通往諾貝爾獎之路：盤點10個著名的科學家族

​​撰文 | COLIN HUNTER

譯者 | 張雪

來源：未來論壇
科學家們常常將最親近的合作者當做自己的親人看待，而對於有些科學家而言，他們的合作者就是他們的家人。
無論是由於遺傳因素、教育因素還是二者的綜合影響，那些開創性的物理學研究往往是一項家庭事業。

從傑出閃耀的伯努利家族到求知若渴的居裡夫婦，許多著名的數學和物理學家庭都為拓寬人類對自然的認知做出了巨大的貢獻。
其中有一個家族誕生了8位數學家，其他家庭則分別獲得過多項諾貝爾獎項。下面一系列精美的圖片向我們介紹了10個物理學/數學家族。

01 巴丁家族：獲得兩次諾貝爾物理學獎的人

美國物理學家約翰·巴丁（John Bardeen，1908-1991）因半導體工作及電晶體效應的發現而與他人共同獲得1956年的諾貝爾物理學獎，並於1972年因超導的BCS理論再次獲獎。
巴丁因此而成為第一位、也是目前為止唯一一位兩次獲得諾貝爾物理學獎的人。
他的大兒子詹姆斯（James）則以廣義相對論的工作而聞名，尤其是他對黑洞熱力學公式推導所作出的貢獻。詹姆斯目前是華盛頓大學的榮譽教授及圓周理論物理研究所的傑出訪問研究員。
巴丁的二兒子威廉（William）是費米實驗室的理論物理學家。巴丁的女兒伊莉莎白（Elizabeth）作為一名電腦程式員曾為波斯頓城市醫院設計了應用系統，並與麻省理工學院的物理學榮譽教授託馬斯·J·（Thomas J.Greytak）結為連理。

02 伯努利家族：8個數學家

從1654年到1759年，伯努利家族的三代人中誕生了八位學者，他們為包括微積分學、流體力學、概率論和統計學在內的應用數學及物理學的基礎研究做出了巨大貢獻。
第一代：雅各布（Jacob，1654-1705）、尼古拉斯（Nicolaus）和約翰·伯努利（Johann Bernoulli，1667-1748）是出生於瑞士巴塞爾的三兄弟。
大哥雅各布和弟弟約翰都是著名的數學家：雅各布是伯努利數的命名來源，他在概率論、微分方程、無窮級數求和、變分方法、解析幾何等方面均有很大建樹，是公認的概率論先驅之一；
而約翰則是微積分的早期應用者，他發明了指數運算，提出洛必塔法則、最速降線和測地線問題，給出求積分的變量替換法。
與此同時，他們都是變分法的創建者之一。值得一提的是，約翰培養了一大批出色的數學家，其中包括18世紀最著名的數學家歐拉、瑞士數學家克萊姆、法國數學家洛必塔，以及他自己的兒子丹尼爾、尼古拉斯第二等。
第二代：尼古拉斯的兒子尼古拉斯第一（Nicolaus I，1687-1759）成長為一名數學教授。
而約翰的孩子們中，尼古拉斯第二（Nicolaus II，1697-1726）是一名著名的數學教授，但卻在31歲死於發熱；
丹尼爾（Daniel，1700-1782）博學廣識，其成就涉及多個科學領域，他致力於流體力學，給出伯努利方程等基礎理論，並在概率論中引入正態分布誤差理論，編寫了第一個正態分布表，成為概率論及統計學先驅；
約翰第二（Johann II，1710-1790）則是一名著名的數學家和物理學家，他把光看作彈性介質中的壓力波，導得微分方程並用級數求出它的解。
第三代：約翰第二的兒子約翰第三（Johann III，1744-1807）是一位神童，他在19歲時就當選為柏林皇家天文學家。
他在研究的同時遍遊四海，不久後又被任命為柏林科學院數學系主任。
而約翰第三的弟弟雅各布第二（Jacob II，1759-1789）則是一位數學家和物理學家，但不幸在29歲時溺水身亡。

03 玻爾家族：進國家足球隊踢奧運會的數學家

丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr，1885-1962）是二十世紀當之無愧的物理學巨擘。
他首次將量子概念應用於原子和分子結構中，為量子力學的發展奠定了基礎，並因此獲得了1922年的諾貝爾物理學獎。
他通過引入量子化條件，提出了玻爾模型來解釋氫原子光譜；提出互補原理和哥本哈根詮釋來解釋量子力學，他還是哥本哈根學派的創始人，對二十世紀物理學的發展產生了深遠的影響。
尼爾斯的兒子奧格（Aage，1922-2009）因發現原子核結構於1975年獲得諾貝爾物理學獎。奧格接替父親的職位，出任了哥本哈根大學理論物理研究所主任（1965年尼爾斯去世三周年時，該研究所被命名為尼爾斯·玻爾研究所）。
尼爾斯的弟弟哈那德（Harald，1887-1951）也同樣出色。他是數學分析的先驅，奠定了周期函數研究的主要基礎，他也是哥本哈根大學的數學教授。同時，他擔任中衛的丹麥國家足球隊獲得了1908年夏季奧運會的足球亞軍。

04 布拉格父子：唯一一對同時獲獎的父子

能斬獲兩次諾貝爾獎的科學家族確有幾個，但父子同時獲獎的例子卻只有這一個。
英國物理學家威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg，1862-1942）與其澳大利亞出生的兒子勞倫斯（Lawrence，1890-1971）通過對X射線譜的研究提出了晶體衍射理論，並因此提出了布拉格定律，同時也改進了X射線分光計，因而獲得1915年的諾貝爾物理學獎。
時年25歲的勞倫斯是迄今為止最年輕的諾貝爾獎得主。這對父子在此後的幾十年間都致力於解析晶體結構，布拉格這個名字幾乎是現代結晶學的代名詞。

05 居裡家族

在幾代人都從事物理研究的家族中，居裡家族可謂首屈一指。
瑪麗·斯卡洛多斯卡·居裡（Marie Sklodowska Curie, 1867-1934）和他的丈夫皮埃爾·居裡（Pierre Curie, 1859-1906）兩人與亨利·貝克勒爾（Henri Becquerel, 1852-1908）因在放射學方面的深入研究和傑出貢獻，共同獲得了1903年的諾貝爾物理學獎。
他們在1902年提煉出了十分之一克極純淨的氯化鐳，並準確地測定了它的原子量，從此鐳的存在得到了證實。1911年，居裡夫人因發現放射性元素釙和鐳，再次獲得諾貝爾化學獎。
居裡夫婦的大女兒伊雷娜·約裡奧·居裡（Irène Joliot-Curie, 1897-1956）繼承了家族傳統，因為對人工放射性的研究和丈夫弗雷德裡克·約裡奧（Frédéric Joliot, 1900-1958）共同獲得了1935年諾貝爾化學獎。
夫妻倆還於1948年領導建立了法國第一個核反應堆。
小女兒艾芙·居裡（Ève Curie, 1904-2007）成為了一名作家和記者，曾撰寫其母傳記《居裡夫人傳》（Madame Curie）。
儘管她並沒有獲得諾貝爾獎，但她的丈夫、美國駐希臘大使Henry Richardson Labouisse, Jr.（1904-1987）曾代表聯合國國際兒童基金會（UNICEF）獲得了1965年諾貝爾和平獎。
伊蕾娜和弗雷德裡克的孩子們同樣都成長為科學家：海倫·郎之萬·約裡奧（Hélène Langevin-Joliot）是一名核物理學家；皮埃爾·約裡奧（Pierre Joliot）則是著名生物學家。
雖然八卦是不對的，但是你們肯定知道和居裡夫人有緋聞的法國物理學家皮埃爾生前的學生保羅·朗之萬（Paul Langevin, 1872-1946），沒錯就是貢獻了朗之萬動力學以及朗之萬方程的那位。
多年後，居裡夫人的孫女嫁給了朗之萬的孫子。

06 馬赫父子與泡利：教父與教子也算啊

奧地利物理學家、哲學家恩斯特·馬赫（Ernst Mach, 1838-1916）是最早開始研究超音速運動的科學家，馬赫數（音速）的命名就是為了紀念他，同時他也為都卜勒效應的發現做出了主要貢獻。
恩斯特和兒子路德維希·馬赫（Ludwig Mach, 1868-1951）曾共同工作，以捕捉衝擊波的影蹤，在19世紀90年代，路德維希基於這項工作而發明的馬赫-曾德爾幹涉儀（Mach–Zehnder interferometer）成功觀測到更清晰的圖像。
路維德·曾德爾（Zehnder）首先於1891年提出這一構想，後來路德維希於1892年發表論文對其加以改良。
恩斯特·馬赫的教子沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli, 1900-1958）則是量子力學的先驅。
1945年，泡利因他在25歲時發現的泡利不相容原理而獲得諾貝爾物理學獎。
這一原理指出：在確定的費米子組成系統中，不能有兩個或兩個以上的粒子處於完全相同的狀態。

07 奧本海默兄弟

羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer, 1904-1967）和他的弟弟弗蘭克·奧本海默是美國歷史上動蕩時期與共產主義有關的偉大物理學家。
1942年8月，羅伯特被任命為「曼哈頓計劃」的實驗室主任，建立了洛斯阿拉莫斯實驗室（LANL），並於1945年領導製造出世界上第一顆原子彈，被譽為「原子彈之父」。
1947年，羅伯特擔任原子能委員會總顧問委員會主席。
但在1953年這個分裂的麥卡錫時代，艾森豪「以他早年的左傾活動和延誤政府發展氫彈的戰略決策為罪狀起訴，甚至懷疑他是蘇聯的代理人」對羅伯特進行安全審查並吊銷其安全特許權，這就是轟動一時的「奧本海默案件」。
1963年，美國總統親自將原子能方面的最高獎項——費米獎授予羅伯特。曾任原子能委員會主席的利林塔爾評論道，這是「為給奧本海默所蒙受的怨恨和醜惡的罪行而舉行的贖罪儀式」。
此外，羅伯特從1947年起一直擔任普利斯頓高等研究所所長，直至1966年退休後因病去世。
羅伯特的弟弟弗蘭克則是主攻核物理和鈾濃縮的粒子物理學家，他在20世紀50年代同樣受到了麥卡錫主義的迫害。
弗蘭克與妻兒被「下放」到科羅拉多州做了十年的牧民，出於對科學教育的熱愛，他後來還在科羅拉多大學及一所中學教授物理。他深信建立科學中心這樣一種新的教育形式，一定能夠增進和發展大眾理解科學的能力。
60年代初，弗蘭克開始了他的環球考察，一種新的構想在他的腦海中開始湧現——建立一種新型的科技博物館。
1969年，舊金山探索館（Exploratorium）應運而生。

08 拉曼與錢德拉塞卡

印度物理學家錢德拉塞卡拉·文卡塔·拉曼（Chandrasekhara Venkata Raman, 1888-1970）的父親是數學和物理學家，他早在學生時期就開始了對光學和聲學的研究。
拉曼因發現光照射到分子上發生散射時波長會發生一定變化（稱為拉曼散射）而獲1930年諾貝爾物理學獎，如今，拉曼散射已經成為化學、物理學、材料科學研究必不可少的工具。
同時，他也對光量子自旋的發現做出了貢獻。
拉曼的外甥蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995）是一名天體物理學家，他在恆星內部結構理論、恆星和行星大氣的輻射轉移理論、星系動力學、等離子體天體物理學、宇宙磁流體力學和相對論天體物理學等方面都有重要貢獻，他在1983年因對星體結構和演化的理論研究而獲諾貝爾物理學獎。
穩定白矮星的最大質量——錢德拉塞卡極限即以他命名。

09 西格巴恩家族

作為X射線光譜學的早期研究者，瑞典物理學家曼內·西格巴恩（Manne Siegbahn, 1886-1978）研發出X射線的高精度測量技術，推動了量子論和原子物理學的發展，並由此獲得1924年的諾貝爾物理學獎。
曼內的兒子凱·西格巴恩（Kai Siegbahn, 1918-2007）跟隨父親研究這一領域並成為了雷射光譜學的專家。
他致力於研發一種用電子檢測複合材料成分和純度的新技術——X射線光電子能譜分析（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS），並於1954年獲得了氯化鈉的首條高能高分辨X射線光電子能譜。
在與西格巴恩的合作下，美國惠普公司於1969年製造了世界上首臺商業單色X射線光電子能譜儀。
1981年，他與尼古拉斯·布隆伯根及阿瑟·倫納德·肖洛共同獲得諾貝爾物理學獎，被公認為化學分析用電子能譜（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，ESCA）的帶頭人。
凱的兩個兒子也都成為了物理學家：佩爾（Per）目前是瑞典斯德哥爾摩大學的量子科學教授，漢斯（Hans）則是烏普薩拉大學的分子及凝聚態物理教授。

10 湯姆遜父子：電子是粒子，電子是波

英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜（Joseph John Thomson, 1856-1940）是第三任卡文迪許實驗室主任，以其對陰極射線和氣體電導率的研究和發現電子的實驗著稱。
1897年，湯姆遜在研究稀薄氣體放電的實驗中，證實了電子的存在，並測定了電子的荷質比，轟動了整個物理學界，也因此在1906年榮獲諾貝爾物理學獎。
20世紀20年代，湯姆遜的兒子喬治·佩吉特·湯姆森（George Paget Thomson, 1892-1975）在這一領域做出了進一步的研究，他的電子衍射實驗顯示電子是以波的形式存在，儘管電子也是由微小的顆粒組成。
他由此分獲1937年諾貝爾物理獎，並於1943年受英國封爵。父親發現電子是粒子，兒子發現電子是波，也傳為一段美談。

本文經授權轉載自微信公眾號「未來論壇」。本文來源：圓周理論物理研究所（Perimeter Institute for Theoretical Physics），版權歸原作者所有。