物理群星
保罗·朗之万 肖像

图:亨利·马努埃尔 摄 / 惠康收藏馆 / Wikimedia Commons / CC BY 4.0

保罗·朗之万

Paul Langevin

1872–1946 · 生于法国巴黎 · 法国

热学与统计电磁学相对论

第一条随机微分方程、第一个「双生子」、第一套能听见潜艇的声呐,都出自同一个人——而中文世界记住他,多半是因为 1911 年的一桩绯闻

「他自己只老了两岁,走出方舟时,会发现我们这颗星球已经老了两百岁。」

—— 《空间与时间的演化》,《Scientia》第 10 卷(1911),据法文原文译

朗之万这一生做的事,多半是替别人的东西接上后半程:居里从实验里总结的定律,他给了微观解释;爱因斯坦关于布朗运动的结论,他换了条更短的路重新走通;相对论在法国几乎没人读得进去,他讲了二十年;德布罗意那篇没人敢批准的博士论文,他寄给了爱因斯坦。

他自己的名字留在了一条方程、一个函数和一个佯谬上。但在中文世界里,提到他最常出现的场合,是居里夫人的传记。

随机力

1905 年爱因斯坦用概率分布处理了布朗运动:悬浮在水里的微粒被分子撞来撞去,位移的均方与时间成正比。这篇文章后来被当成原子实在性的判决性证据之一,佩兰 1908 年的实验把它坐实了。

朗之万看着这个推导,觉得可以更直接:既然颗粒受到的是无数次随机碰撞,那就把随机性直接写进牛顿方程——一项是黏滞阻力,一项是平均为零的随机力。剩下的是几步平均运算。1908 年 3 月,他在《科学院通报》上发表了不到四页的文章,得到同样的结果,并说自己的方法「无限地更简单」。

这句话没有夸张。今天物理、化学、金融、气候里凡是「确定性的演化 + 一个噪声项」的模型,都是这条方程的后代。哈塞尔曼 1976 年把大气的快扰动当作随机力、把海洋的慢响应当作惯性,用同样的结构解释了为什么气候记录里会有低频起伏——那是一条挂着气候变量的朗之万方程,而它使他拿到 2021 年的诺贝尔物理学奖。

两个旅人

1911 年,他在一篇面向哲学与科学界读者的文章里,把狭义相对论的时间效应讲成了一个故事:一个旅人乘着接近光速的「炮弹」离开地球,两年后返回,自己只老了两岁,地球却老了两百岁。

这是「双生子佯谬」的原型,尽管他自己并没有把它当成佯谬——在他看来,加速与掉头这件事把两个人的处境彻底分开了,谁年轻谁年老没有含糊之处。后来一百年里,这个故事被讲成了相对论最有名的科普例子,也被误解成了对相对论最常见的诘难。

他是相对论在法国的主要传播者。1922 年爱因斯坦访问巴黎,是他一手安排的;那次访问顶着战后法国学界对德国人的强烈抵制,不少人拒绝出席。

听见水下

1914 年之后,他的工作从黑板转到了海上。德国潜艇正在击沉协约国的商船,而水下几乎是不设防的:人类当时没有任何办法看见一艘潜航中的潜艇。

朗之万与工程师希洛夫斯基合作,用的是他博士导师留下的家当——皮埃尔·居里与雅克·居里 1880 年发现的压电效应。石英片加上高频电压会振动,发出超声脉冲;反过来,回波压在石英上又能生出可测的电压。发射与接收用同一块晶体,中间隔的时间乘声速的一半,就是距离。

到 1918 年,装置已经能收到潜艇的回波。战争先结束了,但此后所有的声呐、渔探仪、B 超与工业超声探伤,走的都是这条路。

1911 年的报纸

1911 年 11 月,就在居里夫人获得第二个诺贝尔奖前后,巴黎小报刊出了她与朗之万的私人通信。朗之万当时已婚,那些信是被窃走后交到报纸手里的。舆论把火力集中在居里夫人身上——外国人、女人、犹太人(她其实不是),瑞典方面甚至有人劝她不要来领奖。她还是去了。

朗之万与一位报纸主编为此决斗,两人到场后都没有开枪。此事此后长期被用来定义他,尤其在通俗读物里。

战争与之后

1930 年代,法西斯在欧洲扩张,他站到了最前面:二月骚乱之后参与创立反法西斯知识分子警戒委员会,公开演讲、签名、组织。

1940 年 10 月 30 日,盖世太保在巴黎逮捕了他。他被关进桑泰监狱,年底获释后软禁在特鲁瓦,公学院的教席被维希政府撤掉。1942 年 5 月 23 日,他的女婿、年轻物理学家雅克·所罗门因参加抵抗运动在瓦莱里安山被枪决;女儿埃莱娜后来被押往奥斯威辛,活着回来了。1944 年 5 月,他在朋友的安排下越境去了瑞士;同年他加入法国共产党——七十二岁,在女婿死后。

巴黎解放后他回到国内,出任教育改革委员会主席。1946 年 12 月 19 日他在巴黎去世,七十四岁;次年委员会提交的方案,就是影响法国战后教育的「朗之万-瓦隆计划」。两年后的 11 月 17 日,他与高师时代的老友佩兰一起被移葬先贤祠。

代表方程

朗之万方程

md2xdt2=−6πηa dxdt+F(t)m\frac{\mathrm{d}^2x}{\mathrm{d}t^2} = -6\pi\eta a\,\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} + F(t)

牛顿第二定律的右边多了一项 F(t)F(t)——一个谁也写不出具体形式、只知道平均为零、且与过去无关的随机力。爱因斯坦 1905 年处理布朗运动,算的是位置的概率分布;朗之万 1908 年直接把随机性写进运动方程,半页纸就得到同一个结果 ⟨x2⟩=2Dt\langle x^2\rangle = 2Dt,还说自己的推导「无限地更简单」。这是历史上第一条随机微分方程;今天从金属中的电噪声、股价波动到气候模型里的天气扰动,用的都是它的后代。

朗之万函数

MM0=L(x)=coth⁡x−1x,x=μBkBT\frac{M}{M_0} = L(x) = \coth x - \frac{1}{x}, \qquad x = \frac{\mu B}{k_B T}

1905 年他把顺磁性算成了一场拔河:磁场想把每个原子磁矩拽到同一方向,热运动把它们打乱,两者之比就是 xx。高温下展开得到 M∝B/TM \propto B/T——居里此前从实验里总结出的居里定律,第一次有了微观来历。同一篇文章还用电子轨道在磁场中的进动解释了抗磁性。这套「统计力学 + 原子磁矩」的做法,是后来整个磁学理论的模板。

伟大发现