Arnold Sommerfeld

Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld (ur. 5 grudnia 1868 w Królewcu (Prusy Wschodnie); zm. 26 kwietnia 1951 w Monachium) – niemiecki matematyk i fizyk teoretyk, współautor modelu atomu Bohra-Sommerfelda. (wyznanie ewangelickie)

Arnold Sommerfeld, 1935. Źródło: Wikimedia Commons

Genealogia

• Ojciec: Franz (1820–1906), praktykujący lekarz w Królewcu;
• Matka: Cäcilie z domu Matthias (1836–1902);
• Żona: od 1897 Johanna z domu Höpfner (1874–1955);
• Dzieci: trzech synów i jedna córka.

Biografia

Arnold Sommerfeld urodził się 5 grudnia 1868 w Królewcu jako syn lekarza Franza Sommerfelda (1820–1906) i jego żony Cäcilie z domu Matthias (1836–1902). Po ukończeniu Altstädtisches Gymnasium w Królewcu studiował od 1886 roku na tamtejszym uniwersytecie Albertina matematykę u Ferdinanda Lindemanna, Adolfa Hurwitza i Davida Hilberta oraz fizykę u Paula Volkmanna i Emila Wiecherta. W 1891 roku doktoryzował się u Lindemanna dysertacją „Die willkürlichen Functionen in der mathematischen Physik“. W następnym roku zdał egzamin państwowy dla nauczycieli gimnazjalnych matematyki, fizyki, chemii i mineralogii. W 1895 roku habilitował się w Getyndze u matematyka Felixa Kleina (1849–1925) i został jego asystentem. W 1897 roku został profesorem matematyki w Akademii Górniczej w Clausthal, w 1900 roku profesorem mechaniki w Technische Hochschule w Aachen (obecnie Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, w skrócie RWTH Aachen).

W 1906 roku powołano go na profesora fizyki teoretycznej na Uniwersytet Monachijski. Do czasu przejścia na emeryturę w 1935 r. Arnold Sommerfeld stworzył jedną z najważniejszych szkół naukowych w tej dziedzinie. Do jego uczniów należeli Hans Bethe (1906–2005), Peter Debye (1884–1966), Paul Ewald (1888–1985), Werner Heisenberg (1901–76) i Wolfgang Pauli (1900–58).

W 1935 roku Arnold Sommerfeld przeszedł na emeryturę, ale uczył jeszcze do 1940 roku. Po przejściu Sommerfelda na emeryturę przedstawiciele i urzędnicy narodowego socjalizmu, a mianowicie astrofizyk Bruno Thüring oraz astronom i kierownik katedry Wilhelm Führer, nie dopuścili do obsadzenia katedry przez preferowanego przez Sommerfelda kandydata Wernera Heisenberga; po latach sporu w 1939 roku powołano aerodynamika Wilhelma Müllera (1880-1968). To położyło niechlubny kres „plantacji fizyki teoretycznej”, jak Sommerfeld nazywał swój instytut. Po zakończeniu dyktatury narodowosocjalistycznej Sommerfeld podjął po 1945 roku ponowne starania o znalezienie następcy, który byłby w stanie kontynuować tradycję jego szkoły, proponując m.in. Wernera Heisenberga, Karla Becherta, Hansa Bethego i Carla Friedricha von Weizsäckera, ale ci odmówili.

Arnold Sommerfeld zmarł w 1951 roku w wyniku wypadku komunikacyjnego. Jego grób znajduje się na Cmentarzu Północnym (niem. Nordfriedhof) w Monachium.

Dokonania

Początkowo Arnold Sommerfeld interesował się szczególnie matematyką, przede wszystkim teorią funkcji i cząstkowymi równaniami różniczkowymi. Pod wpływem Felixa Kleina i zainicjowanego przez niego projektu „Enzyklopädie der mathematischen Wissenschaften“, do którego Sommerfeld redagował tomy dotyczące fizyki, zwrócił się ku fizyce teoretycznej. Prace Sommerfelda obejmują prawie wszystkie gałęzie fizyki, od optyki („Zur mathematische Theorie der Beugung”, 1896) do mechaniki klasycznej („Über die Theorie des Kreisels”, 1897-1910), hydrodynamiki („Zur hydrodynamischen Theorie der Schmiermittelreibung”, 1904) i elektrodynamiki („Über die Ausbreitung der Wellen in der drahtlosen Telegraphie”, 1909), po fizykę ciała stałego („Zur Elektronentheorie der Metalle”, 1927).

Szczególnie interesował się teorią atomu. W 1915 roku rozszerzył model atomu ustalony w 1913 roku przez Nielsa Bohra (1885-1962), obliczając ruch elektronów wokół jądra atomowego na orbitach kołowych i eliptycznych zgodnie ze szczególną teorią względności Alberta Einsteina i formułując reguły kwantyzacji dla trzech najważniejszych parametrów orbitalnych (promień, kąt obrotu, inklinacja orbitalna) (model atomowy Bohra-Sommerfelda). W ten sposób udało mu się powiązać przejścia elektronów pomiędzy różnymi orbitami dla wodoru i atomów wodoropodobnych z obserwowalnymi doświadczalnie liniami widmowymi. Jego teoria umożliwiła również obliczenie subtelnej struktury widm atomowych. Znaleziona w tym procesie wielkość (stała struktury subtelnej Sommerfelda) okazała się fundamentalną stałą naturalną dla całej fizyki atomowej i cząstek elementarnych. Wydana w 1919 roku książka „Atombau und Spektrallinien“ („Budowa atomu i linie widmowe”) stała się „Biblią fizyki atomowej” dla całej generacji fizyków. Tym samym utorował drogę mechanice kwantowej, która od około 1925 roku zastąpiła starszą teorię kwantów. Opracowana teoria kwantów przez Erwina Schrödingera (1887–1961), Maxa Borna (1882–1970), Pascuala Jordana (1902–80), Nielsa Bohra, Paula Diraca (1902–84) i Johna von Neumanna (1903–57) oraz Wernera Heisenberga i Pauliego stanowi fundament wielu dziedzin fizyki XX wieku (np. fizyki ciała stałego, fizyki jądrowej, fizyki cząstek elementarnych), a także zrewolucjonizowała filozoficzne myślenie o kosmosie.

Przyczynił się także do rozwoju fizyki ciała stałego. W 1927 roku połączył klasyczny model Drudego z kwantowo-mechaniczną statystyką Fermi-Diraca, który obecnie jest również jako model Drudego-Sommerfelda.

W 1943 roku Arnold Sommerfeld opublikował „Vorlesungen über theoretische Physik“ („Wykłady z fizyki teoretycznej”), które stały się międzynarodową klasyką podręcznikową i przez dziesiątki lat po jego śmierci nadal wyznaczały standardy w zakresie przedmiotu dla kilku pokoleń fizyków.

Sommerfeld był 81 razy nominowany do Nagrody Nobla, której nigdy nie otrzymał. Natomiast wielu jego byłych uczniów czy doktorantów, m.in. Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Peter Debye, Hans Bethe i Otto Stern zdobyli Nagrody Nobla. Sommerfeld został natomiast nagrodzony Medalem Lorentza, Medalem Maxa-Plancka, Medalem Oersteda.

Pisma

• Die willkürlichen Functionen in der mathematischen Physik. Königsberg i.Pr., 1891.
• Physik: Redigiert von A[rnold] Sommerfeld. Leipzig, 1903–26.
• Theorie des Kreisels. 4 tomy (razem z Felixem Kleinem), Leipzig, 1897–1910.
• Über die Ausbreitung der Wellen in der drahtlosen Telegraphie: vorgelegt am 9. Januar 1909. München, 1910.
• Die Struktur der Gamma-Strahlen. München, 1911.
• Zur Theorie der Lichtbogenschwingungen bei Wechselstrombetrieb. München, 1914.
• Zur Theorie der Balmerschen Serie. München, 1915.
• Zur Quantentheorie der Spektrallinien, Ergänzungen und Erweiterungen. München, 1916.
• Der innere Aufbau des chemischen Atoms und seine Erforschung durch Röntgenstrahlen. Berlin, 1917.
• Über die Entdeckung der Quanten. Karlsruhe, 1918.
• Atombau und Spektrallinien. Braunschweig, 1919.

Literatura

• Michael Eckert: "Sommerfeld, Arnold" w: Neue Deutsche Biographie 24 (2010), s. 568-569, online.