Пауль Петер Эвальд: Жизнь и научный путь

Введение

Немецкий кристаллограф и физик (1888–1985)

Пауль Петер Эвальд, член Королевского общества (FRS)

Образование

Эвальд получил начальное образование в классической гимназии в Берлине и Потсдаме, где он овладел греческим, французским и английским языками, помимо родного немецкого. В зимнем семестре 1905 года Эвальд начал высшее образование по физике, химии и математике в колледже Гонвилл и Кайус при Кембриджском университете. В 1906 и 1907 годах он продолжил обучение в Геттингенском университете, где его интересы сместились в основном в область математики. В то время Геттинген являлся мировым центром математики под руководством трех “мандаринов” Геттингена: Феликса Клейна, Давида Гильберта и Германна Минковского. Во время учебы в Геттингене Эвальд был принят Гильбертом в качестве *Ausarbeiter* – оплачиваемого писца, то есть он делал записи на лекциях Гильберта, которые затем утверждались ассистентом Гильберта, в то время Эрнстом Хелингером, и после этого подготавливал чистый экземпляр для *Lesezimmer* – математической читальни. В 1907 году он продолжил математические исследования в Людвиг-Максимилиановском университете Мюнхена (LMU) под руководством Арнольда Сомерфельда в его Институте теоретической физики. Докторскую степень он получил в 1912 году. Его диссертация была посвящена разработке законов распространения рентгеновских лучей в монокристаллах. После защиты он стал ассистентом Сомерфельда. В течение рождественских каникул 1911 года и в январе 1912 года Эвальд завершал написание своей диссертации. Именно во время прогулки по Английскому саду в Мюнхене, в январе, Эвальд рассказывал Максу фон Лауэ о теме своей работы. Длины волн, которые интересовали Эвальда, лежали в видимой области спектра и, следовательно, были значительно больше расстояния между резонаторами в кристаллической модели Эвальда. Лауэ, казалось, был рассеян и хотел знать, каким будет эффект, если рассматривать гораздо меньшие длины волн. Лишь в июне того же года Эвальд услышал доклад Сомерфельда на заседании Физического общества в Геттингене об успешной дифракции рентгеновских лучей, осуществленной Максом фон Лауэ, Полом Книппингом и Вальтером Фридрихом в LMU, за что Лауэ впоследствии получил Нобелевскую премию по физике в 1914 году. С развитием теоретической физики в начале двадцатого века и ее опорой на математику, Давид Гильберт решил оказать организационную помощь в формализации наук, начиная с физики. В 1912 году Гильберт попросил своего друга и коллегу Арнольда Сомерфельда прислать ему специального ассистента по физике. Сомерфельд отправил Эвальда, которого окрестили “репетитором Гильберта по физике”, и он выполнял эту функцию до 1913 года, когда Сомерфельд отправил другого своего ученика, Альфреда Ланде. Первой задачей, поставленной перед Эвальдом, было изучение противоречий в литературе, касающихся констант упругости в кристаллах, и подготовка отчета. Спустя несколько лет Макс Борн в Геттингене решил эту проблему. Во время пребывания Эвальда в Геттингене он часто посещал пансион “El BoKaReBo”, которым управляла сестра Энни на Дальманштрассе, 17. Название произошло от первых букв фамилий его постояльцев: “El” – Элла Филиппсон (студентка-медик), “Bo” – Макс Борн (приват-доцент) и Ганс Больца (студент-физик), “Ka” – Теодор фон Карман (приват-доцент) и “Re” – Альбрехт Реннер (студент-медик). Рихард Курант, математик и приват-доцент, называл этих людей “внутренним кругом”. Именно здесь Эвальд познакомился с Эллой Филиппсон, которая впоследствии стала его женой. Весной 1913 года Нильс Бор из Института теоретической физики Копенгагенского университета представил свою теорию атомной модели Бора для публикации. Позднее в том же году Эвальд посетил заседание Британской ассоциации в Бирмингеме, где он услышал доклады и обсуждения обзора Джеймса Джинса по теории излучения и модели Бора. Это послужило началом новой области исследований для Сомерфельда и его учеников – изучения и интерпретации атомных спектров и молекулярной спектроскопии, а также теоретического моделирования атомной и молекулярной структуры. Во время Первой мировой войны Эвальд служил в немецкой армии в качестве медицинского техника. Когда у него была возможность, он продолжал размышлять о физике своей диссертации и разработал динамическую теорию дифракции рентгеновских лучей, которую впоследствии использовал в своей *Habilitationsschrift*. По окончании войны он вернулся в LMU в качестве ассистента Сомерфельда. Он завершил свою *Habilitation* в 1917 году и стал там приват-доцентом, оставаясь при этом ассистентом Сомерфельда. В 1921 году, еще работая в LMU, Эвальд опубликовал статью о методе тета-функций для анализа дипольных полей в кристаллах, который был развитием его более ранних работ по динамической теории оптики и рентгеновских лучей в кристаллах, опубликованных в трех научных журналах. По словам Эвальда, толчком к разработке этого метода послужила поездка на лыжах в Миттенвальд на Пасху в 1911 году. Сомерфельд обычно брал своих студентов и ассистентов на лыжные прогулки зимой и на восхождения в горы летом, где обсуждения физики были столь же сложными, как и физические нагрузки. Эвальд испытывал трудности с вычитанием из своих расчетов поля тестового диполя. Решение предоставил ассистент Сомерфельда и его бывший докторский ученик, Петер Дебай, в ходе дискуссии, которая заняла не более 15 минут. Статья Эвальда широко цитируется в литературе и научных книгах, таких как “Динамическая теория решеток кристаллов” Макса Борна и Куна Хуанга.

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.

Карьера

Когда Эрвин Шрёдингер сообщил о своём уходе с поста экстраординарного профессора в Технической высшей школе Штутгарта в Университет Бреслау, Эвальд был приглашён и принял должность в 1921 году. В 1922 году его пригласили в Университет Мюнстера. Эвальд использовал это предложение, чтобы улучшить своё положение в Штутгарте до ординарного профессора; однако, хотя Эвальд был повышен до ординарного профессора, занимаемая должность фактически оставалась экстраординарной. С 1922 года Эрвин Фуес, также бывший докторантом Сомерфельда, проходил аспирантуру в Технической высшей школе Штутгарта под руководством Эвальда; Фуес завершил свою Habilitation в 1924 году. В том же году Эвальд стал соредактором журнала Zeitschrift für Kristallographie. В 1929 году он получил приглашение в Техническую высшую школу Ганновера. Снова он использовал это приглашение, чтобы улучшить своё положение в Штутгарте, договорившись о втором ассистенте, постоянном преобразовании своей должности в ординарную и отдельном здании для своей деятельности. Здание было торжественно открыто в 1930 году как Институт теоретической физики, с Эвальдом в качестве директора. Институт был спроектирован по образцу Института теоретической физики Сомерфельда в Мюнхене, предполагая проведение как теоретических исследований, так и наличие помещений и оборудования для экспериментальных работ. В 1931 году Эвальд был назначен директором отдела естественнонаучных дисциплин. В Гёттингене Рихард Курант взял конспекты лекций Гильберта, доступные в Lesezimmer, отредактировал их и дополнил, чтобы написать двухтомный труд. Первый том, Methoden der mathematischen Physik I, был опубликован в 1924 году. Увидев книгу, Эвальд был вынужден написать подробный обзор, описывая её как предоставляющую математические инструменты, характеризующиеся собственными значениями и собственными функциями, для развивающейся тогда теоретической физики. Книга Куранта и Гильберта случайно содержала математику, необходимую для разработки матричной механики Гейзенберга и Борна, а также волновой механики Шрёдингера, обе представленные в 1925 году. Основным направлением работы Эвальда была рентгеновская кристаллография, и Эвальд дал имя конструкции Эвальда и сфере Эвальда, обоим полезным инструментам в этой области. В 1929 году, чтобы устранить путаницу, вызванную распространением кристаллографических данных, Эвальд предложил пересмотреть и собрать лучшие данные в единую публикацию. Результаты были опубликованы в 1935 году в виде Internationale Tabellen zur Bestimmung von Kristallstrukturen. Другим вкладом Эвальда, опубликованным в 1931 году, был Strukturbericht, том I (1913–1928), отредактированный Эвальдом и К. Германном. В 1932 году Эвальд был избран ректором Штутгарта. Однако из-за растущих трудностей с преподавателями, являвшимися членами Национал-социалистической партии в Германии, он подал в отставку весной 1933 года, за год до истечения срока его полномочий. Эвальд продолжал заниматься другими видами деятельности. Однако из-за растущих проблем с Dozentenbund Вильгельм Шторц, ректор университета, попросил Эвальда уйти. В 1937 году он эмигрировал в Англию вместе со своей матерью, художницей Кларой Эвальд, и занял исследовательскую должность в Кембридже, пока ему не предложили и не приняли должность лектора в Королевском университете Белфаста в 1939 году. Позже он стал профессором математической физики. Ближе к концу Второй мировой войны Сомерфельд организовал свои конспекты лекций и начал писать шеститомный труд «Лекции по теоретической физике». Во время работы в Бруклинском политехническом институте Эвальд написал предисловие к курсу Сомерфельда, которое появилось в английском переводе работы Сомерфельда. Также, к концу Второй мировой войны Эвальд опасался, что мир приведёт к созданию нескольких конкурирующих национальных журналов по кристаллографии. Поэтому в 1944 году в Оксфорде он предложил создать Международный союз кристаллографии (IUCr), который будет нести единоличную ответственность за публикацию исследований в области кристаллографии. В 1946 году он был избран председателем Временного международного кристаллографического комитета на встрече кристаллографов из 13 стран в Лондоне; он занимал эту должность до 1948 года, когда был образован Союз. Комитет также назначил его редактором журнала, издаваемого Союзом. Первый выпуск Acta Crystallographica был опубликован в 1948 году, в том же году, когда Эвальд председательствовал на первой Генеральной ассамблее и Международном конгрессе IUCr, проходившем в Гарвардском университете. В 1952 году Эвальд был избран президентом Американской кристаллографической ассоциации. Он был членом Исполнительного комитета IUCr с момента его основания до 1966 года, вице-президентом в 1957 году и президентом в 1960 году, занимая эту должность до 1963 года. Его редакторская работа в журнале Acta Crystallographica продолжалась с момента его основания в 1948 году до 1959 года. Десять лет спустя после переезда в Белфаст, Эвальд переехал в Соединенные Штаты в 1949 году и занял должность в Бруклинском политехническом институте в качестве профессора и заведующего кафедрой физики. Он ушёл с должности заведующего кафедрой в 1957 году и с преподавательской деятельности в 1959 году.

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.