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DFT之父悄然离世,量子力学计算钥匙永存
2016-04-28 19:49:47   审核人:   (点击: )

 

DFT之父悄然离世,量子力学计算钥匙永存

2016419日,美著名理论物理学家、理论化学家,诺贝尔化学奖获得者Walter Kohn在加利福尼亚家中因癌症逝世,享年93岁,其生前任教的加州大学圣塔芭芭拉分校 (UCSB) 降半旗致哀。

       1998年,Walter KohnJohn Pople因在密度泛函理论(Hohenberg-Kohn-Sham Density Functional Theory) 发展上的主导性贡献,共同被授予诺贝尔化学奖。此外,Walter Kohn还于1961年和1988年分别获得了凝聚态物理学的最高奖项奥利弗·巴克利奖,以及由美国总统授予的 (美国) 国家科学奖章。2004年,物理评论杂志曾统计了1893年到2003年间引用率最高的100篇文章,其中有12篇与密度泛函有关,两篇位列前10,而Kohn是其中5篇文章的作者。在2015NatureThomson Reuters统计的史上引用最高的100篇论文中,Kohn-Sham方程 (KS方程,1965) 被引用23059次,位列34名;而Hohenberg-Kohn变分原理 (HK理论,1964) 被引用量同时也达21931次,位列39名。事实上,近半数涉及量子化学的文章,都引用了Kohn的密度泛函理论


UCSB庆祝Wlater Kohn获诺贝尔奖

       192339日,Walter Kohn生于奥地利维也纳的一个犹太人家庭。1938年纳粹实现德奥合并后不久,其父母设法将Kohn和他的姐姐通过儿童拯救行动 (Kindertransport)”的最后一次护送行动,转送至英国,而Kohn的父母则未能幸免,死于奥茨维辛集中营。1939年,初到英国的Kohn和姐姐曾借住于其父朋友Charles Hauff的家中,但因其敌国身份,随后被送入英国的拘留营。1940年,又相继被转送往加拿大的魁北克市、三河市及舍布鲁克市的拘留营。而Kohn则在这期间充分利用拘留营中能够提供的所有教育设施,为日后的学术成就奠定了基础。

19421月,苏格兰场排除了他是间谍的可能,Kohn从拘留营被释放,并被居住在多伦多的Bruno Mendel教授一家所接纳。Kohn曾回忆说,若没有这两个家庭的帮助,他无法想象自己能有机会成为一名科学家。其在诺奖自传中曾写到,“I note with deep gratitude that twice, during the Second World War, after having been separated from my parents who were unable to leave Austria, I was taken into the homes of two wonderful families who had never seen me before: Charles and Eva Hauff in Sussex, England, who also welcomed my older sister, Minna... A few years later, Dr. Bruno Mendel and his wife Hertha of Toronto, Canada, took me and my friend Joseph Eisinger into their family. (They also supported three other young Nazi refugees). Both of these families strongly encouraged me in my studies, the Hauffs at the East Grinstead County School in Sussex and the Mendels at the University of Toronto. I cannot imagine how I might have become a scientist without their help.”

       Kohn希望学习工科,Mendel教授将他介绍给了曾经和爱因斯坦一起工作过多年的Leopold Infeld教授。与Infeld教授的会面差不多是个面试,Infeld教授认为Kohn真正热爱的是物理学,他建议Kohn选择多伦多大学最好同时也是最难的专业 -- 数学和物理 (mathematics and physics,当时多伦多大学数学系的一个方向)。由于Kohn当时是德国籍,而多伦多大学的化学楼里正在做一堆和二战相关的项目,是不允许德籍学生进入的,因此他无法选任何作为必修课的化学课程。这时,数学系的系主任Samuel Beatty帮助Kohn等几个学生注册成了数学物理的特别生,而这些特别生在一两年后随着战争的结束全部转正。当时的多伦多大学,集合了一大批著名的数学家和物理学家,这其中包括了Richard BrauerH.S.M. CoxeterLeopold InfeldJohn Lighton SyngeAlexander WeinsteinH.L. WelshM.F. CrawfordH.G. SmithA.D. Misener等等。Kohn当时的同学Arthur Schawlow也是一位诺贝尔奖得主,他与Nicolaas BloembergenKai Siegbahn分享了1981年的诺贝尔物理学奖。

在青年时代以及那些在多伦多大学的暑假时光里,Kohn在农场上干过农活,砍过树,在小公司里做过军用飞机的电子设备,还和一个地理老师在北安大略和魁北克挖过金子。大三的时候,他加入了加拿大陆军。一年后,只完成了两年半本科学业的他,在1945年获得了多伦多大学应用数学的战时学士学位。随后,Kohn1946年获得了多伦多大学的应用数学硕士学位,他的硕士论文包括他在陆军服务期间写的关于陀螺仪陀螺的一篇文章,以及后来关于原子波函数的一篇文章。1948年,Kohn在哈佛大学获得博士学位。期间,在Julian Schwinger的指导下,Kohn完成了三体散射的研究,即后来被广为熟知的科恩变分原理。值得一提的是,Kohn的导师Julian Schwinger本人因其在量子电动力学方面的卓越贡献,获得了1965年的诺贝尔物理学奖;而Schwinger的导师Isidor Isaac Rabi是美国物理协会APS的创始人Arthur Gordon Webster的学生,Rabi因核磁共振的研究获得了1944年的诺贝尔物理学奖。

       获得博士学位之后,Kohn曾先后在哈佛 (1948)、宝丽来 (1949)、卡内基梅隆大学 (1950-1960)、哥本哈根的尼尔斯波尔学院 (1951-1952)、加利福尼亚大学圣迭戈分校 (1960-1979) 工作任教。1951年夏季,Kohn还在法国的一所学校当过几节固体物理的代课老师。1979年,Kohn正式出任UCSB物理所所长,后转为物理系教授,直至去世。

说起Kohn的教学生涯,其在卡内基梅隆时的任教经历还颇具戏剧性。1949年,Kohn开始尝试寻找一个长期职位,当时已是加拿大公民的他,怀着对加拿大最温暖的感情,向他所知道的所有加拿大大学递交了申请,但是没有得到任何面试机会。同时,美国的大学也没有理睬这个年轻的理论物理学家。Kohn听说匹兹堡郊外的一个核反应实验室有个很匹配的新职位,但是去了以后才发现人家只要美国公民。幸运的是,当时一个在卡内基梅隆教数学的朋友告诉他,F. Seiz等一帮人刚刚离开卡内基梅隆去了伊利诺伊,没准儿物理系正缺人呢。事实上,当时卡内基梅隆的物理系主任Ed Creutz几乎是在很抓狂地找人来讲固体物理,照看那些丢了爸爸的博士研究生。(这些研究生的导师们把他们扔在匹兹堡,自己跑伊利诺伊去了) 在和Creutz面谈之后不到48小时,Kohn就拿到了卡内基梅隆的教职。几周之后更是双喜临门,Kohn之前申请的加拿大国家研究委员会 (NRC) 1950-1951学者项目也获得了批准。

       1952年,从欧洲回到卡内基梅隆后,Kohn深入研究了周期势下电子能带结构的理论 (KKR方法) 和金属声子谱的费米面 (Kohn anomaly)1953年起,Kohn开始了同贝尔实验室多年的合作关系。从作为W. Shockley的助手,到与Quin Luttinger合作,Kohn构建了半导体的能带结构模型,在这之后的长达13年中,KohnLuttinger共同发展了重要的半导体物理理论和超导理论。

1963年,在学术休假期间,Kohn在巴黎高等师范学院开始考虑合金的电子结构问题,这也是他发展密度泛函理论的开始。他的推测是,对于单粒子系统来说,势能与基态粒子密度间存在直接的基本的关系。粒子密度完全决定外部势能,电子密度的积分是总电子数,也就是说,电子密度同时决定了总的哈密顿量,以及哈密顿量和电子数能够导出的所有的量。用正常的中文来说,就是知道了电子在空间中的密度分布,就能计算出电子系统的总能量还有其它的物理量。在其后的工作中,KohnPierre Hohenberg合作,将Rayleigh-Ritz变分原理应用到基态能量与电子密度间的关系,而不再仅限于基态能量与多电子波函数间的关系,进而发展成为后来广为人知的HK原理。随后,Kohn与其当时的博后Lu Jeu Sham合作,得到了KS方程。HK原理和KS方程,则共同构成了密度泛函理论最核心、最基本的内容。自20世纪70年代以来,密度泛函理论得到了越来越多的应用,是计算量子力学的理论模型之一;是物理学、化学、材料科学研究原子、分子和凝聚态多体问题的电子结构的标准方法之一。

2016419日,Walter Kohn结束了其传奇性的一生。他的葬礼将在美国西部时间426日下午2:00在加利福尼亚圣巴巴拉主教堂举行。

 

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本文来源:知社学术圈   作者:冬霄

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