尤金·维格纳

美国近代物理学家

尤金·保罗·维格纳( 英语 : Eugene Paul Wigner ,1902年11月17日—1995年1月1日),原名维格纳·帕尔·耶诺( 匈牙利语 : Wigner Pál Jenő ), 匈牙利 美国 理论物理学家及数学家,1963年 诺贝尔物理学奖 得主,奠定了量子力学对称性的理论基础,在 原子核 结构的研究上有重要贡献。

维格纳的科学成就和他的职务都得到了充分的认可和奖励,他获得过诸多奖项,1946年获得美国功绩奖章,1958年获 美国航空航天局 费米奖 ,1960年获得原子和平奖,并且在1963年因为“对原子核和 基本粒子 理论的贡献,特别是对基本对称原理的发现和应用”获得 诺贝尔物理学奖 。维格纳博士拥有富兰克林学会奖章、德国物理学会 马克斯•普朗克奖章 、美国- 匈牙利 研究基金会乔治·华盛顿奖(1964年)、美国-匈牙利医学协会Semmelweis奖章(1965年)和 国家科学奖章 (1969年)。

维格纳曾获 威斯康星大学 、 华盛顿大学 、凯斯研究所、 加拿大 阿尔伯塔大学 、 芝加哥大学 等多个大学 荣誉学位 ,是 美国物理学会 ( 美利坚大学 Physical Society)的前任副会长和会长、美国核协会(American Nuclear Society)的前董事会成员,是美国哲学学会、 美国数学学会 、美国物理教师协会、 美国国家科学院 、 美国艺术与科学院 、荷兰皇家科学与文学院、 美国科学促进会 、 奥地利 科学院 的会员。

人物生平

早年经历

尤金·维格纳,1902年11月17日出生在 匈牙利 布达佩斯 。由于他是一个有点体弱多病的孩子,他的父母安排他在家里进行 早期教育 。后来他在布达佩斯著名的路德教会体育馆( 高中 )度过了四年,在那里他和扬西·冯·诺依曼(Jancsi von Neumann)成为朋友和同学。维格纳在柏林的工业大学获得了 化学工程 学位,他的论文(1925年)是在 迈克尔·波兰尼 的指导下写的,内容是关于化学反应的理论。维格纳的敏锐给 卡尔·波兰尼 留下了深刻的印象,波兰尼推荐他担任物理学家理查德·贝克尔的助手。

发展阶段

在接下来的15年里,维格纳继续研究化学反应理论,并且使用了当时新兴的 量子力学 。他与维克多·韦斯科普夫(Victor Weisskopf)就 原子光谱 的线宽理论进行了相关的研究,并与格雷戈里·布雷特(Gregory Breit)一起研究了 核反应 速率 ,他的工作重点是将 群论 应用于研究原子、分子、 原子核 和 晶体 的 定态 对称性。也正是在这一时期,维格纳从 德国 来到了 美国 。1930年到1933年,维格纳和 约翰·冯·诺依曼 有一个共同的安排:他们每年花一个学期在柏林的工作岗位上,另一个学期则在 普林斯顿大学 。维格纳在 普林斯顿 工作了三年后,去 威斯康星大学 担任物理学教授。1938年秋天,他以特聘教授的身份回到了普林斯顿。他于1941年与玛丽安妮特惠勒结婚,是两个孩子的父亲,大卫和 玛莎拉蒂 。他的儿子大卫在 加利福尼亚大学 伯克利分校教数学。他的女儿玛莎在 芝加哥 地区交通系统工作。

参与反战

1939年,维格纳和他的朋友 利奥·西拉德 清楚地预见到第三帝国在盟国之前获得 核弹 的灾难性后果,他们说服 阿尔伯特·爱因斯坦 给 富兰克林·罗斯福 写了一封警告信,并且在 第二次世界大战 期间(1942年至1945年),于 芝加哥大学 (University of Chicago )参与 曼哈顿计划 (Manhattan Project),旨在从 铀矿 中分离出 235和铀238,并制造 核反应堆 去设计炸弹。维格纳积极参与核反应堆的 设计研究 ,大部分工作是在芝加哥大学数学系进行的,数学系的代号是冶金实验室。当他的 生产反应堆的设计工作完成后,维格纳转向动力反应堆的设计。

荣誉与晚年

1946年至1947年,他成为克林顿实验室(Clinton Laboratories)的研发主任。维格纳和他的同事阿尔文·温伯格(Alvin Weinberg)将他们的知识和经验收集在论文《中子链式反应堆的物理理论(1958)》中。在接下来的30年里,维格纳担任联邦政府核事务顾问。从1952年到1957年,他是美国原子能委员会总顾问委员会的成员,1959年再次被任命为该委员会成员,并在该委员会任职至1964年。维格纳的科学成就和他的职务都得到了充分的认可和奖励,包括1946年颁发的 美国 功绩奖章,1958年获 美国航空航天局 费米奖 ,1960年获得原子和平奖,并且在1963年因为“对 原子核 和 基本粒子 理论的贡献,特别是对基本对称原理的发现和应用”获得 诺贝尔物理学奖 。维格纳博士拥有富兰克林学会奖章、德国物理学会 马克斯•普朗克奖章 、美国- 匈牙利 研究基金会乔治·华盛顿奖(1964年)、美国-匈牙利医学协会Semmelweis奖章(1965年)和 国家科学奖章 (1969年)。

维格纳曾获 威斯康星大学 、 美国华盛顿大学 、凯斯研究所、 加拿大 阿尔伯塔大学 、 芝加哥大学 等多个大学 荣誉学位 。维格纳是 美国 物理学会(American Physical Society)的前任副会长和会长,美国核协会(American Nuclear Society)的前董事会成员,是美国哲学学会、 美国数学学会 、 美国物理教师协会 、 美国国家科学院 、 美国艺术与科学院 、荷兰皇家科学与文学院、 美国科学促进会 、 奥地利 科学院的会员,也是 哥廷根市 科学促进会的通讯会员和 伦敦皇家自然知识促进学会 的外籍会员。

维格纳于1971年退休。1990年,他获得了美国核学会首届尤金·P·维格纳反应堆物理学家奖。 1992年,以九十岁的高龄,与 传记 作家安德鲁·史詹顿合作出版了传记《乱世学人——维格纳自传》(The Recollections of Eugene P. Wigner)。 1995年1月1日,尤金·维格纳逝世。

主要成果

维格纳建立了 量子力学 中对称性的理论基础,1927年提出维格纳D-矩阵,并且和数学家 赫尔曼·外尔 将数学中的 群论 带进了量子力学。维格纳发现简并态的存在同量子系统对称性的不可约表示有关,他还研究不变性和对称性基本原理(特别是它们在量子力学中作用)、化学反应的速率理论、金属结构、金属内聚力理论、 核连锁反应 及其利用问题等,阐明了分子的缔合与 离解 机制,与恩里克· 恩里科·费米 一起研制出第一座原子反应堆,并与卡尔·埃卡特发明维格纳——埃卡特 定理 。

原子核结构和碰撞理论

维格纳从事原子核结构和碰撞理论研究,提出原子核吸收 中子 的理论,提出支配核子中 质子 和中子相互作用的原理,并因此获得1963年 诺贝尔物理学奖 。

1933年,尤金·维格纳发现,当核子之间的距离很大时,将它们结合在一起的力非常弱,但当核子彼此靠近时,如在原子核中,将它们结合在一起的力非常强。维格纳还描述了核子和 核力 的几个特征,包括两个核子之间的力是相同的,无论它们是质子还是中子。

维格纳——塞茨原胞

维格纳——塞茨原胞,是 固体物理学 中的一个概念,是晶体原胞的一种,简称WS原胞。以一个格点为原点,作原点与其他格点连接的中 鱼面 (或中垂线),由这些中垂面(或中垂线)所围成的最小体积(或面积)即是维格纳一塞茨 原胞 。它是 晶体 体积的最小重复单元,每个原胞只包含1个格点,其体积与固体物理学原胞体积相同,第一 布里渊区 即为倒格子中的维格纳-塞茨原胞。

宇称守恒定律

1927年,维格纳首先用对称性成功地分析了 原子光谱 ,提出了 宇称 的概念。1937年,维格纳基于核的 自旋 、 同位旋 ,引入超多重结构,建立了宇称 守恒定律 ——有许多个粒子组成的体系,不论经过相互作用发生什么变化,它的总宇称始终保持不变。目前知道仅仅在 强相互作用 下适用,弱相互作用下宇称不守恒由 杨振宁 和 李政道 发现, 吴健雄 通过实验验证。

量子电动力学

1928年,约当和维格纳引入了 电子 场的概念,给出了 保罗·狄拉克 的电子相对论量子力学 方程 的全新解释,并仿照狄拉克的 电磁场 量子化方式,建立了电子场的量子化理论,称量子电动力学。

维格纳定理

维格纳定理是由尤金·维格纳在1931年证明的,这个定理是 量子力学 的数学表述的奠基石。这个 定理 描述的是系统的对称性(物理学),例如旋转,平移或者CPT这些操作是如何改变 希尔伯特空间 上的态。

维格纳轴原子核模型

维格纳发现在放射作用(即维格纳效应)下固体改变其大小,提出了维格纳轴原子核模型。维格纳在研究多 粒子系统 相互作用问题( 多体问题 )时,对这个复杂的物理问题做了简化处理——他忽略单个粒子相互作用,认为粒子之间的作用是 相等 的,集中处理整个系统的平均统计行为。维格纳使用数字网格(矩阵)实现了这个设想,这些数字指定了粒子如何相互作用。他用随机数填充矩阵,他希望这种简化能使他继续进行计算,并且最后仍然能够产生有用的铀核描述参数。他发现他可以从 随机矩阵 中抽取特定的模式,模式包含特征值。这是他提出维格纳铀原子核模型的理论依据。

维格纳铀 原子核 模型中粒子都被紧紧地束缚在原子核这一很小的区域,所以每个粒子都和其他粒子发生相互作用,即没有考虑任何空间结构,粒子在原子核内近似 均匀分布 。这种没有考虑粒子间距的物理模型叫做“平均场”模型。

预言金属氢

1935年,尤金·维格纳和物理学家希拉德·亨廷顿(美国斯坦福大学教授)预测,氢在25GPa的高压下,氢会转变成一个氢原子分配一个 电子 ,且电子可以自由移动的金属状态——金属氢,类似 碱金属 。

主要论文与著作

荣誉奖项

以上资料来源:

社会职务

维格纳曾获 威斯康星大学 、 美国华盛顿大学 、凯斯研究所、 加拿大 阿尔伯塔大学 、 芝加哥大学 、 科尔比学院 、 宾夕法尼亚大学 、 叶史瓦大学 、蒂尔学院、 圣母玛利亚大学 、 柏林工业大学 、 斯沃斯摩尔学院 、 天主教鲁汶大学 、 里昂大学 、 伊利诺伊大学 、 西顿 霍尔大学、 天主教大学 和 洛克菲勒大学 的 荣誉学位 。

维格纳是 美国 物理学会(American Physical Society)的前任副会长和会长,美国核协会(American Nuclear Society)的前董事会成员,是美国哲学学会、 美国数学学会 、 美国物理教师协会 、 美国国家科学院 、 美国艺术与科学院 、荷兰皇家科学与文学院、 美国科学促进会 、 奥地利 科学院的会员,也是 哥廷根市 科学促进会的通讯会员和 伦敦皇家自然知识促进学会 的外籍会员。

人物评价

“他总是善于作出正确的判断,且深信物理学的任务应该是,提供一幅生动逼真的图像来描绘我们的世界。维格纳一生流离于 欧洲 和 美洲 ,亲身经历了 第二次世界大战 的惨痛。他热爱 匈牙利 文化、憎恶纳粹和 阿道夫·希特勒 、期盼和平、追求科学。他与 阿尔伯特·爱因斯坦 、 保罗·狄拉克 、 恩里科·费米 、 约翰·冯·诺依曼 、西拉德、特勒(1908-2003年,美籍匈牙利裔、 氢弹 之父)是多年好友,与人亲善,友好相处。他意识到了希特勒崛起的可怕后果,与爱因斯坦和西拉德一起推动了美国政府上马“曼哈顿工程”,并在这项工作中做出了巨大的贡献。他是一位师长,是一位朋友,是一位值得敬佩的人。”

——石锋著 《榜样的力量之物理风云 对世界影响巨大的100位物理学家 中》

“维格纳是个很喜欢思考的人,他是个很好的物理学家,从研究的角度看,我喜欢他,他是很早提出 宇称 ,也是最早搞 群论 和对称在物理学的应用。而我也是搞这个,但比他晚,所以我对他很佩服。他个人做人在很多地方我也是很佩服的。但是在政治或对社会的主张上我们有根本的区别。”

—— 杨振宁 《物理》2021年第9期

参考资料

  1. Eugene Wigner - Explore Biographical The Nobel Prize 2023-09-04
  2. Eugene P. Wigner 原子能基金会官网 2023-09-04
  3. Gruppentheorie und ihre Anwendung auf die Quantenmechanik der Atomspektren / von Eugene Wigner 佛罗伦萨大学 2023-09-05
  4. The Physical Theory of Neutron Chain Reactors 佛罗伦萨大学 2023-09-05
  5. Eugene Wigner 普林斯顿大学 2023-09-04
  6. Amazon.com 亚马逊 2023-09-04
  7. Phys.Rev.51,106(1937) APS 2023-09-05
  8. Radioactivity of the Cooling Water 佛罗伦萨大学 2023-09-05
  9. The Diffusion of Slow Neutrons in Absorbing Materials 佛罗伦萨大学 2023-09-05
  10. Symmetry and reflections : scientific essays / of Eugene P. Wigner 佛罗伦萨大学 2023-09-05
  11. Superselection Rule for Charge 佛罗伦萨大学 2023-09-05
  12. Michael Polanyi, 12 March 1891- 22 February 1976 佛罗伦萨大学 2023-09-05
  13. 科学家与政治:杨振宁谈奥本海默、泰勒、费米 今日头条 2023-09-05