阿諾德·索末菲（Arnold Sommerfeld，1868年12月5日-1951年4月26日）是德國物理學家、量子力學與原子物理學的先驅之一，他與阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）、尼爾斯·亨利克·戴維·玻爾（Niels Henrik David Bohr）及馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）同為現代原子物理學和量子理論的奠基者。
1868年12月5日，索末菲出生于東普魯士王國的加里寧格勒（今俄羅斯的加里寧格勒）。1886年，索末菲進入柯尼斯堡大學學習數學，并于1891年獲得博士學位。1893年10月，索末菲進入哥廷根大學學習，從此開啟學術生涯。1894年9月，索末菲擔任哥廷根大學數學家菲利克斯·克萊因（Felix Christian Klein）的助手。1895年，索末菲發表論文《衍射的數學理論》，并成為哥廷根大學數學無俸講師；1906年，索末菲擔任慕尼黑大學理論物理學教授兼理論物理研究所所長。1907年，索末菲參加了德國自然研究者大會，并積極辯護阿爾伯特·愛因斯坦的理論。1911年，索末菲參加第一屆索爾維會議，與愛因斯坦保持對量子理論的相同態度；1913年至1917年左右，索末菲研究奧格·玻爾原子模型理論，解釋氫原子的光譜線系，并擴充玻爾原子理論內容。1914年，索末菲與法國物理學家里昂·布里淵（Leon Brillouin）一起研究傳播電磁波的色散介質；1940年，索末菲從慕尼黑大學退休；1951年4月26日，索末菲遇車禍身亡，享年83歲，他的學生續寫他尚未完成的《理論物理學講義》。
索末菲在很多科學理論方面均做出過貢獻，比如舊量子力學、流體力學、數學（含衍射理論）、光學、湍流、狹義相對論、原子結構、原子光譜理論、金屬電子論、電磁波的傳播、電子波的物理特性、旋轉陀螺及應用復變函數理論解決邊界問題等。1919年，索末菲出版《原子結構和光譜線》；1929年，索末菲出版《原子結構和光譜線的波動力學補篇》。這兩本書是幾代物理學學生的“圣經”。索末菲一生獲得 81 次諾貝爾獎提名，雖都無緣諾獎，卻被稱為“無冕之王”和“大師之師”。索末菲不僅創立了“慕尼黑學派”，還培養了海森伯格、沃爾夫岡·恩斯特·泡利、彼得·德拜和貝特等學生。其中，有七位學生是諾貝爾獎得主，他們共獲得六個諾貝爾物理學獎、兩個諾貝爾化學獎及一個諾貝爾和平獎。
人物生平
早年經歷
1868年12月5日，阿諾德·索末菲出生于東普魯士的加里寧格勒（今俄羅斯的加里寧格勒）；1875年至1886年，索末菲在弗里德里希公學上學；1886年，中學畢業的索末菲和同學威廉·維恩（Wilhelm Wien）一起進入柯尼斯堡大學學習數學。
1891年，索末菲在其博士生導師費迪南德·馮·林德曼（Ferdinand von Lindemann）教授的指導下，成功完成論文《數學物理中的任意函數》（The Arbitrary Functions in Mathematical Physics），并獲得博士學位。另外，德國數學家戴維·希爾伯特（David Hilbert）和物理學家艾密·維謝（Amy Vischer）也幫助過索末菲；1892年，索末菲通過了大學預科數學和物理教師資格考試，并獲得教師資格證。同年秋天，索末菲在后備役部隊服兵役。
學術生涯
1893年10月，退役后的索末菲進入哥廷根大學學習，從此開啟學術生涯；1894年9月，索末菲擔任數學家菲利克斯·克萊因（Felix Christian Klein）的助手，主要記錄克萊因的授課內容及研習數學講義；1895年，索末菲發表論文《衍射的數學理論》，他將物理中的衍射問題轉化成計算數學積分。這項學術成果使索末菲成為物理學界名人兼哥廷根大學數學無俸講師。1897年10月，索末菲接替威廉·維恩（William Wayne），成為克勞斯塔爾工業大學數學教授。
1900年，在克萊因的推薦下，索末菲擔任亞琛工業大學應用力學教授。工作期間，索末菲專注于聯系數學和工程力學，為工程力學打下了堅實的數學基礎。另外，索末菲還研究了流體動力學和其中的湍流，并發展了很多和流體動力學相關的理論。1903年，索末菲在卡賽爾會議上發表演講。
事業巔峰
1906年，索末菲因連續發表一系列有關金屬電子學及化學中的化合價理論而聲名鵲起，并在地位上與奧地利物理學家路德維希·愛德華·玻爾茲曼（Ludwig Eduard Boltzmann）和丹麥物理學家亨德里克·洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz）等人并列。接著，在德國物理學家威廉·倫琴（Wilhelm Conrad R?ntgen）的推薦下，索末菲接替玻爾茲曼成為慕尼黑大學理論物理學教授。后來，索末菲主持成立了理論物理研究所，并擔任所長。
1898年至1926年，索末菲撰寫完成《數學科學百科全書》的第五冊。在編輯期間，索末菲主動與物理領域的權威們交往。他積極研究物理領域尚未解決的重要問題，并將自身的數學能力與物理學研究的前沿相結合。
1907年，在德國自然研究者大會上，索末菲積極辯護阿爾伯特·愛因斯坦的理論，其物理工作為軔致輻射理論提供了基礎；1911年，索末菲參加了布魯塞爾舉行的第一屆索爾維會議，并在會上與愛因斯坦對量子理論保持相同態度；1913年，索末菲研究的玻爾原子模型理論成功解釋了氫原子的光譜線系；1913年至1917年，索末菲繼續擴充玻爾原子理論的相關內容。這些研究成果為早期量子論探索微觀世界做出了貢獻；1914年，索末菲與法國物理學家里昂·布里淵（Leon Brillouin）一起研究傳播電磁波的色散介質。
晚年生活
1919年，索末菲出版了書籍《原子結構和光譜線》，并在他的高年級學生理論研討班上使用該書；1926年，柏林洪堡大學理論物理學臨退休教授馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）推薦索末菲接替他的職位，但索末菲為了20多年的慕尼黑事業婉拒。
1929年，索末菲出版了書籍《原子結構和光譜線的波動力學補篇》。《原子結構和光譜線》和《原子結構和光譜線的波動力學補篇》均多次修訂再版，成為幾代物理學學生的“圣經”；1940年，索末菲從慕尼黑大學退休。在第二次世界大戰（1931年9月18日 至 1945年9月2日）期間，索末菲專注編寫五卷的《理論物理學講義》。
1951年4月26日，索末菲不幸遇車禍身亡，享年83歲。索末菲的學生續寫了索末菲尚未完成的《理論物理學講義》，后來，《理論物理講義》（六卷本）順利出版。
主要成果
索末菲在很多科學理論領域做出過貢獻，比如索末菲原子模型、固體物理、X射線波動理論和數學-物理交叉領域等。據2024年12月諾貝爾獎官網數據顯示，阿諾德·索末菲一生提名諾貝爾物理學獎84次，但是最終沒有獲得。
索末菲原子模型
1915年，索末菲推廣了尼爾斯·玻爾（Nils Bohr）的原子理論，即用橢圓軌道代替奧格·玻爾原子模型的圓軌道，將相對論應用在高速運動的電子上，并提出電子的質量隨其速度而變化的狹義相對論效應，從而導出光譜的精細結構同實驗相符。
1915年年1月16日，索末菲在研討會上作報告-《氫原子斯塔克效應研究中的分裂次數》。索末菲認為，在沒有外界打擾的情況下，譜線反映了電子在能級相等且互相重疊的圓形和橢圓軌道間進行了數次躍遷。加上電場后，軌道間躍遷對應的頻率大小不再相等，主要表現為在之前單條的譜線分裂成了一組相鄰的線。通過論證，索末菲認為，斯塔克在精細分析中觀察的伴隨巴耳末線系指數增加的大量成分，是支持斯塔克效應的。
在對原子譜線研究的基礎上，索末菲提出了索末菲-柯塞爾位移定律，指一次離化的原子譜線結構與周期表中前一個元素的中性原子譜線在細節上相同；此外，索末菲還提出了索末菲-威爾遜量子化，其把電子作為三維系統處理，并引進角動量量子數和自旋量子數。
索末菲依據約翰尼斯·開普勒的軌道運動思想，提出了空間量子化概念。他通過第二量子數（角動量子數）和第四量子數（自旋量子數），揭示了不同角動量量子數軌道的能級差正比于某個無量綱常數的平方，并在狹義相對論的框架內研究類氫原子，從而解釋氫原子光譜、重元素X射線譜的精細結構及正常的塞曼效應，因此確立了索末菲在量子力學發展史上的位置。
1916年，索末菲發現了原子的精細結構常數，這是電磁間相互作用中重要的常數和電荷之間耦合強度的無量綱度量。其中指存在于一定距離的兩個電子之間庫倫勢能同該距離對應波長的光子能量之比。
固體物理
1927年2月，索末菲前往漢堡市訪問沃爾夫岡·恩斯特·泡利（Wolfgang Ernst Pauli）。通過交流，索末菲決定運用沃爾夫岡·泡利的論文《關于氣體的簡并和順磁性》去解釋金屬的其它特性。索末菲十分喜歡金屬電子論，他認為電子氣在原子間自由移動是一個歷史悠久的概念。金屬的電導性需要假設其中的電子能夠移動，這就容易導致不利于“自由電子氣”概念的矛盾。由于金屬的比熱和絕緣體沒有明顯區別，說明電子不能自由移動。所以，索末菲認為需要研究“房產管理所”的統計是否可以解釋比熱和其他的金屬特性。在發布與該題目相關的文章前，索末菲舉辦了特別講座，讓自己和高年級學生一起了解電子氣理論。
1927年夏季，索末菲開辦了有關“物質結構”的特別課程。在課程里，索末菲解釋了比熱悖論、處理金屬的電子發射及不同金屬間接觸時出現的現象。兩星期后，索末菲向《自然科學》提交了一個報告，他試圖運用恩利克·費米（Enrico Fermi）的新統計方法，為伽伐尼電流、伏打電勢及熱能等課題尋找規律。金屬電子論因此成為索末菲研究所的研究焦點。
1928年，索末菲用量子力學和費米-狄拉克統計原理敘述了金屬的電子運動，并建立索末菲模型。該理論是固體物理教科書中的經典理論，其解釋了金屬良好的導熱性質，對于研究溫差電和金屬導電頗具意義。
X射線波動理論
1899年，為了解釋X射線在楔子形的狹縫開口背后置放的照相底板的發黑現象，索末菲計算過X射線脈沖經過狹縫的衍射。當時有兩位荷蘭物理學家在照相曝光中看出了波動性的表現，卻遭遇了解讀波動性的爭議。
1909年，尼爾斯·玻爾（Nils Bohr）和伯恩哈德·瓦爾特（Bernhard Walter）重復了狹縫實驗；從1912年4月21日開始，弗里德里希（Friedrich）、克尼平（Knipin）和馬克斯·馮·勞厄（Max von Laue）在索末菲研究所進行了X射線穿過晶體的干涉實驗；1912年5月，索末菲向巴伐利亞州科學院提交了一份報告，該報告由弗里德里希撰寫，克尼平和勞厄加入簽署。報告的結論為“由于晶體的空間晶格常數大概為假定的X射線波長的10倍，說明晶格干涉了X射線”，該實驗最終因“兩張照片上規則排列清晰的干涉點斑”而獲得成功；1912年6月8日，索末菲提出了X射線的波屬性，并開創了X射線波動理論，用于研究原子晶格中波長處于光學區域的電磁波行為。
數學-物理交叉領域
索末菲在數學方面做出了許多貢獻，比如通過給予狹義相對論的數學基礎，來解釋該理論的正確性，使許多懷疑該理論的物理學家為之嘆服。1895年，索末菲提出了索末菲衍射理論和瑞利-索末菲衍射公式。其中，索末菲衍射公式是一個展開球面波的公式，其主要運用在圓柱坐標中各類波動方程的定解問題，比如光纖光學。
湍流運動是流體力學領域的百年難題之一。由于湍流運動是強非線性系統的運動，其在大部分情況下并不穩定，從而形成復雜的流態。1900年，索末菲率先挑戰湍流運動。從開始研究到去世，索末菲花費了幾十年時間，但至今未解；1906年，索末菲建立了經典的微擾動理論，并將其運用于平行流動穩定性時的數學模型。索末菲對流體力學最大的貢獻在于提出了奧爾-索末菲方程。這是一個微分方程，主要通過解出方程或研究其特征值等來判斷流體動力穩定性的條件。
主要論文與著作
社會職務
人才培養
教學活動
1906年至1940年，索末菲一直在慕尼黑大學教書。在課堂上，索末菲主要向學生教授力學、變形體力學、電動力學、光學、熱力學、統計力學及解偏微分法等課程，并與學生們一起解決這些課程結論的索末菲科學論文中出現的焦點問題，細心的索末菲還會將物理發現與數學解釋相聯系。
在課堂外，索末菲經常舉辦許多研討會和座談會。通過會議，索末菲向學生們展示了物理學家的文章，供學生們研究和討論，并引導學生理順量子物理學的主要論點；在節假日，索末菲經常邀請同事和學生到他在巴伐利亞州山區的度假屋游玩。索末菲與他們一邊釣魚、打獵、爬山和滑雪，一邊討論物理問題，并接受他們的建議。
培養名人
索末菲是一位關心學生并善于發掘人才的優秀物理教師。在教學期間，索末菲每周都會抽出時間與每位學生交談。他常詢問他們的工作進度，并提出意見和給予鼓勵。
在第二次世界大戰爆發前，有三分之一的物理學家曾在索末菲的研究院里做過學生或助教，他們分別為愛德華德·康頓（Edward Condon）、埃西多·拉比（Essidor Rabi）、保羅·埃瓦爾德（Paul Ewald，X射線衍射理論里的愛瓦爾德球）、保羅·愛潑斯坦（Paul Epstein）、朗德（Landes，解釋塞曼效應）、楞次（Lengci，建立伊辛模型）、派爾斯（Pyles，提出派爾斯相變）、瓦爾特·海特勒（Walter Heidler，把量子力學引入化學）、格雷戈爾·文策爾（Gregor Wenzel）、福里茨·倫敦（Fritz London）、卡爾·貝歇爾特（Carl Bechert）及愛德華·泰勒（Edward Taylor）等。
這些學生均在學術上超過了索末菲，其中有七位學生獲諾貝爾獎，分別為六個諾貝爾物理學獎、兩個諾貝爾化學獎及一個諾貝爾和平獎。列表如下：
榮譽
人物關系
同事
阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein，美國和瑞士雙國籍物理學家）
愛因斯坦十分贊賞索末菲作為一名教師和導師的能力。由于索末菲小組和愛因斯坦曾擔任教授的蘇黎世大學保持著頻繁的交流，使得愛因斯坦和索末菲經常通信往來，并最終成為親密的同事。在納粹時期，愛因斯坦把索末菲作為“在可能的范圍內”少數人品良好的德國物理學家之一。
威廉·維恩（William Wayne，德國物理學家）
索末菲和同事維恩在個人和專業方面存在分歧。兩人均被指定為物理學博士學位的考試委員，被要求對每一位候選人的物理分數保持一致。維恩認為，實驗工作是基礎，任何候選人都必須掌握實驗的技術。他主張傳統死板的學習計劃，再逐漸轉向高級研究；索末菲則在早期就讓學生們接觸研究，并向其教授基礎知識。
在索末菲省略學生們主修和輔修外課程的教導下，沃爾夫岡·泡利和海森伯格等聰明學生在3年左右獲得了博士學位。雖然這種極速的課程安排為學生們的知識留下了缺口，但索末菲認為學生能夠填補缺口。維恩對此感到驚訝，比如，維恩發現海森堡的訓練雖有缺口，卻沒遺憾。
尼爾斯·玻爾（Nils Bohr，丹麥物理學家）
索末菲與奧格·玻爾最初關系十分融洽。在玻爾的幫助下，具有博士學位的海森堡獲得了洛克菲勒基金會的資助，并有機會前往哥本哈根和玻爾一起研究量子理論，索末菲的成果也是建立在推廣玻爾的氫原子模式的基礎上。后來，玻爾將他的“圓周軌道”向索末菲的“橢圓軌道”擴展，由此建立“玻爾-索末菲模型”。但兩人在物理觀念和認識論方面存在較大差異。比如，索末菲認為玻爾提出的“互補原理”對量子理論無益。
助教
馬克斯·馮·勞厄（Max von Laue，德國物理學家）
索末菲在慕尼黑大學教書期間，為了保管加里寧格勒州的儀器，他將該校理論物理所的實驗研究工作交給了他的助手馬克斯·馮·勞厄等人。后來，勞厄等人探索出了“因穿透力被認為是粒子X射線而體現電磁波行為”的理論，該理論不僅使勞厄獲得了1914年度諾貝爾物理學獎，也使索末菲的研究所獲得了大量撥款，從而得以繼續開展研究工作。經過這件事，索末菲開始順風順水。
學生
沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli，奧地利物理學家）
索末菲是泡利的導師及一生最尊敬的人，即使泡利后來成為了頗有名氣的物理學家，他也時刻對索末菲恪守師生之禮。無論索末菲在何種場合出現，泡利都會立即站出來對索末菲行鞠躬禮，泡利尊師的態度規矩又恭順。
人物評價
美國和瑞士雙國籍物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（Albert einstein）：“我特別佩服索末菲的是，你一跺腳，就有一大批才華橫溢的青年理論物理學家從地里冒出來。”
奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）：“親愛的樞密顧問先生（索末菲），自從1918年我第一次見到您以來，一個深藏在我心中的秘密就是，為什么只有您這樣成功的教授讓我感到敬畏。我的這種敬畏心理，是由于您獨特的人格魅力所帶來的，我多么慶幸能夠成為您的學生。”
丹麥科學史專家赫爾奇·克拉夫（H. Kragh）：“索末菲在1916年，從一個被證明是完全不恰當的模型（索末菲原子模型）中得到了一個正確的公式。這說明了一個眾所周知的事實：不正確的理論可能導致正確的公式和預測。”
德國天文學家卡爾·施瓦茲席爾德（Carl Schwartzschild）：“索末菲在譜線上的工作是一個巨大的進步！”
美國獎章委員會主席：“《原子結構和光譜線》在傳播原子論方面貢獻最大。為了使每一位物理學家都能掌握理論，而不只是少數專家專有，需要有一位具有特殊教學才能的使者，索末菲就是這樣一名使者。作為《原子結構和光譜線》補充卷的第二卷，他的《波動力學補充》是最有影響力的波動力學早期科學詮釋。”
學生格雷戈爾·文策爾（Gregor Wenzel）：“索末菲能夠向學生傳遞一個感覺，那就是科學是一個有生命的事物，即便是一個初學者也能成為這個組織中有用的一部分。之前從未有物理學家因為這樣有親和力的教學風格獲獎。”
個人生活
阿諾德·索末菲的父親叫弗朗茨·索末菲（Franz Sommerfeld），母親是凱西爾·馬蒂亞斯（C?cile Matthias）。他與妻子約翰娜·霍夫納（Johanna H?pfner）婚后育有三個兒子和一個女兒。
參考資料 >
Nomination Archive.nobelprize.2024-12-06
玻爾模型.中國科學院高能物理研究所.2024-04-16
馬泰烏奇獎章.全知識.2024-04-26
馬克斯·普朗克獎章.全知識.2024-04-26
Arnold Sommerfeld.NNDB.2024-08-20