夏尔·纪尧姆（1920年诺贝尔物理学奖得主）
夏尔·纪尧姆（1920年诺贝尔物理学奖得主）
| 出生 | 1861年2月15日 瑞士纳沙泰尔州弗勒里耶 |
|---|---|
| 逝世 | 1938年6月13日（77岁） 法国巴黎近郊塞夫尔 |
| 国籍 | 瑞士人 |
| 身份 | 物理学家 |
| 获奖年份 | 1920年 |
| 奖项类别 | 诺贝尔物理学奖 |
| 获奖理由 | 发现因瓦合金（镍铁合金）的异常特性，推动了精密计量学的进步 |
生平
夏尔·爱德华·纪尧姆（Charles Édouard Guillaume）1861年2月15日出生于瑞士纳沙泰尔州弗勒里耶的钟表世家。他的祖父和父亲都是制表师，这一家族传统使纪尧姆从小就对精密机械和测量有着天然的敏感。他的母亲是法国人，来自莫尔比昂省。
纪尧姆在纳沙泰尔文理中学以优异的成绩毕业后，进入苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）学习物理。1882年以关于电解和电容器问题的论文获得博士学位。1883年，22岁的纪尧姆进入设在法国塞夫尔的国际计量局（BIPM）工作——这个决定决定了他一生的学术方向。
纪尧姆在国际计量局工作了几乎整整一生，从助理逐步升迁为副所长，最终在1915年至1936年间担任局长。他在计量局的60年生涯中，将全部精力投入到精密测量和度量衡标准化事业中。他的工作具有显著的应用导向：他研究的核心问题是消除温度变化对测量精度的影响。
1936年辞去国际计量局局长职务后，纪尧姆仍以荣誉局长身份继续参与工作。1938年6月13日在塞夫尔逝世，享年77岁。
学术生涯
纪尧姆在博士毕业后即投身于国际计量工作。当时国际计量局最重要的使命之一是维护千克原器和米原器——它们的精度直接关系到全球贸易和科学测量的统一性。纪尧姆很快发现，传统使用的金属测量杆（如钢杆或黄铜杆）在温度变化时会有显著的长度变化，这严重限制了高精度测量的可靠性。
1890年代，纪尧姆系统研究了一系列铁镍合金的热膨胀特性。他发现当镍含量在36%左右时，铁镍合金合金的热膨胀系数急剧降低到近乎为零——远远低于普通金属。他将其命名为"Invar"（因瓦合金），源自法语的"invariable"（不变）一词。这一合金在0°C到100°C之间的热膨胀系数仅为百万分之一左右每摄氏度，是当时人类掌握的唯一一种近乎零膨胀的实用金属材料。
因瓦合金的发现是材料科学史上一次经典的偶然与必然交织的案例。纪尧姆在系统测试了数十种不同成分的铁镍合金之后，用他自制的精密膨胀仪逐一测量，最终找到了那个神奇的成分窗口。他后来回忆道："与其说是我的计算引导我，不如说是实验本身的耐心迫使我发现了它。"
纪尧姆没有止步于因瓦合金。他继续探索其他铁镍合金，不久发现镍含量约42%时热膨胀系数与玻璃接近，他将其命名为"铂铜"（后来也称科瓦合金或可伐合金的早期前身）。此外他在铁镍合金的磁致伸缩和弹性模量随温度变化的特性上也做出了系统性贡献。他还发现含镍约50%的铁镍合金具有高磁导率——这一发现后来被发展为坡莫合金。
获奖成就
纪尧姆因"发现因瓦合金（镍铁合金）的异常特性，推动了精密计量学的进步"获得1920年诺贝尔物理学奖。这是诺贝尔物理学奖历史上极少颁发给以"材料科学"为主导发现成果的案例——可见因瓦合金在当时科学界引起的震动之大。
诺贝尔奖委员会的评价指出："国际计量局之所以能够在精密测量领域达到人类此前从未企及的精度，纪尧姆博士的因瓦合金是最关键的物质基础。"国际计量局很快将因瓦合金用于制造米原器和温度计的参考标准。全世界的大地测量学家也迅速采用因瓦合金制造测量基线用的测距线——因瓦合金线在长达数公里的测量中，温度引起的误差几乎可以忽略不计。
历史贡献
纪尧姆的历史贡献可以分为两个层面。在纯粹的应用科学层面，他发现的因瓦合金开启了低膨胀合金材料的先河。因瓦合金至今仍是精密工程中不可或缺的材料——从钟表摆轮和游丝，到精密天平臂和地震仪组件，再到航天器中的反射镜支架和望远镜桁架，因瓦合金的温度稳定性使它在需要高精度的场合无可替代。
在更广泛的层面，纪尧姆的工作体现了计量学（metrology）对于整个科学体系的支撑性作用。19世纪末到20世纪初正是国际统一计量体系建立的关键时期，纪尧姆通过材料创新显著提升了计量精度，使不同国家、不同实验室之间的测量结果具备了前所未有的可比性和可重复性。这种"测量的可信度"是现代科学大厦的无声基石。
纪尧姆的另一个被低估的贡献在于他对镍铁合金磁学性能的系统研究。他发现的镍铁合金高磁导率特性推动了早期通讯技术的发展，使更灵敏的电磁感应设备得以实现。这为20世纪初无线电技术和长途电话的飞跃奠定了材料基础。
轶事典故
纪尧姆对精密的追求近乎偏执。据说他每日到达国际计量局后，第一件事是检查实验室温度是否维持在标准的20.00°C——如果有一丝偏差，他会明确记录并推迟一切关键测量。他测量实验室内温度变化的方法非常特别：在房间的两个对角各挂一支水银温度计，先比较它们之间的差异，再与固定在恒温水浴中的标准温度计核对。
因瓦合金的命名还有一个小插曲：纪尧姆最初的笔记中写道"我发现了一种接近于不膨胀的金属，它如此特别以至于不敢相信自己的眼睛——我决定叫它'不变'。"
此外，纪尧姆终身保持瑞士国籍，尽管他几乎一生都住在法国。他的办公室中始终挂着纳沙泰尔湖的风景画，书桌上摆着来自家乡的钟表。同事们说，纪尧姆在测量时用的那股精雕细琢的耐心——每次测量前要等待热平衡长达数小时——很可能遗传自几代制表匠祖先。
参考文献
1. Guillaume, C. É. (1897). Sur la dilatation des alliages de fer et de nickel. Comptes Rendus, 125: 235–239. 2. Guillaume, C. É. (1904). Les applications des aciers au nickel. Journal of Physics, 3: 399–412. 3. 《国际计量局百年史》, BIPM出版. 4. Nobel Foundation: Charles Édouard Guillaume – Biographical. nobelprize.org. 5. 《材料科学与工程基础》, 上海交通大学出版社.