Si vous voulez être physicien, vous devez faire trois choses - d'abord, étudier les mathématiques, deuxièmement, étudier davantage les mathématiques, et troisièmement, faire la même chose.
Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld était un physicien théoricien allemand qui a joué un rôle de pionnier dans les développements de la physique atomique et quantique, et qui a également formé et encadré de nombreux étudiants pour la nouvelle ère de la physique théorique. Il a servi de directeur de thèse pour de nombreux lauréats du prix Nobel en physique et en chimie ; seul le dossier de mentorat de J. J. Thomson est comparable au sien.
Il a introduit le second nombre quantique nombre quantique azimutal et le troisième nombre quantique nombre quantique magnétique. Il a également introduit la constante de structure fine et été un pionnier de la théorie des ondes X.
Jeunesse et éducation
Sommerfeld a étudié les mathématiques et les sciences physiques à l'Albertina University de sa ville natale, Königsberg, Prusse-Orientale. Son conseiller de thèse était le mathématicien Ferdinand von Lindemann, et il a également bénéficié de cours avec les mathématiciens Adolf Hurwitz et David Hilbert ainsi que du physicien Emil Wiechert. Sa participation à la fraternité étudiante Deutsche Burschenschaft a entraîné une cicatrice de duel sur son visage. Il a reçu son doctorat le 24 octobre 1891 à l'âge de 22 ans.
Après avoir reçu son doctorat, Sommerfeld est resté à Königsberg pour travailler sur son diplôme d'enseignement. Il a réussi l'examen national en 1892 et a ensuite commencé une année de service militaire, effectuée avec le régiment de réserve à Königsberg. Il a terminé son service militaire obligatoire en septembre 1893, et pendant les huit années suivantes, il a poursuivi un service militaire volontaire de huit semaines. Avec sa moustache retroussée, sa silhouette, son port prussien et la cicatrice de l'escrime sur son visage, il donnait l'impression d'être un colonel des hussards.
Carrière
Göttingen
En octobre 1893, Sommerfeld s'est rendu à l'Université de Göttingen, qui était le centre des mathématiques en Allemagne. Là, il est devenu assistant de Theodor Liebisch à l'Institut minéralogique, grâce à un contact personnel heureux – Liebisch avait été professeur à l'Université de Königsberg et ami de la famille Sommerfeld.
En septembre 1894, Sommerfeld est devenu l'assistant de Felix Klein, ce qui comprenait la prise de notes complètes lors des cours de Klein et leur rédaction pour la salle de lecture des mathématiques, ainsi que la gestion de la salle de lecture. L'Habilitationsschrift de Sommerfeld a été complétée sous Klein, en 1895, ce qui a permis à Sommerfeld de devenir Privatdozent à Göttingen. En tant que Privatdozent, Sommerfeld a donné des cours sur une large gamme de sujets mathématiques et de physique mathématique. Ses cours sur les équations aux dérivées partielles ont d'abord été offerts à Göttingen, et ils ont évolué au cours de sa carrière d'enseignant pour devenir le volume VI de sa série de manuels Lectures on Theoretical Physics, sous le titre Partial Differential Equations in Physics.
Les cours de Klein en 1895 et 1896 sur les corps en rotation ont conduit Klein et Sommerfeld à écrire un texte en quatre volumes Die Theorie des Kreisels – une collaboration de 13 ans, 1897–1910. Les deux premiers volumes portaient sur la théorie, et les deux derniers sur les applications en géophysique, astronomie et technologie. L'association que Sommerfeld avait avec Klein a influencé sa tournure d'esprit pour les mathématiques appliquées et l'art de la conférence.
Alors qu'il était à Göttingen, Sommerfeld a rencontré Johanna Höpfner, fille d'Ernst Höpfner, conservateur à Göttingen. En octobre 1897, Sommerfeld a commencé sa nomination à la chaire de mathématiques de la Bergakademie à Clausthal-Zellerfeld ; il était le successeur de Wilhelm Wien. Cette nomination lui fournissait un revenu suffisant pour éventuellement se marier avec Johanna.
À la demande de Klein, Sommerfeld a pris la position d'éditeur du volume V de l'Enzyklopädie der mathematischen Wissenschaften ; c'était une entreprise majeure qui a duré de 1898 à 1926.
Aachen
En 1900, Sommerfeld a commencé sa nomination à la chaire de mécanique appliquée à la Königliche Technische Hochschule Aachen, plus tard RWTH Aachen University en tant que professeur extraordinaire, ce qui a été organisé par les efforts de Klein. À Aachen, il a développé la théorie de l'hydrodynamique, qui conserverait son intérêt pendant longtemps. Plus tard, à l'Université de Munich, les étudiants de Sommerfeld Ludwig Hopf et Werner Heisenberg écriraient leurs thèses de doctorat sur ce sujet.
Munich
À partir de 1906, Sommerfeld s'est établi comme professeur ordinaire de physique et directeur du nouvel Institut de physique théorique à l'Université de Munich. Il a été sélectionné pour ces postes par Wilhelm Röntgen, directeur de l'Institut de physique de Munich, ce qui était considéré par Sommerfeld comme un appel à une « sphère d'action privilégiée ».
Jusqu'à la fin du 19e siècle et au début du 20e siècle, la physique expérimentale en Allemagne était considérée comme ayant un statut plus élevé au sein de la communauté. Cependant, au début du 20e siècle, des théoriciens, tels que Sommerfeld à Munich et Max Born à l'Université de Göttingen, avec leur formation précoce en mathématiques, ont inversé cela, de sorte que la physique mathématique, c'est-à-dire la physique théorique, est devenue le moteur principal, et la physique expérimentale a été utilisée pour vérifier ou avancer la théorie. Après avoir obtenu leurs doctorats auprès de Sommerfeld, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg et Walter Heitler sont devenus les assistants de Born et ont apporté des contributions significatives au développement de la mécanique quantique, qui était alors en très rapide développement.
Au cours de ses 32 ans d'enseignement à Munich, Sommerfeld a enseigné des cours généraux et spécialisés, ainsi qu'animé des séminaires et des colloques. Les cours généraux portaient sur la mécanique, la mécanique des corps déformables, l'électrodynamique, l'optique, la thermodynamique et la mécanique statistique, et les équations aux dérivées partielles en physique. Ils se tenaient quatre heures par semaine, 13 semaines en hiver et 11 semaines en été, et s'adressaient aux étudiants qui avaient suivi les cours de physique expérimentale de Röntgen et plus tard de Wilhelm Wien. Il y avait aussi une présentation hebdomadaire de deux heures pour la discussion de problèmes. Les cours spécialisés étaient d'intérêt d'actualité et basés sur les intérêts de recherche de Sommerfeld ; le matériel de ces cours a ensuite apparu dans les publications de littérature scientifique de Sommerfeld. L'objectif de ces conférences spéciales était de s'attaquer aux questions actuelles de la physique théorique et pour Sommerfeld et les étudiants d'acquérir une compréhension systématique de la question, indépendamment du fait qu'ils aient réussi ou non à résoudre le problème posé par la question actuelle. Pour les périodes de séminaire et de colloque, les étudiants ont été assignés à des articles de la littérature actuelle et ils ont ensuite préparé une présentation orale. De 1942 à 1951, Sommerfeld a travaillé à mettre ses notes de cours en ordre pour la publication. Elles ont été publiées sous le titre de six volumes Lectures on Theoretical Physics.
Pour une liste des étudiants, veuillez consulter la liste organisée par type. Quatre des étudiants au doctorat de Sommerfeld, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Peter Debye et Hans Bethe ont remporté le prix Nobel, tandis que d'autres, notamment Walter Heitler, Rudolf Peierls, Karl Bechert, Hermann Brück, Paul Peter Ewald, Eugene Feenberg, Herbert Fröhlich, Erwin Fues, Ernst Guillemin, Helmut Hönl, Ludwig Hopf, Adolf Kratzer, Otto Laporte, Wilhelm Lenz, Karl Meissner, Rudolf Seeliger, Ernst C. Stückelberg, Heinrich Welker, Gregor Wentzel, Alfred Landé et Léon Brillouin sont devenus célèbres par leurs propres mérites. Trois des étudiants postdoctoraux de Sommerfeld, Linus Pauling, Isidor I. Rabi et Max von Laue, ont remporté le prix Nobel, et dix autres, William Allis, Edward Condon, Carl Eckart, Edwin C. Kemble, William V. Houston, Karl Herzfeld, Walther Kossel, Philip M. Morse, Howard Robertson et Wojciech Rubinowicz sont devenus célèbres par leurs propres mérites. Walter Rogowski, un étudiant de premier cycle de Sommerfeld à RWTH Aachen, est également devenu célèbre par ses propres mérites. Max Born croyait que les capacités de Sommerfeld incluaient la « découverte et développement des talents ». Albert Einstein a dit à Sommerfeld : « Ce que j'admire particulièrement chez vous, c'est que vous avez, pour ainsi dire, tiré du sol un si grand nombre de jeunes talents. » Le style de Sommerfeld en tant que professeur et directeur d'institut n'a pas créé de distance entre lui et ses collègues et étudiants. Il a invité la collaboration de leur part, et leurs idées ont souvent influencé ses propres points de vue en physique. Il les divertissait chez lui et les rencontrait dans les cafés avant et après les séminaires et les colloques. Sommerfeld possédait un chalet de ski alpin auquel les étudiants étaient souvent invités pour discuter de physique aussi exigeante que le sport.
Pendant qu'il était à Munich, Sommerfeld est entré en contact avec la théorie spéciale de la relativité d'Albert Einstein, qui n'était pas encore largement acceptée à cette époque. Ses contributions mathématiques à la théorie ont aidé à son acceptation par les sceptiques. En 1914, il a travaillé avec Léon Brillouin sur la propagation des ondes électromagnétiques dans les milieux dispersifs. Il est devenu l'un des fondateurs de la mécanique quantique ; certaines de ses contributions comprenaient la co-découverte des règles de quantification de Sommerfeld–Wilson 1915, une généralisation du modèle atomique de Bohr, l'introduction de la constante de structure fine de Sommerfeld 1916, la co-découverte avec Walther Kossel de la loi de déplacement de Sommerfeld–Kossel 1919, et la publication d'Atombau und Spektrallinien 1919, qui est devenue la « bible » de la théorie atomique pour la nouvelle génération de physiciens qui ont développé la physique atomique et quantique.
En 1918, Sommerfeld a succédé à Einstein en tant que président de la Deutsche Physikalische Gesellschaft DPG. L'une de ses réalisations a été la fondation d'une nouvelle revue. Les articles scientifiques publiés dans les revues de la DPG sont devenus si volumineux qu'un comité de la DPG, en 1919, a recommandé l'établissement de Zeitschrift für Physik pour la publication d'articles de recherche originaux, qui a commencé en 1920. Puisque tout scientifique de renom pouvait faire publier son article sans examen critique, le délai entre la soumission et la publication était très rapide – aussi rapide que deux semaines. Cela a grandement stimulé les développements théoriques scientifiques, notamment celui de la mécanique quantique en Allemagne à cette époque, car cette revue était le véhicule de publication préféré de la nouvelle génération de théoriciens quantiques ayant des opinions d'avant-garde.
Au semestre d'hiver 1922/1923, Sommerfeld a donné les conférences de Carl Schurz Memorial Professor of Physics à l'Université du Wisconsin–Madison.
En 1927, Sommerfeld a appliqué les statistiques de Fermi–Dirac au modèle de Drude des électrons dans les métaux – un modèle présenté par Paul Drude. La nouvelle théorie a résolu de nombreux problèmes de prédiction des propriétés thermiques que le modèle original présentait et est devenue connue sous le nom de modèle de Drude–Sommerfeld.
En 1928/1929, Sommerfeld a voyagé autour du monde avec des arrêts majeurs en Inde, en Chine, au Japon et aux États-Unis.
Sommerfeld était un grand théoricien, et outre ses contributions inestimables à la théorie quantique, il a travaillé dans d'autres domaines de la physique, tels que la théorie classique de l'électromagnétisme. Par exemple, il a proposé une solution au problème d'un dipôle hertzien rayonnant au-dessus d'une terre conductrice, qui au fil des ans a mené à de nombreuses applications. Son identité de Sommerfeld et ses intégrales de Sommerfeld sont toujours, à ce jour, la façon la plus courante de résoudre ce type de problème. De plus, comme preuve du savoir-faire de l'école de physique théorique de Sommerfeld et de l'essor de la physique théorique au début des années 1900, en 1928, près d'un tiers des professeurs ordinaires de physique théorique dans le monde germanique étaient des étudiants de Sommerfeld.
Le 1er avril 1935, Sommerfeld a obtenu le statut d'émérite, cependant, il est resté comme son propre remplacement temporaire pendant le processus de sélection de son successeur, qui a duré jusqu'au 1er décembre 1939. Le processus a été long en raison de différences académiques et politiques entre la sélection de la Faculté de Munich et celle du Reichserziehungsministerium REM ; Ministère de l'Éducation du Reich et les partisans de Deutsche Physik, qui était antisémite et avait un parti pris contre la physique théorique, en particulier la mécanique quantique. La nomination de Wilhelm Müller – qui n'était pas un physicien théoricien, n'avait pas publié dans une revue de physique et n'était pas membre de la Deutsche Physikalische Gesellschaft – comme remplacement de Sommerfeld, a été considérée comme un tel travesti et préjudiciable à l'éducation d'une nouvelle génération de physiciens que Ludwig Prandtl, directeur de l'Institut Kaiser Wilhelm für Strömungsforschung Kaiser Wilhelm Institute for Flow Research, et Carl Ramsauer, directeur de la division de recherche de l'Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft General Electric Company et président de la Deutsche Physikalische Gesellschaft, y ont fait référence dans leur correspondance avec des fonctionnaires du Reich. En pièce jointe à la lettre de Prandtl du 28 avril 1941 au Reichsmarschall Hermann Göring, Prandtl a qualifié la nomination de « sabotage » de l'enseignement de la physique théorique nécessaire. En pièce jointe à la lettre de Ramsauer du 20 janvier 1942 au Ministre du Reich Bernhard Rust, Ramsauer a conclu que la nomination équivalait à la « destruction de la tradition de la physique théorique de Munich ».
Quant aux opinions autrefois patriotiques de Sommerfeld, il a écrit à Einstein peu après l'arrivée au pouvoir d'Hitler : « Je peux vous assurer que l'abus du mot 'national' par nos dirigeants m'a complètement guéri de l'habitude des sentiments nationaux qui était si prononcée dans mon cas. Je serais maintenant disposé à voir l'Allemagne disparaître en tant que puissance et fusionner dans une Europe pacifiée. »
Sommerfeld a reçu de nombreux honneurs au cours de sa vi
