物理學經典著作《晶格動力學理論》評析

丁志強

摘 要：晶體原子最基本的運動方式之一就是圍繞平衡位置進行微小振動，晶格動力學研究的主要內容是固體熱學、電學、光學性質受晶格震動、晶格原子震動、晶體結構的影響。黃昆和馬克思·玻恩合著的《晶格動力學理論》以量子力學為基礎，對晶格動力學進行了全面深入的論述。本文將對《晶格動力學理論》一書的歷史進行介紹，并在此基礎上闡述個人對于該書的感悟。

關鍵詞：晶格動力學 理論 物理

《晶格動力學理論》是20世紀物理學家黃昆和馬克思·玻恩合著的權威物理學著作，該著作對于晶格動力學的發展具有重要意義，當前這本著作仍是物理學研究的主要依據和參照。該書分為兩部分，這兩部分分別由黃昆和玻恩主寫，其中黃昆寫的是第一部分基礎理論，這一部分對于繼續學習和閱讀第二部分至關重要，也是吸引讀者進行深入閱讀的部分。第二部分是普遍理論，這部分的內容更加抽象，是建立在第一部分基礎之上的。這部著作的形式和內容設置是由黃昆確定的，他在第一部分對該書內容進行了基礎性的闡述，使得更多人開始接觸這一領域并且能夠更加容易地理解第二部分。在我國物理學研究中很多學者使用了這一權威著作，對我國在該領域的發展做出了重要貢獻。

一、《晶格動力學理論》概述

玻恩是量子力學和晶格動力學兩個領域的開創者，量子力學建立后，他便開始嘗試對晶格動力學理論進行重新闡述，隨后便產生了《晶格動力學理論》這一著作。第二次世界大戰開始后，他又繼續寫了幾個章節，但是之后由于各種原因寫書一事就停了下來。直至1947年，黃昆將耗時一年半完成的論文在布列斯托大學發表，然后他又去拜訪了玻恩，二人對晶格動力學都開展了深入的研究，玻恩讓黃昆瀏覽晶格動力學理論一書的手稿，之后二人便開始合作寫書。

該著作出版后就被用作固體物理學教學書使用，同時其他晶格動力學專著的寫作也常常借鑒其中的內容。通過學習該著作，很多物理學家開始走入晶格動力學這個領域，晶格動力學權威W.Cochran在他的著作中強調了《晶格動力學理論》在該學科的地位仍是無法撼動的。20世紀80年代這本書停止印刷了三年，但有學者呼吁再次出版。就這樣該著作又被再次出版，并且被收納到“牛津經典物理著作叢書”中。出版社編輯說，這本著作在出版之初是該領域的代表作，現在很多方面仍然引領著這個領域，幾十年后人們仍在購買和引用這本書。根據SCI上的統計數據，當前這本書已經被引用近萬次，也就是說每年都有幾百個人在引用這本著作，可見《晶格動力學理論》對于該領域的影響程度之深、時間之久。

二、個人就《晶格動力學理論》的感悟

20世紀末北京大學出版社印制了千冊《晶格動力學理論》，這些書很快便售完。對于該書，筆者已經拜讀多年，具體有以下幾點感受：

首先，《晶格動力學理論》結合了黃昆和玻恩兩種完全不同風格的研究。玻恩的研究通常遵循一般到特殊的規律，在這本著作中他打算將量子理論的最一般理論作為出發點，然后通過演繹的方法對晶體的性質和結構進行推導。與玻恩抽象演繹風格不同，黃昆與莫特的風格更為接近，研究通常是以具體物理問題為起點，通過構建模型獲得具有物理意義的結果。黃昆認為社會效益是科學研究的主要目的和價值，所以提議將“基礎理論”（比較容易理解的第一部分）部分寫出來，從具體轉化為抽象，玻恩寫普遍理論（第二部分）。對于在本書的量子力學推導前是否增加導論性的內容，黃昆和玻恩存在不同的觀點，最后玻恩做出了妥協，而這也是黃昆參與寫作的重要前提。所以，該書的撰寫和形式很大程度上是黃昆確定的。該著作包括基礎理論和普遍理論兩部分，黃昆主寫的基礎理論部分則由晶體彈性與穩定性、晶格振動、原子結合力三章構成，實驗應用和晶體結構的基礎知識都囊括其中。而玻恩主寫的普遍理論則由光學效應、自由能、長波方法、量子力學基礎四部分構成，一般理論及由此導致的更復雜的實驗實施也都有所設計。現在來看，兩者的互補作用明顯，該著作的影響力之所以這么大，雖然與物理學在后期的發展和繁榮不無關系，但是基礎理論部分在其中也發揮了巨大作用，相對于抽象理論，唯象理論更易于引起實驗工作者的興趣。同時理論物理學家也從中受益良多，很多學者在完成第一部分的學習后，能更加清晰和透徹地學習第二部分，這樣就能夠更加有效地運用于實驗中。

其次，《晶格動力學理論》的很多內容還未在其他文獻上發表，內容具有不可替代性。玻恩在概述的序言中指出，本書并不是匯編已發表的結果，這本書不僅對玻恩學派已經發表的研究成果進行了總結，還囊括了黃昆先生進一步研究的創新成果，如對Bom-Oppen

heimer近似的闡述、晶格力常數、紅外譜線寬度量子理論、色散的唯像處理等。在ERA Report上發表了黃方程和繩子激化激元有關理論的詳細推導，這在一定程度上造成了《晶格動力學理論》的長壽。另外，晶體中紅外線吸收的精細結構、晶體中的拉曼散射等本書中預言的化學現象，就在激光出現后被一一證實。由此可見，本書是學術專著，并不是總結已有結果。國內學者進行偶記超晶格模型的研究，就是從《晶格動力學理論》中埃瓦爾的方法和宏觀場的分離獲得靈感，分離短程快變部分和長程緩變部分，這種方法在凝聚態物理理論中較為常用，也是黃昆重要的成就之一。

最后，《晶格動力學理論》的另外一個特征就是不會產生差錯。該著作中的理論計算非常繁復，在出版后的這段時期還沒有人指出其中存在的差錯。對于這一點玻恩感到很欣慰，但這一點黃昆貢獻要更多。曾經發生的一件事也許能夠說明這一點，玻恩雖然具有扎實的數學功底，并且曾經有選擇數據職業的想法，但長且復雜的計算確實是他的軟肋，一些初級、笨拙的錯失經常出現在他的工作中，而他身邊的同事、朋友也都了解這一點。曾經他正在寫一篇論文，主要內容是關于電子和氫原子碰撞，然后他請求奧本海默對理論中的計算進行檢查。看了之后奧本海默說道：“這確定是你自己寫的嗎，怎么會一點錯誤都沒有找到？”對此玻恩很欣然地接受，因為他知道世界上唯一能夠這樣直率說出的人就是奧本海默。實際中長科學計算也不是黃昆的強項，但是他個人的性格嚴謹，總是反復推敲自己所研究問題的每個環節，經常是否定過多次后才確定最終結論。黃昆說他的想法有90%都是不正確的，所以他用更多的時間進行推敲。同時他是反對在研究物理問題時使用過于繁瑣的數學方法的，但他又非常仔細嚴謹地進行數學推導和計算，他的每一個成果都需要反復多遍的檢驗，這也是其研究成果能夠經受時間考驗的重要原因。國內很多學者在閱讀《晶格動力學理論》時說到，雖然閱讀英文版多遍，但是仍沒有發現其中存在的任何錯誤，反而在很多中文譯本中看到翻譯錯誤和印刷錯誤，所以也非常希望在以后的《晶格動力學理論》中文版的出版中，出版社能夠提升翻譯和印刷水平，能夠將黃昆和玻恩先生的研究成果準確地展現在國內學者面前。另外《晶格動力學理論》作為一本傳世之作，物理學后續發展的內容不可能囊括進去，但是人們能夠從經典著作中獲得更加長遠的啟示和影響，那些新近發表的綜述文章或新書是不可與之同日而語的。

學科的開創和發展都是一代又一代科學家努力的成果，后來科學的發展都是建立在前人有益經驗和成果的基礎上的。《晶格動力學理論》是物理學者黃昆和玻恩的重要學術成果，一直引領著這一領域的發展，對于世界物理和中國物理都做出了重要的貢獻。我國學者應當科學看待《晶格動力學理論》這一著作，在科學研究中借鑒其中的有益內容、經驗、方法，但是該書不可能概括后續的物理學發展內容。本文對該著作的寫作進行了介紹，并且闡述了個人對這一著作的感悟。文本還存在一定局限，希望行業人員能夠加強重視，正確認識《晶格動力學理論》在該領域的地位和作用，進而推動我國物理學的發展。

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