Пауль Петер Эвальд: өмірі мен ғылыми еңбектері

Кіріспе

Неміс кристаллографы және физигі (1888–1985)

Пол Питер Эвальд, ФРС

Білім

Эвальд классикалық білімді Берлин мен Потсдамдағы гимназияда алды, онда ол грек, француз және ағылшын тілдерін, сондай-ақ туған неміс тілін үйренді. 1905 жылдың қысында Эвальд физика, химия және математикадан жоғары білімін Кембридждегі Гонвилл және Каиус колледжінде бастады. 1906 және 1907 жылдары ол өзінің ресми білімін Геттинген университетінде жалғастырды, онда оның қызығушылығы негізінен математикаға бағытталды. Сол кезде Геттинген Геттингеннің үш "Мандарині" – Феликс Клейн, Давид Гильберт және Герман Минковский басқаруымен математиканың әлемдік деңгейдегі орталығы болды. Геттингенде оқып жүргенде, Эвальд Гильбертпен аусработер ретінде жұмыс істеді, яғни ол жазушы ретінде ақылы лауазымға ие болды, атап айтқанда, ол Гильберттің сабақтарында жазбалар жасайтын, жазбаларды Гильберттің көмекшісі – сол кездегі Эрнст Хелингер – бекітетін, содан кейін Lesezimmer – математика оқу залына таза көшірме дайындаған. 1907 жылы ол математикалық оқуын Мюнхеннің Людвиг Максимилиан университетінде (ЛМУ) Арнольд Сомерфельдтің Теориялық физика институтында жалғастырды. 1912 жылы докторлық дәрежесін алды. Докторлық диссертациясында бір кристалдағы рентген сәулелерінің таралу заңдылықтарын әзірледі. Докторлық дәрежесін алғаннан кейін, ол Сомерфельдтің көмекшісі болды. 1911 жылғы Рождество демалысы кезінде және 1912 жылдың қаңтар айында Эвальд докторлық диссертациясын жазып аяқтады. Бұл қаңтар айында Мюнхендегі "Ағылшын бағы" арқылы серуендеген кезде болды, Эвальд Макс фон Лауэге өзінің диссертация тақырыбы туралы айтып берді. Эвальд үшін маңызды толқын ұзындығы спектрдің көрінетін аймағында болды, сондықтан Эвальдтың кристалл моделіндегі резонаторлардың арақашықтығынан әлдеқайда үлкен. Лауэ алаңдаушылыққа ұшырап, әлдеқайда кіші толқын ұзындығы қарастырылса, қандай әсер болатынын білгісі келді. Сол жылдың маусым айында ғана Эвальд Геттингендегі Физикалық қоғамда Сомерфельдтің Макс фон Лауэ, Пол Книппинг және Вальтер Фридрихтің ЛМУ-дағы рентген сәулелерін сәтті дифракциялау туралы баяндамасын естіді, ол үшін Лауэге 1914 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығы берілді. Теориялық физиканың XX ғасырдың басында пайда болуымен және оның математикаға негізделуімен Давид Гильберт физикадан бастап ғылымдарды ресмилендіруге ұйымдастырушы қолды беруге шешім қабылдады. 1912 жылы Гильберт өзінің досы және әріптесі Арнольд Сомерфельдтен өзіне физика бойынша арнайы көмекші жіберуін сұрады. Сомерфельд Эвальдты жіберді, оны "Гильберттің физика бойынша оқытушысы" деп атады, ол бұл қызметті 1913 жылға дейін атқарды, содан кейін Сомерфельд өзінің тағы бір шәкірті Альфред Ландені жіберді. Эвальдқа берілген алғашқы міндет – кристаллдардағы серпімділік тұрақтылары туралы әдебиеттегі дауды қайта қарау және оған жауап беру. Бірнеше жылдан кейін Геттингендегі Макс Борн бұл мәселені шешті. Геттингенде болған кезінде Эвальд Дальманштрассе 17-дегі Эль БоКаРеБо пансионатына жиі баратын. Атауы оның борттарындағы адамдардың тегі-жөніне енген: Элла Филиппсонның (медицина студенті) Эл, Макс Борнның (приватдоцент) және Ханс Болзаның (физика студенті) Бо, Теодор фон Карманның (приватдоцент) Ка және Альбрехт Реннердің (медицина студенті) Ре. Рихард Курант, математик және Приватдоцент, осы адамдарды "ішкі топ" деп атады. Бұл жерде Эвальд болашақ әйелі Элла Филиппсонмен танысты. 1913 жылдың көктемінде Копенгаген университетінің Теориялық физика институтының Нильс Бор өзінің теориясын жариялауға ұсынды. Сол жылы Эвальд Британдық қауымдастықтың Бирмингем кездесуіне қатысып, Джеймс Джинстің сәулелену теориясы мен Бордың моделі туралы пікірлерін тыңдады. Бұл Сомерфельд пен оның студенттері үшін зерттеудің жаңа үлкен саласын қоздырды – атомдық спектрлерді және молекулалық жолақты спектроскопияны зерттеу және түсіндіру және атомдық және молекулалық құрылымның теориялық модельдеуі. Бірінші дүниежүзілік соғыста Эвальд Германия әскерінде дәрігер болып қызмет етті. Мүмкіндігінше докторлық диссертациясының физикасы туралы ойлануды жалғастырды және рентген сәулелерінің дифракциясының динамикалық теориясын жасады, оны кейіннен Habilitationsschrift-те қолданды. Соғыс аяқталғаннан кейін ол ЛМУ-ға Сомерфельдтің көмекшісі ретінде оралды. Ол 1917 жылы Habilitation-ті аяқтады және Сомерфельдтің көмекшісі болып қалған кезде, ол жерде Privatdozent болды. 1921 жылы ЛМУ-да оқып жүргенде, Эвальд кристаллдардағы дипольдық өрістерді талдаудың тета функциясы әдісі туралы мақала жариялады, бұл оның оптика және кристаллдардағы рентген сәулелерінің динамикалық теориясы бойынша бұрынғы жұмысынан туындаған. Эвальдқа сәйкес, әдіс 1911 жылы наурызда Миттенвальдтағы шаңғы демалысы кезінде пайда болды. Сомерфельдтің студенттері мен көмекшілерін қыста шаңғы тебуге, ал жазда тауға шығуға алып жүру әдеті болған, онда физикалық талқылаулар сапардың физикалық қиындығындай болған. Эвальд есептеулерінен сынамалық дипольдің өрісін шығарып алуда қиындыққа тап болды. Шешімін Сомерфельдтің көмекшісі және бұрынғы докторлық студенті Петер Дебай 15 минуттан аспайтын талқылауда берді. Эвальдтың мақаласы әдебиетте және ғылыми кітаптарда, мысалы Макс Борн мен Кун Хуангтың "Кристаллдық торлардың динамикалық теориясы" кітабында кеңінен сілтеме жасалған.

Ewald received his early education in the classics at the Gymnasium in Berlin and Potsdam, where he learned to speak Greek, French, and English, in addition to his native German. Ewald began his higher education in physics, chemistry, and mathematics at Gonville and Caius College in Cambridge, during the winter of 1905. In 1906 and 1907, he continued his formal education at the University of Göttingen, where his interests turned primarily to mathematics. At that time, Göttingen was a world class center of mathematics under the three “Mandarins” of Göttingen: Felix Klein, David Hilbert, and Hermann Minkowski. While studying at Göttingen, Ewald was taken on by Hilbert as an Ausarbeiter, a paid position as a scribe, i. e. he would take notes in Hilbert’s classes, have the notes approved by Hilbert’s assistant — at that time, Ernst Hellinger — and then prepare a clean copy for the Lesezimmer — the mathematics reading room. In 1907, he continued his mathematical studies at the Ludwig Maximilian University of Munich (LMU), under Arnold Sommerfeld at his Institute for Theoretical Physics. He was granted his doctorate in 1912. His doctoral thesis developed the laws of propagation of X rays in single crystals. After earning his doctorate, he was an assistant to Sommerfeld. During the 1911 Christmas recess and in January 1912, Ewald was finishing the writing of his doctoral thesis. It was on a walk through Englischer Garten in Munich, in January, that Ewald was telling Max von Laue about his thesis topic. The wavelengths of concern to Ewald were in the visible region of the spectrum and hence much larger than the spacing between the resonators in Ewald’s crystal model. Laue seemed distracted and wanted to know what would be the effect if much smaller wavelengths were considered. It was not until June of that year that Ewald heard Sommerfeld report to the Physikalische Gesellschaft of Göttingen on the successful diffraction of X rays by Max von Laue, Paul Knipping and Walter Friedrich at LMU, for which Laue would be awarded the Nobel Prize in Physics, in 1914. With the rise of theoretical physics in the early part of the twentieth century and its foundation in mathematics, David Hilbert decided to lend an organizing hand to formalizing the sciences, starting with physics. In 1912, Hilbert asked his friend and colleague Arnold Sommerfeld to send him a special assistant for physics. Sommerfeld sent Ewald, who was dubbed as “Hilbert’s tutor for physics”, and he performed this function until 1913, when Sommerfeld sent another one of his students, Alfred Landé. The first problem assigned to Ewald was to review the controversy in the literature on the constants of elasticity in crystals and report back. A few years later, Max Born, at Göttingen, solved the problem. During Ewald’s stay in Göttingen, he was often a visitor at El BoKaReBo, a boarding house run by Sister Annie at Dahlmannstrasse 17. The name was derived from the first letters of the last names of its boarders: “El” for Ella Philippson (a medical student), “Bo” for Max Born (a Privatdozent) and Hans Bolza (a physics student), “Ka” for Theodore von Kármán (a Privatdozent), and “Re” for Albrecht Renner (a medical student). Richard Courant, a mathematician and Privatdozent, called these people the “in group”. It was here that Ewald met Ella Philippson, who was to become his wife. In the spring of 1913, Niels Bohr, of the Institute for Theoretical Physics at the University of Copenhagen, submitted his theory of the Bohr atomic model for publication. Later that year, Ewald attended the Birmingham meeting of the British Association where he heard accounts and discussions of James Jeans’ review on radiation theory and Bohr’s model. This ignited a major new area of research for Sommerfeld and his students — the study and interpretation of atomic spectra and molecular band spectroscopy and theoretical modeling of atomic and molecular structure. During World War I, Ewald served in the German military as a medical technician. When he could, he continued to think about the physics of his doctoral thesis, and he developed the dynamical theory of X ray diffraction, which he was later to use in his Habilitationsschrift. At the conclusion of the war, he returned to LMU as an assistant to Sommerfeld. He completed his Habilitation in 1917, and became a Privatdozent there, while remaining as an assistant to Sommerfeld. In 1921, while still at LMU, Ewald published a paper on the theta function method of analyzing dipole fields in crystals, an offshoot from his earlier work on the dynamical theory of optics and X rays in crystals, which appeared in three journal publications. According to Ewald, the impetus for the method came from a skiing holiday in Mittenwald, at Easter, in 1911. It was Sommerfeld’s practice to take his students and assistants on skiing outings in the winter and mountain climbing outings in the summer, where the discussions of physics were as hard as the physical exertion of the outings. Ewald, was having trouble subtracting out of his calculations the field of the test dipole. The solution was provided by Sommerfeld’s assistant and former doctoral student, Peter Debye, in a discussion that took no more than 15 minutes. Ewald’s paper has been widely cited in the literature as well as scientific books, such as Dynamical Theory of Crystal Lattices, by Max Born and Kun Huang.

Мансап

Эрвин Шредингер Штутгарттың техникалық жоғары мектебіндегі экстраординар профессорлық лауазымын тастап, Бреслау университетіне баратынын білдіргенде, Эвальд шақырылды және 1921 жылы осы лауазымды қабылдады. 1922 жылы ол Мюнстер университетіне шақырылды. Эвальд бұл мүмкіндікті Штутгарттағы ординар профессорлық лауазымын жақсарту үшін пайдаланды; алайда, Эвальд ординар профессор болып тағайындалғанмен, бұрынғы лауазым экстраординар профессорлық ретінде сақталды. 1922 жылдан бастап, Сомерфельдтің бұрынғы докторанты Эрвин Фуес Эвальдтың жетекшілігімен Штутгарт техникалық жоғары мектебінде аспирантуралық зерттеулер жүргізді; Фуес 1924 жылы Habilitation қорғады. Сол жылы Эвальд «Zeitschrift für Kristallographie» журналының қосымша редакторы болды. 1929 жылы ол Ганновердегі техникалық жоғары мектепке шақырылды. Ол бұл шақыруды Штутгарттағы лауазымын жақсарту үшін пайдаланды, екінші ассистенттік қызмет, лауазымын ординар профессорлыққа тұрақты түрде ауыстыру және жеке ғимарат сұрады. Ғимарат 1930 жылы теориялық физика институты ретінде ресми түрде ашылды, Эвальд директоры болып тағайындалды. Институт Мюнхендегі Сомерфельдтің теориялық физика институатының үлгісімен құрылды, теориялық және тәжірибелік жұмыстар үшін жабдықталған зертханалармен жабдықталды. 1931 жылы Эвальд физика ғылымдары бөлімінің директоры болып тағайындалды. Геттингенде Ричард Курант Лесзалда қолжетімді болған Гилберттің лекциялық жазбаларын алып, оларды өңдеп, екі томдық еңбек жазды. Бірінші том, «Методен дер математический Физик I», 1924 жылы жарияланды. Кітапты көрген Эвальд, оны математикалық құралдар жинағы ретінде сипаттап, нақты мәндер мен өзіндік функциялармен сипатталатын, дамып келе жатқан теориялық физика үшін қажетті деп бағалап, егжей-тегжейлі шолу жазды. Курант-Гилберт кітабында Гейзенберг-Борнның матрицалық механикасы және Шредингердің толқындық механикасы үшін қажетті математикалық негіздер болды, екеуі де 1925 жылы ұсынылды. Эвальдтың жұмысының басты бағыты рентгендік кристаллография болды, ал Эвальд осы саладағы маңызды құралдар – Эвальд құрылымы мен Эвальд сферасының авторы атанды. 1929 жылы кристаллографиялық деректердің көптігінен туындаған шатастықты жою үшін Эвальд ең жақсы деректерді бір жинақта жинап, шолу жасауды ұсынды. Нәтижелері 1935 жылы «Internationale Tabellen zur Bestimmung von Kristallstrukturen» деген атпен жарияланды. Эвальдтың тағы бір еңбегі, 1931 жылы жарық көрген «Структурный репортаж I» (1913–1928) томдарын Эвальд пен К. Герман редакциялады. 1932 жылы Эвальд Штутгарттың ректоры болып сайланды. Алайда, Германиядағы ұлттық социалистердің мүшелері болған профессорлық-оқытушылық құраммен туындаған қиындықтардың күшеюіне байланысты ол 1933 жылдың көктемінде, мерзімі аяқталмас бұрын бір жыл қалғанда, лауазымынан кетті. Эвальд басқа да істерін жалғастырды. Бірақ, Дозентенбундпен туындаған мәселелерге байланысты, университет ректоры Вильгельм Шторц Эвальдтан кетуін сұрады. Ол 1937 жылы анасы Клара Эвальдпен бірге Англияға эмиграциялап, Кембриджде ғылыми зерттеулермен айналысты, 1939 жылы Белфасттағы Королева университетінде оқытушы болып жұмыс істеді. Кейін математикалық физика профессоры болды. Екінші дүниежүзілік соғыс аяқталар алдында Сомерфельд лекциялық жазбаларын жинап, теориялық физика бойынша алты томдық лекциялар жинағын жазуға кірісті. Бруклиндегі политехникалық институтта жұмыс істегенде Эвальд Сомерфельдтің еңбегінің ағылшын тіліне аудармасының алғы сөзін жазды. Соғыстың соңында Эвальд бейбіт кезеңде кристаллография бойынша көптеген ұлттық журналдардың құрылуынан қаушады. Сондықтан 1944 жылы Оксфордта ол Халықаралық кристаллографиялық одақты (IUCr) құруды ұсынды, ол кристаллографиялық зерттеулерді жариялау үшін толық жауапкершілікті қолына алды. 1946 жылы ол 13 елден келген кристаллографтардың Лондондағы кездесуінде Уақытша халықаралық кристаллографиялық комитетінің төрағасы болып сайланды және 1948 жылға дейін осы қызметте болды, содан кейін Одақ құрылды. Комитет оны Одақ жариялайтын журналдың редакторы етіп тағайындады. «Acta Crystallographica» журналының алғашқы саны 1948 жылы жарық көрді, сол жылы Эвальд Гарвард университетінде өткен IUCr-дің бірінші Бас ассамблеясы мен Халықаралық конгресін басқарды. 1952 жылы Эвальд Америка кристаллографиялық қауымдастығының президенті болып сайланды. Ол IUCr Атқару комитетінде құрылғаннан бастап 1966 жылға дейін жұмыс істеді, 1957 жылы вице-президент, ал 1960 жылы президент болып сайланды, осы лауазымда 1963 жылға дейін қызмет етті. Оның «Acta Crystallographica» журналының редакторы қызметі 1948 жылдан 1959 жылға дейін жалғасты. Белфастқа көшкеннен кейін он жыл өткен соң, Эвальд 1949 жылы АҚШ-қа көшіп, Бруклин политехникалық институтында профессор және физика кафедрасының меңгерушісі болып жұмыс істеді. 1957 жылы кафедра меңгерушісі қызметінен, ал 1959 жылы оқытушылық қызметтен зейнетке шықты.

When Erwin Schrödinger let it be known that he was leaving his position as extraordinarius professor at the Technische Hochschule Stuttgart to go to the University of Breslau, Ewald was called and accepted the position in 1921. In 1922, he was called to the University of Münster. Ewald used the offer to better his position at Stuttgart to ordinarius professor; however, while Ewald was promoted to ordinarius professor, the established position was actually retained as an extraordinarius professorship. From 1922, Erwin Fues, also a former doctoral student of Sommerfeld, did postgraduate work at the Stuttgart Technische Hochschule under Ewald; Fues completed his Habilitation in 1924. Also in that year, Ewald became co editor of Zeitschrift für Kristallographie. In 1929, he received a call to the Technische Hochschule Hanover. Again, he used this call to better his position at Stuttgart by negotiating for a second assistant, the permanent conversion of his position to that of ordinarius professor, and a separate building for his activities. The building was formally opened in 1930 as the Institute for Theoretical Physics, with Ewald as director. The institute was modeled after Sommerfeld’s Institute for Theoretical Physics at Munich, in that it would conduct theoretical work as well as have space and equipment for experimental work. In 1931, Ewald was appointed director of the physical science division. At Göttingen, Richard Courant had taken Hilbert’s lecture notes which were available in the Lesezimmer, edited them and added to them to write a two volume work. The first volume, Methoden der mathematischen Physik I, was published in 1924. Upon seeing the book, Ewald was compelled to write a detailed review describing it as providing mathematical tools, characterized by eigenvalues and eigenfunctions, for the theoretical physics then being developed. The Courant Hilbert book fortuitously contained the mathematics necessary for the development of the Heisenberg Born matrix mechanics formulation of quantum mechanics and also for Schrödinger’s wave mechanics formulation, both put forward in 1925. The main thrust of Ewald’s work was X ray crystallography, and Ewald was the eponym of Ewald construction and the Ewald sphere, both useful constructs in that field. In 1929, in order to remove confusion from the proliferation of crystallographic data, Ewald proposed review and collection of the best data into a single publication. The results were published in 1935 as the Internationale Tabellen zur Bestimmung von Kristallstrukturen. Another contribution by Ewald, published in 1931, Strukturbericht Volume I (1913 1928) was edited by Ewald and C. Hermann. Ewald was elected Rector at Stuttgart in 1932. However, due to increasing difficulties with faculty who were members of National Socialism in Germany, he resigned his position in the spring of 1933, one year before his term was due to expire. Ewald continued with his other activities. However, over increasing problems with the Dozentenbund, Wilhelm Stortz, University Rector, asked Ewald to leave. He emigrated to England in 1937 along with his mother, the painter Clara Ewald, and took a research position in Cambridge, until he was offered and accepted a lectureship at Queen's University Belfast in 1939. He later became a professor of mathematical physics. Near the end of World War II, Sommerfeld organized his lecture notes and began writing the six volume Lectures on Theoretical Physics. While at the Polytechnic Institute of Brooklyn, Ewald wrote a Foreword to Sommerfeld’s Course, which appeared in the English translation of Sommerfeld’s work. Also, toward the end of World War II, Ewald was concerned that peace would result in the establishment of multiple, competing national journals of crystallography. So, in 1944, at Oxford, he proposed the establishment of an International Union of Crystallography (IUCr) that would have sole responsibility for publishing crystallographic research. In 1946, he was elected chairman of the Provisional International Crystallographic Committee, in a London meeting of crystallographers, from 13 countries; he served in this capacity until 1948, when the Union was formed. The Committee also nominated him Editor of the journal to be published by the Union. The first issue of Acta Crystallographica was published in 1948, the same year that Ewald chaired the first General Assembly and International Congress of the IUCr, which was held at Harvard University. In 1952, Ewald was elected president of the American Crystallographic Association. He served on the IUCr Executive Committee from its foundation until 1966, and he was its Vice President in 1957 and President in 1960, a position he held until 1963. His editorship of its journal Acta Crystallographica extended from its inception in 1948 to 1959. A decade after moving to Belfast, Ewald moved to the United States in 1949 and took a position at the Polytechnic Institute of Brooklyn, as a professor and head of the physics department. He retired as head of the department in 1957 and from teaching in 1959.