George Eugene Uhlenbeck | |
---|---|
George Eugene Uhlenbeck | |
Fødselsdato | 6. december 1900 [1] [2] [3] […] |
Fødselssted | Batavia (nu Jakarta , Indonesien ) |
Dødsdato | 31. oktober 1988 [1] [2] [3] […] (87 år) |
Et dødssted | Boulder , Colorado , USA |
Land | |
Videnskabelig sfære | teoretisk fysik |
Arbejdsplads | |
Alma Mater | Leiden Universitet |
videnskabelig rådgiver | Paul Ehrenfest |
Studerende |
Abraham Pais Emil John Konopinsky |
Kendt som | en af forfatterne til begrebet spin |
Priser og præmier |
Lorentz Medal ( 1970 ) US National Medal of Science ( 1976 ) Wolf Prize ( Fysik , 1979 ) |
Mediefiler på Wikimedia Commons |
George Eugene Uhlenbeck ( Eng. George Eugene Uhlenbeck ; 6. december 1900 , Batavia , Hollandsk Østindien ( nu Jakarta , Indonesien ) - 31. oktober 1988 , Boulder , USA ) er en amerikansk teoretisk fysiker af hollandsk oprindelse. Medlem af US National Academy of Sciences ( 1955 ) samt en række andre videnskabelige selskaber i verden. Videnskabelige værker vedrører hovedsageligt kvantemekanik , atom- og kernefysik , kinetisk teori , statistisk mekanik , ikke-lokal kvantefeltteori . Han opnåede den største berømmelse takket være opdagelsen af elektronens spin , lavet sammen med Samuel Goudsmit .
George (eller Georg) Uhlenbeck blev født i den hollandske østindiske hovedstad Batavia (nu Jakarta , Indonesien ) af Eugenius Marius Uhlenbeck, en oberstløjtnant i den hollandske østindiske hær , og Anna Maria Beeger, datter af en hollandsk generalmajor. Familien Uhlenbeck har tyske rødder, hans forfædre flyttede til Holland i midten af det 18. århundrede . Der var seks børn i familien, hvoraf to døde i en tidlig alder af malaria . Efterfølgende blev hans bror Eigenius Marius ( hollandsk. Eugenius Marius Uhlenbeck ), der blev sprogforsker og ekspert i det javanske sprog , og en professor ved Leiden Universitet [5] efterfølgende berømmelse .
Ulenbekken flyttede ofte fra sted til sted og boede på et tidspunkt i Sumatra , hvor George modtog de første elementer af uddannelse. I 1905 trak faderen sig tilbage (hovedsageligt for at give børn en anstændig uddannelse), og snart vendte familien tilbage til deres hjemland og bosatte sig i Haag . Der studerede George i folkeskoler og gymnasier og blev under påvirkning af sin lærer alvorligt interesseret i fysik. Han læste en universitetslærebog skrevet af Hendrik Lorentz og studerede differential- og integralregning [6] . I juli 1918 bestod Uhlenbeck de afsluttende skoleeksamener, men han kunne ikke komme ind på universitetet. Ifølge datidens love krævedes kendskab til det græske sprog og latin for optagelse , som kun blev studeret i gymnastiksalen og ikke i den sædvanlige byskole, som han tog eksamen fra. Den militære karriere, som hans forældre tilbød ham at vælge, interesserede ham ikke [7] . Derfor besluttede han i september 1918 at gå ind på Delft Institute of Technology i afdelingen for kemiteknik. Her kunne han ikke lide det for meget: han skulle deltage i et stort antal forelæsninger og laboratorietimer i kemi. Samme efterår blev sprogloven dog ændret (de antikke sprog var ikke længere nødvendige for at blive optaget på de eksakte videnskaber), og i januar 1919 blev Uhlenbeck indskrevet i afdelingen for matematik og fysik ved universitetet i Leiden . Her herskede helt andre ordrer: Der var ikke mange forelæsninger, og det var muligt at undlade at deltage i dem, det var kun nødvendigt at gennemføre et vist antal laboratorieforsøg pr. semester. På dette tidspunkt blev Uhlenbeck interesseret i den kinetiske teori om gasser . En stor hjælp til at forstå Ludwig Boltzmanns ideer var den klassiske artikel om statistisk mekanik skrevet af Paul og Tatiana Ehrenfest til den matematiske encyklopædi [8] .
I december 1920 bestod Uhlenbeck sin kandidateksamen i matematik og fysik. Som kandidat deltog han i forelæsninger af Paul Ehrenfest om elektrodynamik og statistisk mekanik, og han blev også inviteret til de berømte Ehrenfest-seminarer afholdt om onsdagen [9] . Uhlenbeck fik i det tredje studieår et statsstipendium, som kompenserede for studieafgifter og blev en stor hjælp for hans fattige forældre. Derudover havde han råd til at leje et værelse i Leiden frem for at pendle dagligt fra Haag. I september 1921 - juni 1922 arbejdede han som lærer på en skole. Han kunne ikke lide denne beskæftigelse, primært på grund af hans manglende evne til at genoprette orden og disciplin i klasseværelset [10] .
I slutningen af studieåret 1921/22 annoncerede Ehrenfest ved et foredrag muligheden for at arbejde som lærer i Rom. Uhlenbeck meldte sig frivilligt og fra september 1922 til juni 1925 arbejdede han som huslærer for søn af den hollandske ambassadør i Rom, hvor han lærte ham matematik , fysik , kemi , hollandsk og tysk og hollandsk historie . Uhlenbeck tilbragte dog hver sommer hjemme, og i september 1923 bestod han eksamen til magistergrad ( doctorandus ) [11] .
I løbet af sit første år i Rom lærte Uhlenbeck italiensk , hvilket gjorde det muligt for ham at deltage i forelæsninger i matematik på universitetet i Rom , som blev læst af de berømte videnskabsmænd Federigo Henriquez , Tullio Levi-Civita og Vito Volterra . I efteråret 1923 opsøgte han på vegne af Ehrenfest den unge fysiker Enrico Fermi og gav ham en liste med spørgsmål om hans seneste papir. De blev hurtigt venner og organiserede et lille kollokvium for en lille kreds af unge fysikere. Året efter foreslog Uhlenbeck, at Fermi skulle tilbringe tre måneder i Leiden og interagere tættere med Ehrenfest. Dette blev et vendepunkt i den italienske videnskabsmands videre karriere og gav ham mulighed for at føle selvtillid, undermineret af et mislykket praktikophold i Göttingen [12] .
Under sit ophold i Rom blev Uhlenbeck for alvor interesseret i historie , især kulturhistorie, og opgav praktisk talt sine studier i fysik. Han besøgte det nederlandske historiske institut i Rom, studerede værkerne af den Leidenske professor Johan Huizinga og andre historikere og publicerede endda en artikel om Johannes van Heeck ( hollandsk. Johannes van Heeck ), en af grundlæggerne af Accademia dei Lincei . Da Uhlenbeck vendte tilbage til Holland i juni 1925 , tænkte han på omskoling til historiker: han mødte Huizinga, rådførte sig med sin grandonkel Christian Cornelius Uhlenbeck , en kendt sprogforsker . Det første skridt var at lære latin og græsk , men indtil videre blev det besluttet at afslutte mine studier i fysik og tage en doktorgrad. Ehrenfest introducerede snart Uhlenbeck for Sam Goudsmit , fra hvem han lærte om tingenes tilstand i teorien om spektre . Medført af fælles arbejde opgav Uhlenbeck gradvist sin idé om at blive historiker [13] .
I efteråret 1925 udnævnte Ehrenfest Uhlenbeck til sin assistent. Det fælles arbejde, der blev påbegyndt af Uhlenbeck og Goudsmit i sommer, gav meget til begge unge videnskabsmænd: den første lærte om problemerne med kvanteteorien om spektre, og den anden var i stand til at se på dem ud fra et synspunkt af mere generelle fysiske overvejelser. Som Goudsmit senere huskede,
Uhlenbecks åbenhed og friskhed i opfattelsen, da han tog atomproblemer op, hans mange skeptiske bemærkninger og kloge spørgsmål førte os til en række nye betydningsfulde resultater ... <> ... som fysikere lignede Uhlenbeck og jeg ikke meget hver Andet. Dette forklares bedst med følgende forenklede eksempel. Da jeg fortalte ham om Lande- faktorerne , spurgte han til min store overraskelse: "Hvem er Lande ?" Da han nævnte en elektrons fire frihedsgrader, spurgte jeg ham: "Hvad er en frihedsgrad ?" [fjorten]
Resultatet af dette samarbejde var opdagelsen af elektronens spin af Uhlenbeck og Goudsmit . I 1927 kom tiden til at afslutte sine studier og skrive sin doktorafhandling . Til dette formål tilbragte Uhlenbeck flere måneder (fra april til juni) i København , og på vejen tilbage stoppede han i Göttingen , hvor han lærte om den fuldstændigt kvantemekaniske fortolkning af spindet givet af Wolfgang Pauli , og mødte Robert Oppenheimer , en elev af Max Born . Sammen vendte de tilbage til Leiden. Specialeforsvaret om emnet statistisk mekanik (anvendelse af ny kvantestatistik til beskrivelsen af en ideel gas ) fandt sted i Leiden den 7. juli 1927 (Goudsmit forsvarede også sit speciale samme dag) [15] [16] .
På det tidspunkt havde Uhlenbeck og Goudsmit allerede accepteret et tilbud om at tage Oskar Kleins sæde ved University of Michigan i Ann Arbor . Tilbage i foråret overtalte Ehrenfest hr. Walter Colby, som ledte efter egnede kandidater i Europa, til at tage to personer på én gang til dette sted, "så de ville have nogen at tale med." Lige før afrejsen, den 23. august 1927, giftede Uhlenbeck sig med Else Ophorst ( Else Ophorst ), en kemistuderende ved universitetet i Leiden . Oppenheimer mødte dem ved havnen i New York, og efter et par dages besøg hos ham i begyndelsen af september, ankom de med tog til Ann Arbor [17] . På trods af University of Michigans provinsstatus var der på dette tidspunkt dannet et lille selskab af talentfulde unge teoretikere her: foruden de nyankomne Uhlenbeck og Goudsmit, Otto Laporte , en elev af Arnold Sommerfeld , og David Dennison , en elev af Klein , arbejdede her [18] . Snart blev de årlige sommerskoler den vigtigste begivenhed i universitetets liv : takket være forbindelserne mellem Uhlenbeck og Goudsmit kom mange førende fysikere til Michigan med forelæsninger (Ehrenfest, Kramers, Fermi, Pauli, Sommerfeld, Dirac osv. ) [19] Derudover organiserede Uhlenbeck til studerendes seminar i Ehrenfest-ånden [18] .
Efter Ehrenfests selvmord blev hans plads i Leiden overtaget af Hendrik Kramers , og sidstnævntes stilling ved Utrecht Universitet blev tilbudt Uhlenbeck. Ikke desto mindre vendte han tilbage til Holland i 1935 [20] . I 1938 besøgte han igen Amerika, hvor han i løbet af efterårssemesteret forelæste som gæsteprofessor ved Columbia University og hvor han igen mødte Fermi, som han lærte om opdagelsen af nuklear fission [21] . Snart traf Uhlenbeck den endelige beslutning om at krydse havet.
I august 1939 , lige før udbruddet af Anden Verdenskrig , forlod Uhlenbeck Europa. Han arbejdede igen ved University of Michigan . I 1942 blev hans søn Olke Cornelis født, som senere blev en kendt biokemiker , medlem af US National Academy of Sciences [17] . Under krigen i 1943 - 1945 sluttede Uhlenbeck sig midlertidigt til strålingslaboratoriet ved Massachusetts Institute of Technology , hvor han arbejdede med bølgelederteorier og udvikling af radarteknologi . Under hans ledelse arbejdede matematikeren Mark Katz , som blev hans nære ven, og som han senere samarbejdede meget med, og Julian Schwinger , som nægtede at arbejde med atomproblemer i Chicago . I efteråret 1945 vendte Uhlenbeck tilbage til Ann Arbor [22] . I 1952 fik han amerikansk statsborgerskab, og to år senere blev han udnævnt til Henry Carharts ærespost som professor i fysik [ 23] .
I de efterfølgende år arbejdede Uhlenbeck periodisk ved Institute for Advanced Study i Princeton (1948/49 og 1958/59), Brookhaven National Laboratory (1959). Han blev valgt til præsident for American Physical Society i 1959 [24] . I 1960 flyttede Uhlenbeck til stillingen som professor ved Rockefeller Institute for Medical Research ( New York ), som under ledelse af Detlev Bronk blev omdannet til Rockefeller University , og hvor han sluttede sig til sin gamle ven Mark Katz [25] . I 1971 modtog Uhlenbeck en ærestitel og gik på pension, men holdt ikke op med at arbejde aktivt og deltage i diskussionen om de vigtigste videnskabelige problemer. I 1984 overlevede han et slagtilfælde , hvorefter han ikke længere var i stand til at vende tilbage til videnskaben. Det næste år tog hans søn Olke, professor i mikrobiologi ved University of Illinois , ham til Urbana . I 1986 modtog Olcke en stilling ved University of Colorado , og familien flyttede til Boulder . Her døde Uhlenbeck som følge af endnu et slag [26] .
I oktober 1925 introducerede Uhlenbeck sammen med Sam Goudsmit begrebet spin i fysikken : baseret på analysen af spektroskopiske data foreslog de at betragte elektronen som en "roterende top" med sit eget mekaniske moment lig med og sin egen magnetiske moment lig med Bohr-magnetonen . Lignende ideer opstod for mange fysikere, men blev ikke formuleret med tilstrækkelig klarhed. Så tilbage i 1921 udtrykte Arthur Compton , der forsøgte at forklare stoffets magnetiske egenskaber, ideen om en elektron, der roterede "som et miniaturegyroskop " . Senere blev Wolfgang Pauli i et berømt værk om udelukkelsesprincippet tvunget til at tillægge elektronen "to-værdi, ikke beskrevet klassisk." I begyndelsen af 1925 foreslog Ralph Kronig , at denne tvetydighed kunne forklares med elektronens rotation omkring dens akse, men han stødte hurtigt ind i alvorlige vanskeligheder (ifølge beregninger skal hastigheden på elektronens overflade overstige lysets hastighed ) . Derudover mødte denne hypotese en negativ reaktion fra Pauli, Hendrik Kramers og Werner Heisenberg , og Kronig besluttede ikke at offentliggøre den [27] .
Tilsyneladende var denne tvetydighed (elektronens fjerde frihedsgrad eller kvantetal ) også udgangspunktet for Uhlenbecks og Goudsmits arbejde, og de besluttede også at forbinde det med elektronens rotation omkring dens akse. De studerede det gamle værk af Max Abraham om rotationen af en ladet sfære, men løb hurtigt ind i de samme vanskeligheder som Kronig. De rapporterede dog deres formodning til Ehrenfest, som kunne lide den. Han inviterede sine elever til at skrive en kort note til bladet Die Naturwissenschaften og vise den til Hendrik Lorentz . Lorentz lavede en række beregninger af en roterende elektrons elektromagnetiske egenskaber og påviste det absurde i de konklusioner, som denne hypotese fører til [28] . Uhlenbeck og Goudsmit anså det for bedst ikke at offentliggøre deres artikel, men det var for sent: Ehrenfest havde allerede sendt den til tryk. Hertil bemærkede han:
I er begge unge nok til at tillade jer selv at gøre én dum ting! [29]
Originaltekst (tysk)[ Visskjule] Sie sind begge jung genug um sich eine Dummheit leisten zu konnen!Fremkomsten af artiklen af Uhlenbeck og Goudsmit gav anledning til en heftig diskussion af spin-hypotesen i videnskabelige kredse. Ud over de bemærkede vanskeligheder, som var forårsaget af begrebet elektronrotation, forblev problemet med den ekstra faktor 2, som optrådte i udtrykket for den hyperfine struktur af brintspektret, uløst. Derfor var holdningen til spindet i starten meget skeptisk. Niels Bohrs stilling viste sig at være afgørende , som begejstret accepterede fremkomsten af denne hypotese, som åbnede op for nye muligheder for at beskrive atomet. Bohr inviterede Uhlenbeck og Goudsmit til endnu en gang at fremføre deres argumenter i en artikel til tidsskriftet Nature og ledsagede den med sine egne bemærkninger. Rigtigheden af spin- idéen blev endelig klart i foråret 1926, da beregninger af spin-kredsløbsinteraktionen , udført af Llewellyn Thomas og Yakov Frenkel , under hensyntagen til relativistiske effekter (den såkaldte Thomas-precession ), gjorde det muligt at forklare den fine struktur af spektrene (herunder at slippe af med den ekstra faktor) og den anomale Zeeman-effekt [30] .
Ideen om spin var bogstaveligt talt i luften: Ud over de allerede nævnte videnskabsmænd blev lignende tanker udtrykt af Harold Urey (for elektronen), Shatyendranath Bose (for fotonen) og den samme Pauli (for atomkernen) . Af denne grund er det ikke muligt entydigt at bestemme prioritet i spørgsmålet om at åbne et spin. Tilsyneladende var dette hovedårsagen til, at opdagelsen af spin aldrig blev tildelt Nobelprisen [31] .
Spørgsmål om statistisk mekanik var af særlig interesse for Uhlenbeck, som elev af Ehrenfest. Han behandlede det først i sin afhandling om beskrivelsen af en ideel gas baseret på Fermi-Dirac og Bose-Einstein-statistikker . Dette førte ham til problemet med Bose-Einstein-kondensering : han gik ind i en kontrovers med Einstein , idet han hævdede, at ingen singulariteter eller diskontinuiteter opstår i en nøjagtig beskrivelse af denne proces . Efterfølgende, i 1937, blev ideen fremsat, at en skarp faseovergang kun kan ske i den termodynamiske grænse, når antallet af stofpartikler har en tendens til uendelig [32] . Ud fra denne idé formulerede han (sammen med sin elev Boris Kan ) et kriterium for eksistensen af en kondensationsovergang i en gas [33] . Problemet med kondens, som forblev i centrum for hans opmærksomhed gennem resten af hans liv, førte ham til en detaljeret undersøgelse af matematikken i linjegrafer [34] , undersøgelsen af kondensering af en endimensionel gas med eksponentiel tiltrækning og en stiv kerne [25] , van der Waals tilstandsligning og også til flere artikler om teorien om superfluid helium [35] .
Uhlenbeck ydede et stort bidrag til teorien om Brownsk bevægelse : sammen med Goudsmit overvejede han roterende Brownsk bevægelse, og i det klassiske værk fra 1930 tog han sammen med Leonard Ornstein hensyn til inertien af Brownske partikler (den såkaldte Ornstein ). - Uhlenbeck . )proces )) [36] . Derudover udledte han sammen med E. Uehling ( E. Uehling ) den kinetiske ligning for en kvantegas (kvanteteori for transportfænomener ), opnåede udtryk for den anden og tredje viriale koefficient , studerede spørgsmål om tilnærmelse til ligevægt, skrev en antal værker om kinetisk teori og klassisk statistisk fysik. Uhlenbeck brugte aktivt statistiske metoder i andre grene af fysikken ( kernefysik , kosmisk stråleteori , lydspredning , chokbølgeteori ) , introducerede begrebet " termodynamikkens nullov " i videnskabelig brug [35] .
Uhlenbeck var en af de første til at anvende Enrico Fermis teori om beta-henfald ved at overveje muligheden for spontant henfald af protonen og neutronen . I 1935 modificerede han Fermi-teorien sammen med sin elev Emil Konopinsky og opnåede bedre overensstemmelse med eksperimentelle data (senere blev denne modifikation afvist) [37] . Det følgende år generaliserede han denne teori til tilfældet med positronhenfald (uafhængigt af Giancarlo Vic ), beregnede koefficienterne for intern konvertering af gammastråler med dannelsen af par , beregnede spektrene for intern bremsstrahlung [38] . I 1941 vendte Uhlenbeck tilbage til Fermis teori og gav i et fælles arbejde med Konopinsky en klassifikation af tilladte og forbudte overgange. I 1950 forudsagde han eksistensen af beta-gamma-korrelationer og retningskorrelationer i nukleare kaskadeprocesser. Eksistensen af disse fænomener blev stillet spørgsmålstegn ved dengang, men forsøgspersoner opdagede dem hurtigt [37] . Disse korrelationer bruges nu til at klassificere nukleare tilstande efter vinkelmomentum og paritet [34] .
I 1932 betragtede Uhlenbeck sammen med David Dennison det kvantemekaniske dobbeltminimumsproblem inden for rammerne af WKB-tilnærmelsen . Dette gjorde det muligt for dem at beregne den såkaldte inversionssplitning af linjerne i ammoniakmolekylets vibrationsspektrum , som hurtigt blev eksperimentelt opdaget af Neal Williams ( eng. Neal H. Williams ) og Claude Cleeton ( eng . Claud E. Cleeton ) ved hjælp af magnetronen de udviklede [36] . I slutningen af 1930'erne deltog Uhlenbeck i udviklingen af teorien om kosmiske stråler (sammen med Willis Lamb og andre) [33] . I slutningen af 1940'erne og begyndelsen af 1950'erne forsøgte han sammen med Abraham Pais at slippe af med divergenserne i kvanteelektrodynamikken ved at modificere ligningerne for det elektromagnetiske felt og dermed introducere en ikke-lokal handling i teorien . Selvom det ikke lykkedes dem at nå deres mål, blev der udviklet nye matematiske tilgange i løbet af undersøgelsen, og det blev også vist, hvad visse ændringer foretaget i teoriens grundlag kan føre til [24] .
Ved at vurdere Uhlenbecks personlighed skrev Abraham Pais :
I de år [slutningen af 1940'erne] blev mit dybe venskab med George født. Det fortsatte indtil hans død. Jeg forstod ham meget bedre, især det bemærkelsesværdige træk ved hans personlighed, som jeg kalder renhed. Som Kramers engang udtrykte det, var George "en gang født" (en karakteristik opfundet af William James ) [24] .
Dette træk ved Uhlenbecks karakter kom til udtryk i hans videnskabelige og pædagogiske arbejde. Ifølge professor Cohen ( EGD Cohen ), Uhlenbecks studerende,
Alle Uhlenbecks artikler er relativt korte og skiller sig ud for deres kortfattethed, præcision og klarhed, de er smukt poleret med det formål at få en dybere forståelse af hovedproblemet i statistisk fysik. De indeholder ikke lange formelle konklusioner, og næsten alle er forbundet med specifikke problemer ... de var et eksempel på klassisk adel, matematisk renhed og klarhed ... Han følte, at noget virkelig originalt kun gøres én gang - som spin af en elektron - og resten af tiden bruges på at afklare det grundlæggende [39] .
Originaltekst (engelsk)[ Visskjule] Uhlenbecks artikler er alle relativt korte og skiller sig ud ved deres kortfattethed, præcision og klarhed, fint finpudset til en dybere forståelse af et grundlæggende problem i statistisk fysik. De indeholder ikke lange formelle afledninger og er næsten alle gearet til konkrete problemer. ... de var af en klassisk adel, matematisk renhed og klarhed ... Han følte, at noget virkelig originalt, man kun gjorde én gang - som elektron-spin - resten af sin tid brugte man på at afklare det grundlæggende.Mange af Uhlenbecks samtidige bemærkede hans pædagogiske talent. Hans tidligere samarbejdspartner George Ford beskrev denne side af Uhlenbecks personlighed som følger:
Han var en fremragende foredragsholder og tolk med en dyb forståelse af sit emne og en systematisk måde at præsentere materialet på, krydret med subtil humor [40] .
Originaltekst (engelsk)[ Visskjule] Han var en fremragende foredragsholder og udstiller, med et dybt greb om sit emne og en velordnet levering af stor klarhed, krydret med subtil humor.Både i hans videnskabelige virksomhed og i hans arbejde med studerende manifesterede den klassiske tradition, hvis arving var Uhlenbeck. Pais, ligesom hans andre elever, stødte på det på deres personlige eksempel:
Mange år senere fortalte jeg Uhlenbeck, hvor hård den første dag i samtale med ham havde været for mig. Han svarede med et smil, at han selv gik igennem dette, da han mødte Ehrenfest første gang . Og Ehrenfest lærte til gengæld samme lektie af den store Ludwig Boltzmann i Wien. Denne tradition er en del af den store, gamle undervisningsstil, som er rettet mod kun at undervise nogle få elever... I mellemtiden tror jeg, at den gamle undervisningsskole er gået i glemmebogen, da mange flere elever nu dimitterer [21] .
fysik _ | Ulveprismodtagere i|
---|---|
| |
|
af Lorenz-medaljen | Modtagere|
---|---|
|
Tematiske steder | ||||
---|---|---|---|---|
Ordbøger og encyklopædier | ||||
Slægtsforskning og nekropolis | ||||
|