”之中，該名單只有 10 人。他們在距離發射塔西北約 20 英里（32 公里）的 Compania Hill 觀察了試驗。 巧合的是，數學家喬治·布爾的另一位後裔瓊·辛頓（Joan Hinton）一直在從事同一項目，並以非官方身份見證了這一事件。 他們當時相遇，但後來走上了不同的道路。 瓊強烈反對核武器，叛逃到中國，而泰勒堅持認為政治政策不在科學家的職權範圍內。

       1950 年，他發表了兩篇使用「白金漢 Pi 定理」估計爆炸當量的論文，以及該測試的高速攝影劇照，其中包含時間戳和爆炸半徑的物理尺度，已發表在《生活》雜誌上。他估計的 22 kt 接近於當時仍高度機密的 20 kt 的公認值。泰勒的功力可以稱之為神乎其技了。(1 kt =一千噸TNT炸藥能量)。

       泰勒在戰後繼續他的科學研究，他在航空研究委員會任職並致力於開發超音速飛機。 儘管他在 1952 年正式退休，但他在接下來的二十年裡繼續專注於可以使用簡單設備解決的問題。 這改善了測量第二黏滯係數(the second coefficient of viscosity)的方法。泰勒設計讓幾乎不可壓縮的液體，其中懸浮著分離的氣泡。膨脹過程中氣體在液體中的消散是液體的切應黏滯性的結果。 因此可以很容易地計算體積黏滯性。 他的其他後期工作還包括管中流動的縱向分散(longitudinal dispersion in flow in tubes)，通過多孔表面的運動 (movement through porous surfaces)，以及液體片 (sheets of liquids)的動力學。

       他的最後一篇研究論文發表於 1969 年，當時他 83 歲。在論文中，他恢復了對雷暴中電活動即由電場驅動的導電液體噴流的興趣。 這種噴流的錐體後來被命名為泰勒錐。 泰勒在 1972 年中風， 1975 年在劍橋去世。 他的傳記作者，也曾是他的學生的 George Batchelor 將他描述為“本（20 世紀）世紀最著名的科學家之一”。物理系的課很少提到他，阿文覺得很可惜，希望這篇文章能彌補一下這個缺憾。

下一位拿到科普利獎的物理學家更加另類，敬請期待囉。

參考資料:
(一) 中文，英文，法文維基相關條目

照片引用自 https://wellcomeimages.org/indexplus/image/V0028151.html, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41301998