一流物理学的传承与发展:文化、学派、风格和诺奖

发布: | 发布时间:2020-10-2,星期五 | 阅读:12

撰文丨施 郁责编丨戴 威

以“电子和光子”为主题的1927年第五次索尔维会议合影,摄于比利时布鲁塞尔。与会人员包括了爱因斯坦、玻尔、居里夫人、普朗克、薛定谔、泡利、海森堡、狄拉克、德布罗意、玻恩等著名科学家,与会29人中有17人获得诺贝尔奖。
图源:Wikimedia Commons

导 读

20世纪是物理学的世纪,而物理学的文化传承对物理学的发展起到了重要作用。本文追溯了理论物理方面的文化、学派和风格的变迁和传承,这从一个侧面体现一流的科学文化和科学教育如何促进创新。

二十世纪物理学的理论支柱之一是量子力学。本文着重与量子力学相关的方面。量子力学始于早期的量子论(将量子规则与经典图像结合)[1]。早期量子论的代表人物是普朗克、爱因斯坦和玻尔。后来发展出新的量子力学,代表人物有海森堡、玻恩、薛定谔、狄拉克、泡利[2]、约当等等。在后面进一步的发展中,又涌现出费米 [3]、贝特 [4]、惠勒、奥本海默等一批理论家,二战之后,又有施温格、费曼 [5]、杨振宁、李政道等新一代理论物理学家。

01
玻尔和哥本哈根学派

玻尔是丹麦人,年轻时在嘉士伯啤酒的支持下,于1911年到英国访问了一年,先是在剑桥大学,后来被卢瑟福邀请到曼切斯特大学。卢瑟福通过他和学生的实验,提出原子由原子核和电子组成。

丹麦物理学家玻尔(Niels Bohr, 1885~1962)图源:Wikimedia Commons

玻尔回国后,1913年提出了著名的玻尔原子模型,给出电子服从的几条量子法则 [1]。之后玻尔曾访问德国的哥廷根大学和慕尼黑大学,与慕尼黑的索莫非交流过。1921年,在丹麦政府和嘉士伯的支持下,他在哥本哈根大学创立了理论物理研究所。1922年获得诺奖。玻尔去世后,纪念他诞辰80周年时,研究所改名为玻尔研究所。

2005年的玻尔研究所 图源:Wikimedia Commons

玻尔的研究所创立后,在物理学发展中,特别是在量子力学的发展中,起到了很大的促进作用。它成为理论物理的“麦加”,很多青年物理学家喜欢去那里访问,很多创新工作在那里得到催生。玻尔成为量子力学的精神领袖。围绕玻尔,形成了一个哥本哈根学派。玻尔和哥本哈根学派的影响力在玻尔去世后也得以延续。

02
德国的索莫非和玻恩

当时在德国的慕尼黑大学和哥廷根大学,索莫非和玻恩也分别领导一个从事量子论和量子力学研究的学派。他们是德国最早的理论物理学家。因为师从数学家,他们研究理论物理的风格也更数学,更严谨。

德国理论物理学家索莫非 (Arnold Sommerfeld, 1868~1951) 图源:Wikimedia Commons
德国物理学家、数学家玻恩(Max Born, 1882~1970) 图源:Wikimedia Commons

泡利是索莫非的学生,1921年获得博士学位后,相继在玻恩和玻尔那里做了一年助手,用今天的话说,就是博士后。泡利1924年提出量子力学的 “泡利不相容原理”。

奥地利理论物理学家泡利(Wolfgang Pauli, 1869~1955) 图源:Wikimedia Commons

海森堡也是索莫非的学生,1923年获得博士学位后也成为玻恩的助手,又去访问了玻尔几个月,然后回到玻恩这里。

德国理论物理学家海森堡(Werner Heisenberg,1901~1976)

1925年海森堡写出新量子力学的第一篇论文,打响了新量子力学的第一枪。后来玻恩和他的学生约当也加入,写了 “两个人的论文”,以及包括海森堡在内的 “三个人的论文”。

除了泡利和海森堡,索莫非和玻恩还有很多学生成为二十世纪的著名物理学家。

海森堡和泡利分别独享1932年和1945年的物理诺奖。索莫非的学生中获得诺奖的除了泡利和海森堡,还有博士生德拜和贝特,博士后鲍林、拉比、冯·劳厄。贝特1967年得诺奖。2016年得诺奖的索利斯是贝特的学生 [4],也就是索莫非的学生的学生。索莫非自己被提名诺奖84次,可惜没有得到。

玻恩的学生中得诺奖的有博士生德尔布吕克和玛丽亚·格佩特-梅耶、博士后费米。诺奖委员会有点亏待玻恩,1954年才给他授奖。他的博士后奥本海默后来领导了研制原子弹的曼哈顿计划。作为犹太人,玻恩流亡到英国后,还带过几位中国学生,从而影响了中国的理论物理。

量子力学还有一位创始人是英国人狄拉克。他1926年在剑桥大学获得博士学位,导师是富勒。然后狄拉克在哥本哈根和哥廷根分别度过了半年。薛定谔和狄拉克分享了1933年的物理诺奖。

03
苏联朗道学派

1930年,苏联物理学家朗道简短访问了哥廷根和莱比锡(海森堡当时在这里)后,来到哥本哈根访问了一段时间。从此朗道称自己是玻尔的学生。

苏联物理学家朗道 (Lev Davidovich Landau,1908~1968) 图源:Wikimedia Commons

朗道回国后在苏联物理学界影响很大,创立了朗道学派,很多苏联物理学家都属于朗道学派,也影响了新中国的一批留苏学生。1962年,朗道在病房里接受了诺奖。

1930年代,玻尔曾经访问莫斯科,做学术报告,由朗道的学生伊夫琴科·栗夫席兹翻译。听众中有人问玻尔:您是如何建立这么一个优秀的学派的?玻尔说:“我从不介意告诉学生,我是一个笨蛋。”而栗夫席兹错译为:我从不介意告诉学生,他们是一个笨蛋。但他很快纠正了错误。在场的卡皮查评论道:“这个翻译错误反映了玻尔学派和朗道学派的区别。”

虽然玻尔学派和朗道学派都取得了很多物理学成就,但是文化和风格的不同肯定也影响了科学的发展和创新的风格。朗道学派取得了很多踏实的成就,而且比较多地使用数学。但是也有特别创新的成果被朗道压下,过了一个时期之后才被允许发表。

04
美国理论物理的风格

1930年代开始,由于纳粹上台,欧洲很多物理学家移民美国,比如贝特、费米。他们与曾留学欧洲的美国人拉比、惠勒、奥本海默等人,影响了美国物理学的风格。1934和1935年,惠勒访问了玻尔,回美国后培养了很多学生,包括费曼。

拉比1927年到1929年在欧洲,先是索莫非的博士后,后来访问玻尔和泡利。拉比是诺奖得主,他的学生有3位获得诺奖,大多是实验家。理论家施温格也是拉比的学生,但是独立工作。施温格与费曼因量子电动力学重正化获得诺奖。施温格培养了很多学生,其中4位后来获得诺奖。重正化的成功标志着美国理论物理的兴起。

意大利裔美国物理学家费米(Enrico Fermi, 1901~1954)图源:Wikimedia Commons

1938年,费米获得诺奖,也逃往美国,因为妻子是犹太人。我认为费米是对美国物理学影响最大的人。费米的个人风格,比如重视物理图像和直觉,在美国物理学中留下了烙印,同时又切合于美国的实用主义风格—— 类似于西部牛仔卷起袖子干活的作风。执行曼哈顿计划的洛斯·阿拉莫斯实验室(Los Alamos National Laboratory)成为造就美国物理学风格的熔炉。包括奥本海默、费米、贝特、特勒、费曼在内的一大批最优秀的物理学家在这里合作工作。

位于美国新墨西哥州的洛斯·阿拉莫斯实验室,创立于1943年。图源:Wikimedia Commons

战后,费米和特勒去了芝加哥大学。杨振宁和李政道先后来到这里求学。杨振宁曾经回忆,当时芝加哥大学有一个很活跃的跨学科的沙龙让人很受教益,主要参加者包括费米、特勒和尤里。杨振宁和李政道都以曾受教于费米而自豪。

费米的其他徒子徒孙也非常多,比如温伯格和格罗斯都是费米的徒孙,分别因为电弱理论和强相互作用理论而获得诺奖 [6]。贝特、费曼等人去了康奈尔大学。两年后,戴森从英国来做贝特的研究生时,还观察到,康奈尔物理系很多教授来自洛斯·阿拉莫斯实验室,还保持着在那里形成的团结合作 [7]。

美国理论物理学家费曼(Richard Feynman, 1918~1988)图源:Wikimedia Commons

所以战后,洛斯·阿拉莫斯的风格传遍美国物理学界。在这方面,新一代的代表人物是费曼。费曼的物理学风格体现了战后美国物理的风格。可以从《费曼物理学讲义》领略费曼物理学的风格。杨振宁和李政道也是20世纪后半叶美国物理学的绚丽风景线。他们将在中国打下的扎实基础与在美国培养的物理直觉结合起来,活跃于创新前沿,成为一代学术领袖。三十出头时,他们就分享了1957年物理诺奖。

05
中国物理学风格变迁

新中国成立后,中国理论物理学界有几位从英国、爱尔兰回国的受玻恩影响的先生。但是从大环境来说,中国全面学苏联,向苏联派留学生,很大程度上受苏联风格的影响。所以主导苏联理论物理的朗道学派的风格对当时中国的物理教育、科学教育产生了较大的影响。改革开放之后,物理教育又转向美国风格。

我们在前面特别关注到不同学派之间的“交接”。不同学派、不同国家的科学家之间的传承、流动和交流是物理学的一个传统文化。不同的学派有不同的风格,既有传承或相通,又各具特色、互相补充、与时俱进。这对科学中心的形成甚至迁移,有很大作用的,体现了文化对科学创新的影响,是很有意思的科学史现象。

受此启发,希望中国的学者们也能加强交流,建立起一个个有特色的科学社区,加强不同学科的学者之间的交流和思想碰撞,促进创新和科学文化建设。这也会增加未来科学中心移向中国的可能性,促进中国的科学和教育真正走向一流。

参考文献:

1. 施郁,庆祝2015国际光之年、纪念早期量子论― 从2014 年诺贝尔物理学奖与化学奖谈起,现代物理知识,2015年27 卷1期,32-34。微信版:物理文化与施郁世界线,2015年09月26日。

2. 施郁,人生危机催生中微子假说| 纪念物理大师泡利,南方人物周刊,2019年第12期,58-63;微信版:物理文化与施郁世界线,2019年4月26日。

3. 施郁,诺奖委员会的错误:幽灵粒子是如何现身的?知识分子,2019年8月4日。

4. 施郁,学术豪门!师徒三辈连环获诺奖背后,知识分子,2016年10月29 日。5. 施郁,费曼百年(上),知识分子,2018年11月11日; 施郁, 费曼百年(下),知识分子,2018 年11月18 日。

6. 施郁,规范理论一百年,知识分子,2019年3月31日。

7. 施郁,自由者戴森(上),赛先生,2020年3月4日


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