西奥多·莱曼传(中文翻译版)(兼做《狂飙》文集整理贴)
杂工15442022/06/24原创 物理历史与考古
中文摘要
闲着没事儿把西奥多·莱曼(对就是那个氢光谱莱曼线系那位)的传记给翻译了,还是很有意思的。由此可对真空紫外有关技术的早期发展史管窥一斑。

西奥多·莱曼传

作者:布里奇曼(坩埚下降法生长晶体的提出者)

翻译:杂工1544

西奥多·莱曼于1874年11月23日出生在波士顿。他一生的大部分时间都在离他出生地几英里的地方度过。直到1954年10月11日去世时,他仍在居住在他在布鲁克林的祖传的房屋中

这个家族第一个来到美国的人是英格兰埃塞克斯郡海昂格尔的理查德·莱曼(RichardLyman,1580-1640年),他于1631年来到这里最终定居在马萨诸塞州的北安普敦。西奥多·莱曼(TheodoreLyman)的曾曾祖父是艾萨克·莱曼(IsaacLyman)牧师(1724-1810),他毕业于耶鲁大学,曾在缅因州约克市担任牧师多年。他的曾祖父西奥多(Theodore,1755-1839年)“是一位成功的波士顿商人,积累了巨额财富,以至于我的家族分支从他那个时代起就从未被迫从事过商业活动。”他的祖父西奥多(1792-1849)是一位热心公益的文人,他创立了莱曼青年罪犯学校,即现在的莱曼改造学校(译者注:大致相当于我们的少管所一类的东西?)。他的父亲西奥多(Theodore,1833-1897)是一名海洋生物学家,是路易斯·阿加西的学生,毕生致力于哈佛大学的发展。父亲在国会任职,专注于公务员改革事业。他的家人和他一起搬到华盛顿,从1883年11月到1885年春天,他们一直住在那里

莱曼的母亲伊丽莎白·罗素(1835-1911)是曾在中国经商的商人乔治·罗素的女儿。她的祖父乔纳森·拉塞尔(JonathanRussell)曾是美国驻瑞典公使,也是《根特条约》(译者注:英美1812年战争后停战条约的签署者之一。

在西奥多·莱曼(TheodoreLyman)八岁之前他们全家在波士顿的联邦大过冬,夏季则在祖父在布鲁克林(Brookline)占地数英亩的庄园建造的祖屋中度过。那之后他们全家定居在了布鲁克林的家,西奥多·莱曼在此度过了他的余生,除了大学、假期旅行和第一次世界大战期间之外

莱曼自幼体弱多病,考虑到他的身体状况。他在布鲁克林和波士顿接受了中学教育。他于1893年秋天从他之前所在的诺布尔和格里诺中学进入哈佛学校。他进入时对未来没有明确的计划,但他的爱好偏向物理科学,正如他孩子气的职业规划所表明的那样,“车床、风车、电池、化学品、蒸汽机和发电机”。在大二的时候,他修读并通过了一门物理学课程,但并没有打下坚实的物理基础,他说这件事长期以来一直困扰着他。在他大三和大四的时候,他在电气工程领域深入学习,如果他没有在光学课程中受到其恩师萨宾(XXXXXXbine教授的影响,他可能会从事电气工程相关的职业萨宾是他物理基础课程的助教,并建议他在自己的指导下攻读博士学位,莱曼接受了这个建议。在他的一生中,他继续表达他对萨宾的敬佩。在他的笔记中,他写道:“因此,我要感谢萨宾教授,不仅激发了我对这个领域的兴趣,而且使我终取得了巨大的成就,假如没有他为我树立的榜样和不断的帮助和鼓励,我将不会取得如此的成就。

他于1897年以优异的成绩获得学士学位,并在夏天与他的同学N.P.Hallowell和JosephWarren一起在欧洲旅行。秋天,他被任命为助理,任期一年,开始了他的学术历程这个职位被两次续期1900年,他获得博士学位,学位论文题目是“罗兰凹面光栅的假光谱”。1901年至1902年的冬天在英国剑桥度过,师从J.JThomson,1902年夏天在哥廷根学习。回到哈佛后,他开设了一部分关于气体导电(译者注:原文为Conduction in Gases)的课程,这一课程主要基于他在卡文迪许实验室学到的知识,并使新物理的春风吹进了长期禁锢于学术保守主义的哈佛学院1902年秋天,他的学术地位开始继续提升,首先是一年的讲师,然后是终身讲师,然后从1907年开始担任两个五年任期的助理教授,然后在1917年成为终身教授,最后是霍利斯教授(译者注:原文为Hollis Professor。他担任霍利斯教授仅5年,1925年辞去名誉教授职务。人们普遍认为他在退休年龄前15年退休,是由于他渴望更完全的自由。正式退休后,他继续教授课程并指导研究生攻读博士学位。学位多年。1910年,在他担任助理教授的第一个任期内,除了被任命为教员外,他还担任了杰斐逊物理实验室主任的行政职务,他担任该职务37年,直到1947年。他与大学的财务关系似乎有些怪异,他习惯于将他的薪水返还给大学,其他一些富有的教授也是如此。有一个故事说,洛厄尔校长有一次在大学工资水平普遍提高的情况下,拒绝增加莱曼的工资,说“西奥多不需要”莱曼自己的言论中可以看出,他从未收到过任何作为实验室主任应得的工资

在他的职业生涯中,他说他的时间大约有四分之一用于教学,四分之一用于管理,以及一半用于研究他的整个科学生涯完全投身于深紫外线光谱学。该主题由萨宾教授(译者注:前文提到的莱曼的恩师)提出。由于技术上的一些进步,特别是将整个光谱仪封闭在真空室中消除空气吸收,以及萤石在光学窗口、透镜和棱镜的应用,当莱曼开始他的论文工作时,光谱测量的短波端已经被舒曼(Victor Schumann)扩展到大约1,260A(译者注:1A=0.1nm)。萤石是当时已知物质中紫外透光性能最好的物质。虽然舒曼获得了波长小于2,000A的大量新谱线,但是由于不知道萤石在紫外波段折射率与波长的关系,无法准确确定这些谱线的波长。萨宾建议莱曼使用凹刻线光栅代替萤石棱镜,获得各条谱线精确的波长。(译者注:用棱镜观测光谱时需要知道棱镜材料折射率与波长的关系,而用光栅观测光谱则只需要知道刻线间距就可以通过光谱图推算出波长)这一看似简单的课题花费了莱曼七年时光,其间充满了艰难险阻。主要的困难在于技术问题。其中最基本的是真空环境的产生与维持:当时的真空泵粗糙、缓慢且效率低下;由于更先进的真空测量手段尚未出现,必须使用McLeod真空计进行真空测量(译者注:McLeod真空计是对已知体积未知压强的气体进行等温压缩,测量压缩到一确定压强时的体积压缩比以测量真空度的仪器);且容器的泄漏问题也没有解决。莱曼早期的所有仪器都有明显的气体泄漏。光栅光谱的判读也困难重重;由于可见光的缘故,在深紫外区出现了一些假光谱线最终问题被定位到光栅刻线机的周期性机械误差叠加,导致在离原谱线很远的位置(译者注:往往是在原谱线的整数分数倍处)出现了假谱线这一发现有着非常高的价值,因而成为了莱曼学位论文的选题。一个不那么细致和认真的观察者很容易就会被这些假线所欺骗,并过早地宣布错误结论。莱曼的对深紫外区光谱谱线的第一次精确测量于1904年发表,随后在1906年0.1A的精度完成了在1228A到1675A之间超过三百条谱线与大约50条1228和1030A之间的谱线的波长测定这些谱线可能是氢产生的。他确定萤石的紫外吸收边1260A,从而表明舒曼基于色散公式对萤石紫外吸收边的估计值1000A大错特错。这些研究将人类对紫外光谱的研究1260推进到1030A.莱曼采用两种方法测量谱线的波长第一种方法用两条狭缝测量谱线位置。第二种方法是通过比较已知的较长波长光的二级谱线与待测的一级谱线

莱曼后续的工作可以视为对其1906年论文中思想的进一步发展。首先,研究各类固体的紫外吸收特性以找到比萤石更好的紫外光学材料,但是却没有成功然后对各种气体的光学吸收进行了研究气体的吸收对紫外光谱的研究有着强烈的负面影响:除了氢和氦以外的气体1,000A以下的区域内将强烈吸收紫外光这使得气体放电管中的气体必须与外界完全隔开而紫外光学窗口的限制使得这样可测量的最短波长为1230A。后来,随着真空泵技术的发展,萤石窗不再是必须的,从放电管扩散出来的气体在进入其余部分之前就可以被泵从真空装置中抽走气体放电光源也在逐步改进,通过增大电流、改进电路与缩短光传播的距离等手段提升光强设计了一种通过在狭窄的石英毛细管中产生放电产生连续辐射的光源。然而,这种辐射源的缺陷是放电中脱落的石英颗粒可能污染光栅表面莱曼也在感光底片的发展上投入了巨大精力,为提升底片的灵敏度,他尽可能的减少底片中明胶的含量,并向底片中加入可将紫外线转化为可见光的荧光物质。

20世纪初,得益于光谱的数学规律的发现与玻尔原子模型的提出,光谱分析得到了长足的发展。氢的两个谱线系在当时已经为人类所知——帕邢和巴尔末系1914年莱曼宣布发现氢在紫外区的三条谱线可以由与上两个线系类似的公式表示他们的频率,这一谱线系被称为莱曼线系。莱曼不惜推迟论文发表的时间,仔细验证了他的发现以排除其他干扰因素,这一历程堪称学术诚信的典范。

随着技术的不断改进,莱曼沿着之前的技术路径,1915年将光谱观测的短波端推进到了600A,1917年更是实现了500A。1917年,他的工作因服兵役而中断与此有关的是将在后文中讲述莱曼在自己的笔记中写到:“当我在1919年春天复员的时候,我发现我的研究工作不可能恢复到先前的状态了。我花了一些时间才重新恢复到进行科学研究的状态,同时许多其他人进入到真空紫外光谱学这一领域,这使得我失去了在这一领域的领导地位再也没有重新获得它。此外,萨宾教授的英年早逝增加了我的行政负担

在进入真空光谱领域的“其他人”中,最重要的是R.A密立根(译者注:对就是密立根油滴实验的那个密立根),他使用更高效的火花放电光源将光谱的短波端扩展到140A,这一光源是由R.W伍德提出的。莱曼在他的书中慷慨地承认了密立根的卓越工作。与此同时其他科研人员将短波端逐步拓展到了软X射线区。并最终由AHCompton实验室工作Osgood在1927年完成了对整个光谱的覆盖。

莱曼复员后的第一篇论文的内容是氦在真空紫外区1640A和1215A的两条新谱线。在他1924年重要论文中,他发现了氦的七条新光谱线和来源于氦离子与自由电子重新结合发射出的连续光谱。氦II离子光谱中的两条线具有重要的理论意义,因为频率正如玻尔模型预测的那样,是氢光谱中相应谱线频率的四倍。在这一文献研究中莱曼使用了火花光源以观测波长直到256A的谱线。接下来他与XXXXXXunders.合作完成了对铝、镁和氖的紫外光谱的研究

由于其他事务和身体状况的影响,莱曼的科研成果产出量1926年之后大大降低。他的最后一篇论文发表于1935年,主题是关于空气的1,100A到1,300A间的紫外吸收光谱。他继续工作了几年以研究测定气体对更短波紫外的吸收系数并尝试寻找通过涂油提高印版灵敏度的方法,但他没有得到任何满足他对自我高标准的要求的东西,因而什么也没发表。他在那之后继续指导真空紫外光谱学研究生,并且在1931-1942年间培养出了六个博士

莱曼向来体弱多病,因而十分注意养生他一直坚持早起,他的同事也一直尊重他在这方面的习惯。在这方面有一个经莱曼本人证实的故事。莱曼的青梅竹马,诗人艾米·洛厄尔,曾邀请莱曼找她玩儿并重温童年回忆可惜的是,由于二人作息习惯的差异,最终未能成行,艾米通常在晚间工作并接待他人,而莱曼则倾向于早睡早起。在假期莱曼通常去狩猎和旅行,并且加入了由地质学家WilliamMorrisDavis创立的旅行俱乐部。他的足迹遍布世界各地,包括西伯利亚,南美,朝鲜半岛,东非以及阿拉斯加等除了战争期间以外,他每年的夏季都会外出旅行狩猎。莱曼在一份报告中写道“起初,我旅行狩猎唯一的目的是娱乐,但最近我为剑桥和华盛顿的博物馆提供收藏品”他在东非射杀了四头狮子,令他非常满意。他甚至曾经为西奥多·罗斯福总统的非洲之行提供了建议。他最重要的一次旅行是在1912年阿尔泰山脉之旅。这次旅行由莱曼资助,美国国家博物馆和哈佛比较动物学博物馆都参加了这一旅行,这次旅行采集了当地大量的动植物标本,填补了美国国内在有关领域的的缺失。莱曼晚年喜欢在加斯佩河钓鲑鱼。

随着欧洲第一次世界大战的爆发,莱曼投笔从戎。他曾经参与指挥过一个营的兵力,并且可能使用他的科学知识改进了当时战场的测距和通信手段。XXXXexander写道:“莱曼作为一个具有杰出科学造诣的人会处理科学技术问题,这并不奇怪。但使我们更加钦佩的是钦佩和惊叹他在以前没有军事经验的情况下组织和领导测距学校取得的卓越成就,他能有效的指挥统御他的下属,使他们纪律严明勇敢善战,并得到他手下士兵的尊重与爱戴

莱曼曾经为陷入经济困难的杰斐逊实验室筹集资金,并扩大了实验室的规模,这一实验室后来被更名为莱曼实验室。他筹建这一实验室的工作使他心力交瘁。1930年5月,在前往欧洲度假的轮船上,他患上了阑尾并在船上接受了紧急手术,但一直没有完全康复。从灾难中恢复过来。他在医院住院了几个月英格兰积蓄力量回归之前和回归之后他不得不接受第二次手术。几年后,他的一只腿患上了严重的静脉炎。

他生命的最后几年因健康状况不佳晚景凄凉。他的背上有一个顽固的疮,这可能是长期暴露在各类辐射中导致的结果,所幸通过皮肤移植治好了。他还患有严重的视力障碍,他将其归咎于长期的光谱测量工作他最终在彼得·本特·布莱根医院(Peter Bent Brigham Hospital)因病去世。

他在1917年成为了美国国家科学院院士,美国哲学学会会员,美国艺术与科学学院主席,美国物理学会会员1921-1922年任主席美国光学学会会员。此外,他还是哈佛俱乐部波士顿的萨默塞特俱乐部的成员他于1918年获得美国艺术与科学院Rumford奖章,1930年获得美国哲学学会ElliottCresson奖章,1931年获得美国光学学会FrederickIves奖章

翻译者后记

突发奇想翻译莱曼的传记,是在复习玻尔模型的时候突然很好奇在1910年代人们是如何观测紫外光谱和红外光谱的,于是在网上一通查找,顺藤摸瓜摸到了布里奇曼写的这一篇纪念莱曼的文章的图片版PDF,遂OCR并用翻译网站翻译之,然后又对翻译的结果进行了大幅调整以符合汉语表达习惯,技术性较强的部分几乎是从头重写,并删节了部分莱曼的个人生活相关的段落(只保留了概述性的几句话),前后共计用时约12小时。

翻译整理本篇文章并公开发表的目的在于从故纸堆中翻出那段激情燃烧的岁月,去领略老前辈在艰苦简陋的条件下发挥聪明才智与勇气毅力一步步探索宇宙真理的精气神,为我们立足于今天向着未来奔驰提供理论知识与精神面貌上的支撑。

若本篇文章尚有人愿意阅读,下一步笔者将尝试查找翻译莱曼当时的原始论文,布拉开与普方德等对氢原子光谱研究做出关键贡献的实验物理学家的传记与关键性的学术论文等,并形成一个文集,暂时定名为《狂飙I:风起青萍》,希望以此文集,从实验物理的角度管窥从十九世纪末“物理学的两朵乌云”到由此引发的物理学界天翻地覆狂飙的开端。

敬请期待。


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[修改于 14天22时前 - 2022/07/30 15:31:13]

+1  科创币    Zhang_TTL    2022/06/26 期待后续!
+1  学术分    虎哥    2022/07/17 学术性公共服务。
来自:数理化 / 物理探索人类社会 / 历史与考古严肃内容:专业科普
1
 
7
 
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杂工1544 作者取消置顶
25天18时前 修改于 13天19时前
1楼

今天突然被虎爷加了个学术分,才想起来还有这个坑。

这几天《风起青萍》篇还会翻译下面两篇论文(鉴于篇幅浩大,可能会选译一部分):

The Spectrum of Hydrogen in the Region of Extremely Short Wave Lengths (1906,Theodore Lyman)

Visible and infra-red radiation of hydrogen(1922,Frederick Sumner Brackett)(本篇已于2022年7月31日完成,见https://www.kechuang.org/t/87992)

后面可能会搞的的几个专题文集:

《周天寒彻》:相对论和量子理论的早期重要实验验证

《横空出世》:原子核物理相关的重要实验

《倚天长剑》:量子频标与激光的早期发展

敬请期待。

另:有感兴趣的同志也可以一起进行翻译,具体事项站内信交流。

本帖兼作整理《狂飙》系列后期更新之用

杂工1544作者
25天18时前 修改于 13天19时前
1楼

今天突然被虎爷加了个学术分,才想起来还有这个坑。

这几天《风起青萍》篇还会翻译下面两篇论文(鉴于篇幅浩大,可能会选译一部分):

The Spectrum of Hydrogen in the Region of Extremely Short Wave Lengths (1906,Theodore Lyman)

Visible and infra-red radiation of hydrogen(1922,Frederick Sumner Brackett)(本篇已于2022年7月31日完成,见https://www.kechuang.org/t/87992)

后面可能会搞的的几个专题文集:

《周天寒彻》:相对论和量子理论的早期重要实验验证

《横空出世》:原子核物理相关的重要实验

《倚天长剑》:量子频标与激光的早期发展

敬请期待。

另:有感兴趣的同志也可以一起进行翻译,具体事项站内信交流。

本帖兼作整理《狂飙》系列后期更新之用

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出售:河图、天书、麒麟、獬豸、灵龟、龙马、白鱼、丹鲤、嘉禾(九穗),瑞麦(三岐),独眼石人(代埋代挖 ),黄帛绢书(代塞鱼腹)、黄袍(送货上门)、黄鸟之旗等

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