Paul Ehrenfest

Paul Ehrenfest (født 18. januar 1880, død 25. september 1933) var en østerriksk-nederlandsk teoretisk fysiker som ga avgjørende bidrag til statistisk mekanikk og teorien om faseoverganger samt Ehrenfests teorem i kvantemekanikken.

For ettertiden er Ehrenfest også kjent for sitt virke som veileder av studenter og for sitt vennskap og nære kontakt med Albert Einstein og Niels Bohr.

Biografi 
Ehrenfest ble født og vokste opp i en jødisk familie i Wien, opprinnelig fra landsbyen Loštice i Mähren. Hans foreldre, Sigmund Ehrenfest og Johanna Jellinek, drev en dagligvareforretning. Til tross for at familien ikke var spesielt religiøs studerte Paul hebraisk og jødisk historie. Senere i livet understreket han alltid sine jødiske røtter. Ehrenfest utmerket seg i grunnskolen men gjorde det ikke bra i Akademisches Gymnasium (et gymnas i Wien), hans beste fag var matematikk. Etter å ha blitt overflyttet til Franz Josef Gymnasium, ble hans karakterer bedre og avla avsluttende eksamen i 1899.

Han studerte deretter og avla eksamen i kjemi ved Technische Hochschule (dagens Technische Universität Wien), men tok samtidig kurs ved Universitetet i Wien, særlig fra Ludwig Boltzmann om hans kinetiske teori og termodynamikk. Disse forelesningene hadde en stor innflytelse og ble avgjørende i å stimulere Ehrenfests interesse for teoretisk fysikk, definere hans hovedområde for forskning og var et eksempel på inspirert undervisning. På den tiden var det i den tyskspråklige verden vanlig at man studerte ved mer enn ett universitet og i 1901 fortsatte Ehrenfest sine studier ved Georg-August-Universität Göttingen som på den tiden var et senter for matematikk og teoretisk fysikk. 

I Göttingen møtte han sin fremtidige hustru Tatjana Afanasjeva, en ung matematiker født i Kiev, på den tiden hovedstad i  Guvernementet Kiev i Det russiske keiserdømmet, og utdannet i St. Petersburg. Våren 1903 møtte han Hendrik Antoon Lorentz under en kort reise til Leiden. I mellomtiden forberedte han sin doktorgradsavhandling, Faste stoffers bevegelse i væsker og Hertz' mekanikk (tysk: Die Bewegung starrer Körper in Flüssigkeiten und die Mechanik von Hertz). Den 23. juni 1904 mottok han sin doktorgrad i Wien, hvor han oppholdt seg fra 1904 til 1906 og blant annet førte diskusjoner med Lise Meitner.

Den 21. desember 1904 giftet han seg med Tatjana Afanasjeva, og hun bisto han i arbeidet. De fikk to døtre og to sønner: Tatyana ('Tanja' (1905–1984), også matematiker; Galinka ('Galja') (1910–1979), hun ble forfatter og illustratør av barnebøker; Paul, Jr. ('Pavlik') (1915–1939), også fysiker; og Vassily ('Wassik') (1918–1933).

Familien Ehrenfest vendte tilbake til Göttingen i september 1906, samme måned begikk Boltzmann selvmord. Ehrenfest publiserte en omfattende nekrolog hvor Boltzmanns bidrag ble beskrevet. 
Felix Klein, doyen blant matematikerne i Göttingen og sjefredaktør av fagtidsskriftet Enzyklopädie der mathematischen Wissenschaften hadde regnet med Boltzmann for en oversikt over statistisk mekanikk. Etter Boltzmanns selvmord ba han Ehrenfest om å ta på seg oppgaven. Sammen med sin hustru arbeidet Ehrenfest med oversikten i flere år, den ble ikke publisert før i 1911. Det er en oversikt over arbeidet Boltzmann og hans likesinnede hadde utført og hadde en egen stil; en skarp logisk analyse av den grunnleggende hypotesen, klar avgrensing av uløste spørsmål og en forklaring av generelle prinsipper av velvalgte transparente eksempler.

I 1907 flyttet ekteparet til St. Petersburg. Ehrenfest fikk gode venner der, spesielt Abram Fedorovich Ioffe, men følge seg vitenskapelig isolert. I tillegg hadde han som østerriksk statsborger med jødisk bakgrunn ingen mulighet for en permanent stilling. I begynnelsen av 1912 begynte Ehrenfest en reise hvor han besøkte tysktalende universitet i håpet om en fast stilling. Han besøkte Berlin hvor han traff Max Planck, Leipzig hvor han møtte sin gamle venn Herglotz, München hvor han ble kjent med  Arnold Sommerfeld, så Zürich og Wien. Mens han var i Praha møtte han for første gang Albert Einstein og de forble deretter nære venner. Einstein rådet Ehrenfest til å etterfølge han i stillingen i Praha, men det gikk ikke i orden, da Ehrenfest erklærte at han var ateist. Sommerfeld tilbød han en stilling i München, men Ehrenfest fikk et bedre tilbud og det var samtidig en uventet utvikling. H. A. Lorentz trakk seg tilbake fra sin stilling som professor ved Universitetet i Leiden i Nederland og på Lorentz' anbefaling ble Ehrenfest utnevnt til hans etterfølger.

Akademisk karrière 
Ehrenfest kom til Leiden i oktober 1912 og den 4. desember ga han første forelesing: Krisen om lys-eter hypotesen (tysk: Zur Krise der Lichtaether-Hypothese). Han ble i Leiden resten av sin karrière. For å stimulere samarbeid og utveksling mellom fysikkstudenter organiserte han en diskusjonsgruppe og en forening med  navnet De Leidsche Flesch. Han holdt tett kontakt med fremtredende fysikere både i Nederland og i utlandet og inviterte de til å besøke Leiden og holde foredrag i hans forelesingsserier. Ehrenfest var en fremragende debattant, rask til å peke på svakheter og å gi sammendrag av vesentlige punkter. 

 
 
I hans forelesninger fokuserte han på enkle modeller og eksempler for å belyse og klargjøre de underliggende antakelsene. Hans undervisningsgrupper var små og han engasjerte seg i å bli kjent med studentene som benyttet leserommet. Selv om få av de ble tatt opp som studenter i teoretisk fysikk hadde han nesten daglig lange diskusjoner med de. Ifølge Einstein: 

Om Ehrenfest mente at han hadde nådd grensen for hva han kunne lære en student så sendte han dem til andre vitenskapelige sentre i Europa for videre trening. Han oppfordret dem også til å søke stillinger i utlandet.

Blant hans studenter var Johannes Martinus Burgers, Hendrik A. Kramers, Dirk Coster, George Uhlenbeck og Samuel Goudsmit som ble berømt for sammen å fremsette teorien om elektronspinn, Jan Tinbergen, Arend Joan Rutgers, Hendrik Casimir, Gerhard Heinrich Dieke, Dirk Jan Struik og Gerard Kuiper. Hans assistenter inkluderte Yuri Krutkov, Viktor Trkal, Adriaan Fokker, Paul Epstein og Gregory Breit. Andre unge utenlandske vitenskapsmenn som tilbrakte en periode i hans laboratorium var Gunnar Nordström, Enrico Fermi, Igor Tamm, Oskar Klein, Robert Oppenheimer, Walter M. Elsasser, Ralph Kronig, Werner Heisenberg, Paul Dirac og David M. Dennison.

Ehrenfest hadde ambivalente syn på vitenskap, teknisk fremskritt og kulturelle og sosiale spørsmål.

I 1919 ble han medlem av det kongelige nederlandske akademi for kunst og vitenskap (nederlandsk: Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen).

Forskning 
Det meste av Ehrenfests vitenskapelige arbeider omhandler grunnforskning og forsøker å klargjøre bestemte forhold. Hans forskningspublikasjoner er kjent for sin klarhet, ved løsing av paradokser, mer presise beskrivelser eller inspirerende ved å formulere viktige spørsmål. Hans holdning til vitenskap illustreres best ved det han skrev til Robert Oppenheimer sommeren 1928, etter Oppenheimer hadde invitert seg selv til et utvidet opphold i Leiden:

 

Karakteristisk nok så likte han ikke abstraksjonsnivået i den nye kvanteteorien til Heisenberg og Dirac.

Ehrenfests viktigste arbeid fra 1912 frem til 1933 er teorien om adiabatiske invarianter. Det er et konsept avledet av  klassisk mekanikk som på den ene siden kan bidra til å presisere visse metoder fra Bohrs atommodell (selv om Ehrenfest opprinnelig ikke aksepterte Niels Bohrs ideer) og på en annen side har en kobling mellom kvantemekanikk og statistisk mekanikk. Han ga store bidrag til kvantemekanikk, inkludert teorien om faseovergang og Ehrenfests teorem, som postulerer at forventningsverdi i et kvantesystem følger klassisk mekanikk. Hans navn er også knyttet til Ehrenfests paradoks, et tilsynelatende paradoks i Relativitetsteorien som fremdeles diskuteres, til ehrenfestmodellen og til ehrenfesttid, tiden som karakteriserer kvantemekanikk for observatører fra klassisk mekanikk.

Ehrenfest var også interessert i å utvikle matematiske teorier for økonomifaget. Denne interessen ble stimulert ved hans tanke om at det burde være en sammenheng mellom termodynamiske og økonomiske prosesser. Det ledet ikke til publisering av noe forskning men han oppmuntret studenten Jan Tinbergen til å følge opp problemstillingen. Tinbergens avhandling var knyttet til problemer både fra fysikk og økonomi, han fortsatte som økonom og ble tildelt den første Sveriges Riksbanks pris i økonomisk vitenskap til minne om Alfred Nobel i 1969.

Einstein og Bohr i Leiden 

Ehrenfest var spesielt nært knyttet til både Albert Einstein og Bohr. Etter Niels Bohrs første besøk i Leiden i 1919, for Hendrik A. Kramers' doktorgradsavhandling skrev han til Ehrenfest:

Etter invitasjon fra Ehrenfest aksepterte Einstein i 1920 en stilling som ekstraordinær professor ved Universitetet i Leiden. Dette arrangementet tillot Einstein å besøke Leiden noen uker hvert år og ved disse besøkene bodde han hos familien Ehrenfest. I 1923 bodde Einstein der i seks uker, etter tyske ultranasjonalister i Berlin hadde kommet med dødstrusler mot han.

Ved 50 års markeringen for 50 år for Lorentz' doktorgrad i desember 1925 inviterte Ehrenfest både Niels Bohr og Albert Einstein til Leiden i et forsøk på å forsone deres vitenskapelige uenigheter om den fremskridende kvanteteorien. Diskusjonen fortsatte ved Solvaykonferansen i 1927 hvor Ehrenfest, mye til sin misnøye, måtte ta parti for Bohrs stilling i denne store debatten.

Siste år 
Fra korrespondanse med hans nære venner i mai 1931 synes det som Ehrenfest led av alvorlig depresjon. I august 1932 var Einstein så bekymret at han skrev til styret ved Universitetet i Leiden, uttrykte sin dype bekymring og foreslo tiltak som kunne redusere Ehrenfests arbeidsbelastning.

Ehrenfest tapte sin kamp med depresjonen den 25. september 1933 i Amsterdam. Etter å ha ordnet med oppfølging for de andre barna skjøt han sin sønn Wassik, som hadde Downs syndrom, deretter begikk han selvmord.

Referanser

Litteratur 

 Dirk van Delft, Einstein in Leiden, Physics Today 59 (April 2006) 57-26. The frontpage shows a painting by Marijke Kamerlingh Onnes, niece of Heike.
 H.B.G. Casimir, Preface to Collected Papers of Paul Ehrenfest 
 S.A. Goudsmit. The discovery of the electron spin.
 Niels Bohr, 1949, "Discussion With Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics " in Schilpp, P. A., ed., Albert Einstein: Philosopher-Scientist, The Library of Living Philosophers. Northwestern Univ. Press: 200-41.
 
 Albert Einstein, 1950. out of my later years.
 Martin J. Klein, 1970. Paul Ehrenfest. Amsterdam.
 --------, 1981, Not by Discoveries Alone: the Centennial of Paul Ehrenfest, Physica 106A: 3-14.
 Kramers, H. A., 1933, Physica 13: 273-276.
 --------, 1933, Nature 132: 667.
 Navarro, L.; Pérez, E., 2006, "Paul Ehrenfest: the genesis of the adiabatic hypothesis, 1911-1914.". Archive for History of Exact Sciences 60: 209-267.
 Wolfgang Pauli, 1933, Naturwissenschaften 21: 841-843.
 --------, 1935, "Physiker als Stilisten", Naturwissenschaften 23: 297-301.
 G. E. Uhlenbeck, 1956, "Reminencences of Professor Paul Ehrenfest", American Journal of Physics 24: 431-433.

Eksterne lenker 

 «The Tragic Fate of Physicist Paul Ehrenfest»
 Colloquium Ehrenfestii
 Einstein in Leiden
 Ph.D. students of P. Ehrenfest: 1918-1931
 Publications of P. Ehrenfest

Østerrikske fysikere
Nederlandske fysikere
Personer fra Wien
Professorer ved Universitetet i Leiden
Fødsler i 1880
Dødsfall i 1933