图:佚名摄影,1920 年代(公有领域,维基共享资源)
帕斯夸尔·约尔当
Pascual Jordan1902–1980 · 生于德国汉诺威 · 德国
矩阵力学的数学执笔人、量子场论的开路人——也是创始者里唯一加入过纳粹党、始终没拿到诺奖的那一位
「德国数学与法国数学之间的差别,并不比德国机枪与法国机枪之间的差别更本质。」
—— 约尔当反驳比伯巴赫「德意志数学」之说(1930 年代),据英文维基百科与 MacTutor 传记的转述意译
量子力学的奠基者里,有一个名字几乎只出现在引文里:矩阵力学的开山之作署着玻恩与他两个人的名字,「三人论文」里有他一份,量子场论最早的几篇论文、费米子的反对易关系、后来以他命名的一类代数,都出自他手。可海森堡、狄拉克、泡利、玻恩先后拿了诺贝尔奖,帕斯夸尔·约尔当没有。
他也是这群人里唯一在 1933 年加入纳粹党的一位。科学史家施韦伯(Silvan Schweber)称他为量子场论「未被传颂的英雄」;另一些人更愿意先谈他的政治。这两件事缠在一起,是理解约尔当绕不开的地方。
汉诺威的口吃少年
约尔当 1902 年生在汉诺威,父亲是小有名气的肖像与风景画家。据家族传说,祖上是西班牙贵族帕斯夸尔·霍尔达(Pascual Jorda),拿破仑战争后随英王的汉诺威军队定居下来,名字里后来多了一个 n,家中长子一律叫帕斯夸尔。
他从小严重口吃,没准备的发言尤其结巴,这个毛病伴了他一辈子。1921 年他进汉诺威工业大学,同时念数学、物理和动物学——对生物学的兴趣后来一直没放下。
哥廷根:库朗的助手、玻恩的学生
1923 年他转到哥廷根,那里正是数学与物理的鼎盛时期。他先给数学家库朗当助手,参与了库朗与希尔伯特合著的《数学物理方法》;随后投入玻恩门下,1924 年以一篇关于光量子的论文取得博士学位。爱因斯坦认为这篇论文很巧妙,但不同意它的前提,专门在《物理学杂志》上写了一篇短文商榷——对一个二十出头的博士生来说,这已是莫大的注意。
扎实的代数功底,是约尔当日后最大的本钱。
二十二岁的矩阵力学
1925 年夏天,海森堡把一篇怪论文交给玻恩:原子里的物理量写成按能级编号的数表,这些数表相乘还与顺序有关。玻恩认出那是矩阵,也猜到了位置与动量之间应当满足的关系,但需要一个数学更强的年轻人合作。据施罗尔(Bert Schroer)的记述,泡利拒绝了,约尔当自告奋勇,几天之内就证明玻恩的猜想与运动方程自洽。
9 月 27 日,两人投出《论量子力学》。那条关系第一次出现在纸上:
哥廷根的年轻人拿 pq 与 Pascual 的发音开玩笑,有时就管它叫「约尔当关系」。11 月,玻恩、海森堡与约尔当又合写了续篇,即「三人论文」,矩阵力学从此成为一套完整的理论。
「三人论文」里的那一节
「三人论文」的最后一部分处理的是空腔里的电磁辐射,据玻恩与海森堡后来的说法,这部分出自约尔当。他拿一根两端固定的弦当空腔的简化模型,把每个振动模式看成一个振子,按矩阵力学的规则量子化,然后计算一小段里能量的涨落。
结果恰好是爱因斯坦 1909 年得到的那个公式:一项对应粒子,一项对应波。约尔当表明,只要把场本身量子化,两项就自然同时出现,不必再在波与粒子之间二选一。合作者起初并不买账,后来又有不少人认为计算里的无穷大使结论站不住;科学史家邓肯(Anthony Duncan)与扬森(Michel Janssen)2008 年重新检查后认为,约尔当算的是窄频段内的涨落,本身有限,论证虽不完整但基本成立。这一节今天常被看作量子场论的第一次亮相,它此后的遭遇与狄拉克 1927 年那篇论文的关系,见本站「二次量子化与早期量子场论」页。
压在箱底的费米统计
1925 年底,约尔当写了一篇论文,讨论服从泡利不相容原理的粒子该怎样统计——他称之为「泡利统计」,也就是今天的费米-狄拉克统计。
据施罗尔引述,玻恩晚年说起这件事:稿子交到他手上时,他正要动身去美国长途讲学,结果被压在箱底半年;等他回到德国发现时,费米和狄拉克已经各自独立发表了同样的结果。玻恩的原话大意是:「我讨厌约尔当的政治,但我永远无法弥补我对他做的事……约尔当是第一个。」这段轶事目前只见于玻恩自己的回忆,手稿本身没有流传下来。
变换理论与二次量子化
1926 至 1928 年是约尔当最多产的几年。1927 年初,他与狄拉克几乎同时、各自独立地提出了量子力学的变换理论,把矩阵力学与薛定谔的波动力学统一为同一套形式的不同表示;伦敦(Fritz London)也在同一时期得出了相近的结果。
随后他把目光转向「场」本身:1927 年与克莱因把薛定谔的物质波当作场来量子化;1928 年与维格纳给出费米子的反对易关系,泡利不相容原理成了算符代数的推论,今天凝聚态物理里常用的约尔当-维格纳变换即出于此;同年又与泡利完成了自由电磁场的相对论性量子化。这几篇论文与「二次量子化」这个叫法的来历、他与狄拉克之间的功劳之争,详见本站「二次量子化与早期量子场论」页。据霍华德(Don Howard)的评述,他也是最早碰到量子场论发散问题的人。
约尔当代数
1930 年代初,约尔当想找一套不依赖经典概念的量子力学表述。可观测量是厄米矩阵,两个厄米矩阵的普通乘积却不一定厄米,他于是只保留对称化的乘积 ,看看仅凭它能走多远。
1934 年,他与冯·诺伊曼、维格纳在《数学年刊》上发表了这项工作的系统结果。作为物理学的新基础,它没有走通;但它开创的非结合代数——约尔当代数——后来在射影几何、李代数、数论与优化理论中都派上了用场。
纳粹党员:两面的材料
这一段历史,各方材料所讲的侧重点很不一样,下面分别列出。
不利于他的一面。 据 MacTutor 传记与德文维基百科所引的研究,约尔当从 1930 年前后起以笔名「恩斯特·多迈尔」(Ernst Domeier)在极右刊物上发表政论,这一点直到 1990 年代才被揭开。他在 1933 年 5 月 1 日加入纳粹党,11 月又加入冲锋队(SA),此后写过大量宣扬国家社会主义、主张扩军的文章,战时还多次向当局兜售新式武器的设想。据科学史家霍夫曼(Dieter Hoffmann)与沃克(Mark Walker)的研究,他是真心的支持者,并试图从内部影响政权。
对他有利或复杂的一面。 同样据这些材料,他反对勒纳德、斯塔克的「德意志物理学」,1936 年的科普书《二十世纪的物理学》照样肯定爱因斯坦等犹太物理学家的贡献;他反驳比伯巴赫的「德意志数学」,留下了本页开头那句关于机枪的话。据格林斯潘(Nancy Greenspan)的玻恩传记,1933 年 4 月弗兰克辞职抗议后,约尔当是少数登门探望弗兰克和玻恩的人之一,他对玻恩说,自己要是党员,也许能阻止这种事——两周后他入了党。他力图说服当局:现代物理,尤其是哥本哈根诠释,是对抗布尔什维克唯物论的利器。正因为他与犹太师友的往来,当局始终认为他「政治上不可靠」,他没有参与任何重要的战时科研项目,大部分军旅时间在做气象分析。
战后他在去纳粹化中失去教职两年,海森堡、泡利为他作证。据流传的轶事,泡利曾当面念出他的宣传文字,问他怎么写得出这种东西;约尔当反问:「泡利先生,您怎么读得下去这种东西?」
战后:汉堡与广义相对论
1947 年约尔当到汉堡大学任客座教授,1953 年恢复正教授待遇。战后他的主要精力转向纳粹时期受冷落的广义相对论。他在汉堡主持的相对论讨论班培养出埃勒斯(Jürgen Ehlers)、昆特(Wolfgang Kundt)、许金(Engelbert Schücking)等人,为德国重建了这个领域;埃勒斯后来成为马克斯·普朗克引力物理研究所的创始所长。
他自己沉迷于狄拉克 1937 年的大数假说:引力常数也许随宇宙年龄减弱。为此他发展了一种标量-张量引力理论,1952 年写进《引力与宇宙》;1961 年布兰斯与迪克提出的同类理论在论文中引用了他的工作,今天常被合称为约尔当-布兰斯-迪克理论。他还据此推论地球在变大,用来解释大陆漂移,1966 年出版《地球的膨胀》——这套说法在地质学家与物理学家中都没有得到认可,板块构造说确立后更被证伪。
联邦议院
泡利曾劝他别再碰政治,约尔当没有听。1957 年他以基督教民主联盟候选人当选联邦议员,任期到 1961 年。同年,包括玻恩、海森堡在内的十八位物理学家发表「哥廷根宣言」,反对联邦国防军装备核武器;约尔当撰文反驳,认为他们危害了和平与稳定。据施罗尔的记述,玻恩的夫人黑德维希为此写长信谴责他,并把他的政论汇编发表,题为《帕斯夸尔·约尔当:拿基民盟薪水的宣传员》。师生二人的关系就此破裂。
为什么没有诺贝尔奖
1932 年海森堡获奖,1933 年狄拉克与薛定谔,1945 年泡利,1954 年玻恩——矩阵力学与早期量子场论的主要创立者里,只有约尔当没有获奖。原因众说纷纭,各家说法如下:
- 据 MacTutor 传记,「如今多数人认为」是他的纳粹党身份所致。
- 据该传记转引的霍华德(Don Howard)的归纳,有人归咎他口吃、讲不好课,有人归咎他亲纳粹、战后又支持西德拥有核武器,也有人归咎玻恩弄丢了那份费米统计的手稿。
- 施罗尔写道,1920 年代中期爱因斯坦曾两次提名「三人论文」的作者;但诺贝尔奖提名档案的公开部分里,爱因斯坦作为提名人的九次提名都没有约尔当。
- 提名档案显示,约尔当在 1951 至 1973 年间获得过 12 次物理学奖提名,提名人包括延森等人。施罗尔还说维格纳 1979 年提名过他,这一年的档案按五十年保密期尚未公开,无法核对。
这些说法彼此并不排斥,档案也没有给出委员会的理由。能确定的只是结果:约尔当 1980 年在汉堡去世,他的名字留在了约尔当代数、约尔当-维格纳变换与约尔当-布兰斯-迪克理论里。
代表方程
玻恩-约尔当对易关系
1925 年 9 月玻恩与约尔当合写的论文里第一次出现的式子:位置矩阵与动量矩阵交换顺序相乘,差的不是零,而是普朗克常数乘一个单位矩阵。玻恩猜出了它,约尔当证明它与运动方程自洽。
爱因斯坦涨落公式
空腔里一小块体积内辐射能量的涨落,一项像粒子、一项像波——这是爱因斯坦 1909 年摆出的「波粒二象性」难题。约尔当在「三人论文」里把电磁场当作一组量子化的振子,两项一起算了出来:这是量子场论的第一次亮相。
费米子的反对易关系
1928 年约尔当与维格纳给出:描写电子的产生、湮灭算符不满足对易关系,而满足「反对易」关系。由此自动得到 ——同一个态里放不进两个电子,泡利不相容原理成了算符代数的推论。
约尔当乘积
可观测量是厄米矩阵,但两个厄米矩阵的普通乘积一般不再厄米;取对称化的乘积就保住了这一点。约尔当想只用这种乘法重建量子力学,由此得到的非结合代数后来被称为约尔当代数,在数学里的用处远超物理。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.玻恩与约尔当《论量子力学》,《物理学杂志》第 34 卷第 858–888 页(1925)——对易关系首次出现
- 2.玻恩、海森堡与约尔当《论量子力学 II》,《物理学杂志》第 35 卷第 557–615 页(1926)——「三人论文」
- 3.约尔当《论量子力学的一个新基础》,《物理学杂志》第 40 卷第 809–838 页(1927)——变换理论
- 4.约尔当与克莱因《论量子理论中的多体问题》,《物理学杂志》第 45 卷第 751–765 页(1927)
- 5.约尔当与泡利《论无荷场的量子电动力学》,《物理学杂志》第 47 卷第 151–173 页(1928)
- 6.约尔当与维格纳《论泡利不相容原理》,《物理学杂志》第 47 卷第 631–651 页(1928)——反对易关系
- 7.约尔当、冯·诺伊曼与维格纳 On an Algebraic Generalization of the Quantum Mechanical Formalism,《数学年刊》第 35 卷第 29–64 页(1934)
- 8.布兰斯与迪克 Mach’s Principle and a Relativistic Theory of Gravitation,《物理评论》第 124 卷第 925 页(1961)——引用约尔当的标量-张量理论
- 9.Anthony Duncan、Michel Janssen, Pascual Jordan’s resolution of the conundrum of the wave-particle duality of light,《现代物理学史与哲学研究》第 39 卷第 634–666 页(2008)
- 10.Bert Schroer, Pascual Jordan, his contributions to quantum mechanics and his legacy in contemporary local quantum physics(2003)——压箱底手稿、玻恩的回忆与提名之说
- 11.Bert Schroer, Pascual Jordan’s legacy and the ongoing research in quantum field theory,《欧洲物理杂志 H》第 35 卷(2011)
- 12.Dieter Hoffmann、Mark Walker, The ‘Better’ Nazi: Pascual Jordan and the Third Reich,收入 Biographies in the History of Physics(Springer, 2020)
- 13.Ryan Dahn, Big Science, Nazified? Pascual Jordan, Adolf Meyer-Abich, and the Abortive Scientific Journal Physis,《Isis》第 110 卷第 68–90 页(2019)
- 14.Ryan Dahn, Nazis, émigrés, and abstract mathematics,《今日物理》第 76 卷第 1 期第 44–50 页(2023)
- 15.Engelbert Schucking, Jordan, Pauli, Politics, Brecht, and a Variable Gravitational Constant,《今日物理》第 52 卷第 10 期第 26–31 页(1999)
- 16.Helge Kragh, Pascual Jordan, Varying Gravity, and the Expanding Earth,Physics in Perspective 第 17 卷第 107–134 页(2015)
- 17.J. J. O'Connor、E. F. Robertson, Ernst Pascual Jordan,MacTutor 数学史档案——含霍华德关于「为何没得诺奖」的几种说法
- 18.诺贝尔奖提名档案:Ernst Pascual Jordan 条目(公开部分记有 1951–1973 年间 12 次物理学奖提名)
- 19.诺贝尔奖提名档案:Albert Einstein 条目(作为提名人的 9 次提名)