01 April 2011

这篇文章属于《梦之栖居》系列,写于2011年。

20世纪之前的两百多年间,物理学在两大领域取得了巨大成功:一是由牛顿统一的经典力学(1687年),包括热力学与经典统计;二是由麦克斯韦统一的电磁学(1864年),包括光学。它们不仅是理论上的伟大贡献,还分别诱发了18世纪以蒸汽机、内燃机的应用为中心的“工业革命”、19世纪以电和电磁波应用为中心的“电气革命”。其成就彪炳史册。到十九世纪末的时候,这套经典物理学理论已发展到如此完善的阶段,并取得了进乎完美的实践支撑,以至于当时有些物理学家认为物理的大厦已经建成,后人只需要修修补补就够了。然而,完美只是“近乎”。物理学晴朗天空中仍有“两朵小小的乌云”,即经典理论无法解释的黑体辐射和迈克尔逊-莫雷实验。而正是对这两个问题的探索,引发了二十世纪物理学的两次革命,深刻地改变了人们对物理世界的理解。

所谓“革命”的主要内容便是诞生了近现代物理学的两大支柱——爱因斯坦创建的相对论和始于普朗克能量子假设的量子力学。基于此,传统物理领域的研究逐渐发生了革命性的变化,同时又有许多新的内容和分支出现。我这里把这“两大支柱”的产生过程以及随后物理学研究内容和研究方法的变革称为“物理近代化”。物理学的近代化是一个长期的过程,也不只是少数人的功劳。其中融入了许许多多物理学家的心血,也见证了我们中国人引以为豪的成就。清华大学培养过的科学志士们,在物理学的近代化过程中做出过不可磨灭的贡献。

作为物理近代化的推动之一,相对论研究无疑是二十世纪初最有影响力的领域。自从爱因斯坦发表了他关于相对论的论文之后,无数科学家对此产生了兴趣。中国科学家也不例外。周培源便是其中之一,他于20世纪20年代后期开始从事广义相对论和宇宙论的研究。周培源于1919年考入清华学校(今清华大学前身)中等科,并于1924年由高等可毕业。此后做过清华物理系教授,也先后在西南联大和北大任教。1936年,清华大学给与周培源休假年,他到美国普林斯顿大学高等学术研究院参加爱因斯坦主持的讨论班,从事关于相对论和宇宙论的研究。在广义相对论的引力论中,表示引力场的是十个偏微分方程,但由这十个方程并不能得出十个引力函数的确定解。这是广义相对论中的一个难题。在1937周培源发表的论文《爱因斯坦引力场中场方程的各向同性静态解》中,他主张附加物理条件,并得到了轴对称引力场中的一些解。另外,周培源还大大简化了广义相对论的宇宙论中的一些问题的求解过程。他在相对论的完善过程中是功不可没的。

另外一个研究相对论的著名清华物理人是胡宁。他1935年考入清华大学物理系,1943~1945年胡宁到普林斯顿高等研究院,在著名物理学家泡利的指导下从事研究。在此期间,他研究引力的辐射阻尼取得了成果。在《广义相对论的辐射阻尼》这篇论文中,胡宁采用广义相对论里通常的坐标条件,简化了爱因斯坦等人的计算,指出了辐射阻尼力与高阶项的一般关系。作为此方法的特例,他计算了双星系统的运动,并通过对双星系统能量损失的预言,提出了关于引力波辐射是否存在的第一个可观测依据(后来两位美国人正是在这方面首次取得了引力波存在的证据)。这一工作是在这一方面研究的开创性贡献,受到国内外同行的高度评价。

如果说相对论在高速范围内独领风骚,那量子论便是“微观的绝唱”。二者也几乎是并驾齐驱地前进。自1905年量子化概念被提出之后,便被几位大师级的科学家迅速地推进发展。1925年,海森堡、波恩和约当的工作奠定了以矩阵形式表示的量子力学的基础。1926年,这种矩阵力学的方法便被泡利成功的解决了氢原子能级问题。同年,薛定谔给出概率波的波动方程,建立了波动力学。量子力学又有了一种新的表达形式。很快,狄拉克又得出了相对论形式的波动方程。到20世纪三十年代,不到40年的时间里,就建成了一套完整的量子力学理论,为近代物理在微观领域的研究奠定了基础。

在量子力学的创立和发展过程中,有更多的清华人取得了斐然的成就。其中主要的王守竞、叶企孙、吴有训等人。下面介绍他们在这段科学史上的贡献。

王守竞在量子力学建立的初期,就在这一领域取得了重要研究成果。他是量子力学最早的中国研究者。1922年王守竞毕业于苏州工业专科学校,随后考取清华留美预备班,1924年赴美深造(从这点来看,王守竞与清华的关系不如上文提到的后两者密切)。王守竞在美国哥伦比亚大学攻读博士学位时十分关注量子力学的发展。1928~1929年,他在美国《物理评论》上发表了《新量子力学中的氢分子问题》和《论量子力学中的不对称螺旋》等多篇论文。王守竞把量子力学运用于普通氢分子问题,最早用变分法求二级微扰,得到了范德华力的能量的作用系数。这在当时是一个重要贡献。他还用量子力学解决不对称螺旋问题,也就是讨论了多原子分子非对称转动的情况,从而得到了谱能级公式。这一公式后来被称为“王氏公式”。

叶企孙的贡献在于测定普朗克常数。叶企孙1918年毕业于清华学校,后去美国留学,先后就读于芝加哥大学和哈佛大学物理系,并于1923年获哈佛大学哲学博士学位。他回国后在清华大学任物理教授,创建了清华物理系并出任系主任。1929年他出任清华大学理学院第一届院长。叶企孙的成就有很多,他在量子力学领域中的贡献则是普朗克常量的测定。普朗克常量h与光速c一起,是度量自然界的两把尺度。因此其数值的准确测定具有重要意义。1921年,叶企孙与他人合作,用X射线法重新测定了普朗克常量的数值,得到h的不确定度为0.14%。这在当时是最好的测定,在1937年前一直被物理学界采用,达16年之久。这在一定程度上对量子力学的发展提供了方便。

吴有训是被叶企孙聘到清华的,并也曾任物理系教授、系主任、理学院院长。吴有训在芝加哥大学师从物理学家康普顿,进行X射线方面的研究。由此一开始就参与了“康普顿效应”的发现。康普顿效应德发现及其解释,使量子力学的一个重要例证,对量子力学的发展起到了促进作用。康普顿效应发现之后,由于不能用经典散射理论解释,而且由于实验上的数据不够充分完备,故而引起了许多争论。吴有训以其高超的试验才能,为康普顿效应的最后确立做出了杰出贡献。他不仅证明了康普顿效应的普遍性,还驳斥了许多对康普顿效应的否定,并发展了X射线散射理论。康普顿效应是近代物理学发展历程中的里程碑。而吴有训对其贡献为世人所公认,甚至有人将此效应称为“康普顿—吴有训效应”,但被吴有训公开拒绝了。

从事量子力学研究并有所贡献的清华学者还有很多,这里不可能一一列举。在量子力学这段传奇般的科学史上,虽然外国的量子大师们一直引领着开创性的工作,但我国科学家尤其是清华的这些真理追求者们也留下了不可磨灭的功绩。

相对论和量子力学是崭新物理大厦的两大支柱。它们的建立以及由此产生和发展的新领域标志着近代物理学的开始。之后,物理在近现代的道路上取得了巨大的理论成果,也得到了广泛的实际应用。科学发展伴随技术进步,把人类带进了新的时代。我们回首那段科学发展史的时候,应该向那些真理的追求者致敬。同时,我们也看到,清华大学培养的科学之才

通过他们的兴趣和努力研究,为物理近代化这一科学史上的巨大进展作出了自己的贡献。这值得我们清华人,乃至整个中国人自豪!自豪之余,我们也要继承科学先辈的传统,让科技发展史上留下更多清华人的贡献,出现更多中国人的名字。

主要参考资料:

《中国物理学史·近现代卷》,刘树勇、李艳平、王士平、申先甲著,广西教育出版社,2006年版;

《吴有训的科学贡献》,郭奕玲、沈慧君编,鹭江出版社,1997年版;

《近代物理基础》,胡素芬编,浙江大学出版社,1988年版;

《诺贝尔奖百年鉴·微观绝唱》,江向东、黄艳华著,上海科技教育出版社,2001年版;

《大学物理学·量子物理》,张三慧主编,清华大学出版社,2000年版;

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