Se vuoi essere un fisico, devi fare tre cose: prima, studia la matematica, secondo, studia ancora più matematica, e terzo, fai lo stesso.
Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld era un fisico teorico tedesco che ha aperto la strada a sviluppi nella fisica atomica e quantistica, e ha anche educato e mentorizzato molti studenti per la nuova era della fisica teorica. Ha servito come supervisore di dottorato per molti vincitori del Premio Nobel in fisica e chimica; solo il record di mentorship di J. J. Thomson è paragonabile al suo.
Ha introdotto il secondo numero quantico, il numero quantico azimutale, e il terzo numero quantico, il numero quantico magnetico. Ha inoltre introdotto la costante di struttura fine e ha aperto la strada alla teoria ondulatoria dei raggi X.
Primi anni di vita e istruzione
Sommerfeld ha studiato matematica e scienze fisiche presso l'Università Albertina della sua città natale, Königsberg, Prussia Orientale. Il suo consulente di dissertazione era il matematico Ferdinand von Lindemann, e ha anche beneficiato di lezioni dei matematici Adolf Hurwitz e David Hilbert e del fisico Emil Wiechert. La sua partecipazione alla confraternita studentesca Deutsche Burschenschaft ha comportato una cicatrice da duello sul suo volto. Ha ricevuto il suo dottorato il 24 ottobre 1891 all'età di 22 anni.
Dopo aver ricevuto il dottorato, Sommerfeld rimase a Königsberg per lavorare al suo diploma di insegnamento. Ha superato l'esame nazionale nel 1892 e poi ha iniziato un anno di servizio militare, che ha svolto con il reggimento di riserva a Königsberg. Ha completato il servizio militare obbligatorio nel settembre 1893, e per i successivi otto anni ha continuato il servizio militare volontario di otto settimane. Con i suoi baffi rialzati, il suo fisico, il suo portamento prussiano e la cicatrice di scherma sul viso, dava l'impressione di essere un colonnello degli ussari.
Carriera
Göttingen
Nell'ottobre 1893, Sommerfeld andò all'Università di Göttingen, che era il centro della matematica in Germania. Lì divenne assistente di Theodor Liebisch, presso l'Istituto Mineralogico, attraverso un fortunato contatto personale – Liebisch era stato un professore all'Università di Königsberg e un amico della famiglia Sommerfeld.
Nel settembre 1894, Sommerfeld divenne assistente di Felix Klein, il che includeva prendere note complete durante le lezioni di Klein e scriverle per la Sala di Lettura di Matematica, nonché gestire la sala di lettura. L'Habilitationsschrift di Sommerfeld è stata completata sotto Klein nel 1895, il che ha permesso a Sommerfeld di diventare un Privatdozent a Göttingen. Come Privatdozent, Sommerfeld ha tenuto lezioni su un'ampia gamma di argomenti di matematica e fisica matematica. Le sue lezioni su equazioni differenziali parziali sono state offerte per la prima volta a Göttingen e si sono evolute nel corso della sua carriera didattica per diventare il Volume VI della sua serie di libri di testo Lectures on Theoretical Physics, intitolato Partial Differential Equations in Physics.
Le lezioni di Klein nel 1895 e 1896 sui corpi rotanti hanno portato Klein e Sommerfeld a scrivere un testo in quattro volumi Die Theorie des Kreisels – una collaborazione di 13 anni, 1897–1910. I primi due volumi riguardavano la teoria, e gli ultimi due le applicazioni in geofisica, astronomia e tecnologia. L'associazione che Sommerfeld aveva con Klein ha influenzato la mentalità di Sommerfeld verso la matematica applicata e l'arte della didattica.
Mentre era a Göttingen, Sommerfeld ha incontrato Johanna Höpfner, figlia di Ernst Höpfner, curatore a Göttingen. Nell'ottobre 1897 Sommerfeld ha iniziato l'incarico presso la Cattedra di Matematica presso la Bergakademie in Clausthal-Zellerfeld; era successore di Wilhelm Wien. Questo incarico forniva sufficienti entrate per potersi finalmente sposare con Johanna.
Su richiesta di Klein, Sommerfeld ha assunto il ruolo di redattore del Volume V di Enzyklopädie der mathematischen Wissenschaften; è stata un'impresa importante che è durata dal 1898 al 1926.
Aquisgrana
Nel 1900, Sommerfeld ha iniziato il suo incarico presso la Cattedra di Meccanica Applicata presso la Königliche Technische Hochschule Aachen, successivamente RWTH Aachen University come professore extraordinarius, il che è stato organizzato attraverso gli sforzi di Klein. Ad Aquisgrana, ha sviluppato la teoria dell'idrodinamica, che avrebbe mantenuto il suo interesse per molto tempo. In seguito, all'Università di Monaco, gli studenti di Sommerfeld Ludwig Hopf e Werner Heisenberg avrebbero scritto le loro tesi di dottorato su questo argomento.
Monaco
Dal 1906 Sommerfeld si è affermato come professore ordinarius di fisica e direttore del nuovo Theoretical Physics Institute presso l'Università di Monaco. È stato selezionato per queste posizioni da Wilhelm Röntgen, Direttore dell'Istituto di Fisica a Monaco, il che è stato considerato da Sommerfeld come essere chiamato a una "sfera privilegiata d'azione".
Fino alla fine del XIX secolo e all'inizio del XX secolo, la fisica sperimentale in Germania era considerata come avente uno status più elevato all'interno della comunità. Tuttavia, nel primo decennio del XX secolo, teorici, come Sommerfeld a Monaco e Max Born all'Università di Göttingen, con la loro prima formazione in matematica, hanno capovolto la situazione in modo che la fisica matematica, cioè la fisica teorica, diventasse il motore primo, e la fisica sperimentale fosse usata per verificare o avanzare la teoria. Dopo aver ottenuto i loro dottorati con Sommerfeld, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg e Walter Heitler divennero assistenti di Born e diedero contributi significativi allo sviluppo della meccanica quantistica, che era allora in sviluppo molto rapido.
Nel corso dei suoi 32 anni di insegnamento a Monaco, Sommerfeld ha insegnato corsi generali e specializzati, nonché tenuto seminari e colloquia. I corsi generali erano su meccanica, meccanica dei corpi deformabili, elettrodinamica, ottica, termodinamica e meccanica statistica, ed equazioni differenziali parziali in fisica. Erano tenuti quattro ore alla settimana, 13 settimane in inverno e 11 settimane in estate, e erano per studenti che avevano seguito corsi di fisica sperimentale da Röntgen e in seguito da Wilhelm Wien. C'era anche una presentazione settimanale di due ore per la discussione di problemi. I corsi specializzati erano di interesse attuale e basati su interessi di ricerca di Sommerfeld; il materiale di questi corsi è apparso successivamente nelle pubblicazioni della letteratura scientifica di Sommerfeld. L'obiettivo di queste lezioni speciali era affrontare le questioni attuali nella fisica teorica e per Sommerfeld e gli studenti per acquisire una comprensione sistematica della questione, indipendentemente dal fatto che avessero o meno successo nel risolvere il problema posto dalla questione attuale. Per i periodi di seminario e colloquium, agli studenti sono stati assegnati articoli della letteratura attuale e hanno poi preparato una presentazione orale. Dal 1942 al 1951, Sommerfeld ha lavorato per mettere in ordine i suoi appunti delle lezioni per la pubblicazione. Sono stati pubblicati come i sei volumi di Lectures on Theoretical Physics.
Per un elenco di studenti, si prega di consultare l'elenco organizzato per tipo. Quattro dei dottorandi di Sommerfeld, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Peter Debye e Hans Bethe, hanno vinto il Premio Nobel, mentre altri, in particolare, 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 e Léon Brillouin divennero famosi nel loro diritto. Tre dei postdottorati di Sommerfeld, Linus Pauling, Isidor I. Rabi e Max von Laue, vinsero il Premio Nobel, e altri dieci, William Allis, Edward Condon, Carl Eckart, Edwin C. Kemble, William V. Houston, Karl Herzfeld, Walther Kossel, Philip M. Morse, Howard Robertson e Wojciech Rubinowicz divennero famosi nel loro diritto. Walter Rogowski, uno studente universitario di Sommerfeld presso RWTH Aachen, è diventato anch'egli famoso nel suo diritto. Max Born credeva che le abilità di Sommerfeld includessero la "scoperta e sviluppo di talenti". Albert Einstein ha detto a Sommerfeld: "Ciò che ammiro particolarmente di te è che hai, per così dire, scavato dal suolo un numero così grande di giovani talenti". Lo stile di Sommerfeld come professore e direttore dell'istituto non ha messo distanza tra lui e i suoi colleghi e studenti. Ha invitato la collaborazione da parte loro, e le loro idee hanno spesso influenzato i suoi stessi punti di vista sulla fisica. Li ha intrattenuti nella sua casa e li ha incontrati nei caffè prima e dopo i seminari e i colloquia. Sommerfeld possedeva una baita alpina alle quali gli studenti venivano spesso invitati per discussioni di fisica tanto impegnative quanto lo sport.
Mentre era a Monaco, Sommerfeld è venuto a contatto con la teoria speciale della relatività di Albert Einstein, che non era ancora ampiamente accettata in quel momento. I suoi contributi matematici alla teoria hanno aiutato la sua accettazione dagli scettici. Nel 1914 ha lavorato con Léon Brillouin sulla propagazione di onde elettromagnetiche in mezzi dispersivi. È diventato uno dei fondatori della meccanica quantistica; alcuni dei suoi contributi includevano la co-scoperta delle regole di quantizzazione Sommerfeld–Wilson 1915, una generalizzazione del modello atomico di Bohr, l'introduzione della costante di struttura fine di Sommerfeld 1916, la co-scoperta con Walther Kossel della legge di spostamento Sommerfeld–Kossel 1919, e la pubblicazione di Atombau und Spektrallinien 1919, che divenne la "bibbia" della teoria atomica per la nuova generazione di fisici che svilupparono la fisica atomica e quantistica.
Nel 1918, Sommerfeld ha succeduto a Einstein come presidente della Deutsche Physikalische Gesellschaft DPG. Uno dei suoi successi è stata la fondazione di una nuova rivista. Gli articoli scientifici pubblicati nei giornali DPG divennero così voluminosi, una commissione della DPG nel 1919 raccomandò l'istituzione di Zeitschrift für Physik per la pubblicazione di articoli di ricerca originali, che iniziò nel 1920. Poiché qualsiasi scienziato rispettabile poteva far pubblicare i suoi articoli senza revisione, il tempo tra la presentazione e la pubblicazione era molto rapido – veloce come due settimane. Questo ha stimolato notevolmente gli sviluppi teorici scientifici, in particolare quello della meccanica quantistica in Germania in quel momento, poiché questo giornale era il veicolo di pubblicazione preferito per la nuova generazione di teorici quantistici con punti di vista d'avanguardia.
Nel semestre invernale 1922/1923, Sommerfeld ha tenuto le lezioni Carl Schurz Memorial Professor of Physics presso l'Università del Wisconsin–Madison.
Nel 1927 Sommerfeld ha applicato le statistiche di Fermi–Dirac al modello di Drude degli elettroni nei metalli – un modello proposto da Paul Drude. La nuova teoria ha risolto molti dei problemi nel predire le proprietà termiche che il modello originale aveva e divenne nota come il modello di Drude–Sommerfeld.
Nel 1928/1929, Sommerfeld ha viaggiato intorno al mondo con soste principali in India, Cina, Giappone e negli Stati Uniti.
Sommerfeld era un grande teorico, e oltre ai suoi contributi inestimabili alla teoria quantistica, ha lavorato in altri campi della fisica, come la teoria classica dell'elettromagnetismo. Ad esempio, ha proposto una soluzione al problema di un dipolo hertziano radiante su una terra conduttrice, che nel corso degli anni ha portato a molte applicazioni. La sua identità di Sommerfeld e gli integrali di Sommerfeld sono ancora oggi il modo più comune per risolvere questo tipo di problema. Inoltre, come segno della perizia della scuola di fisica teorica di Sommerfeld e dell'ascesa della fisica teorica nei primi anni 1900, nel 1928, quasi un terzo dei professori ordinarius di fisica teorica nel mondo di lingua tedesca erano studenti di Sommerfeld.
Il 1 aprile 1935 Sommerfeld ha raggiunto lo status di emerito, tuttavia è rimasto come suo sostituto temporaneo durante il processo di selezione del suo successore, che ha richiesto fino al 1 dicembre 1939. Il processo è stato lungo a causa di differenze accademiche e politiche tra la selezione della Facoltà di Monaco e quella sia del Reichserziehungsministerium REM; Ministero dell'Istruzione del Reich sia dei sostenitori della Deutsche Physik, che era antisemita e aveva un pregiudizio contro la fisica teorica, in particolare la meccanica quantistica. La nomina di Wilhelm Müller – che non era un fisico teorico, non aveva pubblicato in una rivista di fisica e non era membro della Deutsche Physikalische Gesellschaft – come sostituto di Sommerfeld, era considerata tale travaglio e dannosa per educare una nuova generazione di fisici che sia Ludwig Prandtl, direttore del Kaiser Wilhelm Institut für Strömungsforschung Kaiser Wilhelm Institute for Flow Research, che Carl Ramsauer, direttore della divisione di ricerca della Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft General Electric Company e presidente della Deutsche Physikalische Gesellschaft, hanno fatto riferimento a questo nella loro corrispondenza con funzionari del Reich. In un allegato alla lettera del 28 aprile 1941 di Prandtl al Reichsmaresciallo Hermann Göring, Prandtl ha fatto riferimento alla nomina come "sabotaggio" dell'insegnamento di fisica teorica necessaria. In un allegato alla lettera del 20 gennaio 1942 di Ramsauer al Ministro del Reich Bernhard Rust, Ramsauer ha concluso che la nomina ammontava alla "distruzione della tradizione di fisica teorica di Monaco".
Per quanto riguarda i una volta patriottici punti di vista di Sommerfeld, ha scritto a Einstein poco dopo che Hitler ha preso il potere: "Posso assicurarti che l'abuso della parola 'nazionale' dai nostri governanti mi ha completamente rotto dall'abitudine dei sentimenti nazionali che era così pronunciato nel mio caso. Sarei ora disposto a vedere la Germania scomparire come potenza e fondersi in un'Europa pacificata."
Sommerfeld è stato insignito di molti onori nella sua vi
