英國物理學家內維爾·莫特爵士的科學人生

侯 捷 尹曉冬

(首都師范大學物理系,北京 100048)

1 莫特的生平

內維爾·弗朗西斯·莫特(Nevill Francis Mott, 1905-1996)于1905年9月30日出生于英國的利茲.莫特出生于一個書香門第, 莫特的父親查理斯·莫特(Charles Francis Mott, 1877—1967)是一位在英國有聲望的教育家,母親瑪麗·莫特(Lilian Mary Mott, 1879-1952)則是切爾滕納姆女子學院(Cheltenham Ladies’ College)的“明星”學生之一.[1]他們夫婦都曾在卡文迪什實驗室(Cavendish Laboratory)學習過. 莫特先后就讀于布里斯托大學克里夫頓學院(Clifton College, Bristol)和劍橋大學圣約翰學院(St. John’s College, Cambridge), 1923年12月,莫特以第一名的好成績考入了劍橋大學圣約翰學院.在父母影響下, 莫特從小就立志成為一名物理學家, 他認為數學能力是物理研究必不可少的條件.

在劍橋學習期間, 莫特曾經去找他的導師福勒(Ralph Howard Fowler, 1889—1944), 請福勒給他一些工作, 但是福勒當時在美國,福勒讓莫特等他回來的時候再來找他. 1926年, 薛定諤、海森堡等人關于量子力學的論文剛剛發表, 莫特在自學完這些由德文寫成的前沿著作之后萌生了一個想法:他試圖使用量子方法來推導盧瑟福散射公式. 經過不斷地嘗試,莫特取得了成功, 并把成果寫成論文交給了已經回國的福勒. 福勒非常欣賞莫特的論文, 于是幫莫特把這篇論文出版在了1928年4月的《皇家學會會刊》上. 在莫特畢業的時候, 福勒引薦莫特去哥本哈根的玻爾研究所(Niels Bohr Institute)學習. 莫特曾提到, 他非常感謝福勒的幫助, 他認為福勒對他的幫助是“雖然并不多,但都非常有價值的”.[2]

在玻爾研究所學習期間,玻爾研究所活躍的研究氣氛讓莫特意識到, 物理學家不應該只是在辦公室中獨自鉆研, 而是要多與其他人交換意見, 科學研究是一個社會性活動, 這樣的經歷使得莫特樂于與他人交流和合作. 1929年, 莫特應布拉格(William Lawrence Bragg, 1890—1971)的邀請到曼徹斯特大學講量子力學, 期間將自己的講義出版, 名為《波動力學綱要》, 對早期量子力學的傳播和發展起到了一定的作用. 1930年, 莫特回到劍橋擔任岡維爾-凱斯(Gonville and Caius College, Cambridge)學院的講師. 這一時期莫特關于碰撞理論和電子散射理論的研究取得了豐富的成果. 福勒當時計劃編輯出版一套《世界物理專著系列叢書》(International Series of Monographs on Physics), 其中包括許多著名科學家的作品, 包括狄拉克(Paul Dirac, 1902—1984)在量子力學方面的著作、伽莫夫(George Gamow, 1904—1968)在原子核物理方面的著作、范·弗萊克(John Hasbrouck Van Vleck, 1899—1980)在磁學方面的著作等等.[3]福勒邀請莫特來撰寫一部有關原子碰撞方面的著作. 受福勒之邀,莫特與馬塞(Harrie Massey, 1908—1983)共著了《原子碰撞理論》一書, 于1934年出版.

1933年, 莫特受廷德爾(A.M.Tyndall, 1881—1961)的邀請,出任布里斯托大學的理論物理學教授. 當時布里斯托物理系有一個出色的固體物理組, 成員包括研究金屬與合金性質的瓊斯(Harry Jones,1905—1986)、對金屬吸收X射線的能力很有研究的實驗家斯金納(Herbert Skinner, 1900—1960)等人. 為了更好地帶領這個團隊, 莫特的研究方向逐漸轉向了固體物理. 莫特將自己從哥本哈根獲得的經驗應用在了這個小組上, 積極地組織了許多討論活動, 很好地將理論家和實驗家的成果結合了起來, 在金屬與非金屬材料的原子、電子結構研究方面取得了許多成績. 他與瓊斯完成的《金屬和合金的性質的理論》(1936年出版)以及與格尼(R.W. Gurney)合著的《離子晶體中的電子過程》(1940年出版)這兩本經典的固體物理學著作是對莫特這一時期工作的總結. 這兩本著作以精湛的數學表達來闡述物理原理, 幫助了一代又一代的固體物理學家.

1953年, 當時的卡文迪什教授布拉格即將退休, 于是劍橋大學成立了一個評選委員會, 來推選下一任卡文迪什教授. 在候選者中, 評委們最看好的是考克饒夫(Sir John Douglas Cockcroft, 1897—1967). 考克饒夫是倍壓加速器的發明者, 在高能物理方面有豐富的研究經驗, 是引導卡文迪什實驗室進行核物理研究的不二人選. 不過在評選委員會詢問考克饒夫的意見時, 他委婉地拒絕了, 原因是他已經在哈威爾建立了一個原子能研究所, 無法脫身前往劍橋. 于是委員們進行了再一次的討論, 將莫特列為候選人. 雖然莫特的主要研究方向是理論和固體物理, 并不是核物理方面的專家, 但委員會最終決定讓莫特擔任下一任卡文迪什教授. 莫特認為他之所以能當選,是因為“卡文迪什實驗室需要一個新的研究路線”.[2]固體物理作為新的分支學科, 在當時取得了很多突破性的成果, 發展前景十分廣闊, 劍橋大學出于這樣的考慮, 便選擇莫特作為布拉格的接班人. 在收到出任卡文迪什教授的邀請后, 莫特感到“受寵若驚”. 同時他也有些擔憂,他所帶領的在布里斯托大學的固體理論研究是成功的, 而卡文迪什實驗室是世界聞名的物理實驗室, 他不知道自己能否勝任這項任務.

不過事實證明, 莫特的擔心是多余的. 莫特上任之后, 進行了一系列的改革工作, 下文將會進一步的進行闡述. 他憑借自身的素質和能力, 擔任過許多重要的領導工作, 處理事情不負眾望. 莫特有時也打趣說他寧愿成為一個“學術政治家”. 在莫特的帶領下, 卡文迪什實驗室經過了改組和擴建, 走上了一條與以往不同的嶄新道路, 開辟了許多新領域的研究工作, 并且在這些新領域里碩果累累, 出現了重大的發展.

2 主要學術貢獻

2.1 莫特散射與位錯研究

莫特初露頭角是成功地對盧瑟福(Ernest Rutherford, 1871—1937)的散射公式進行了量子力學推導. 1911年盧瑟福正是通過對α粒子大角度散射過程的觀察發現原子核的. 盧瑟福從經典理論出發, 把散射過程看作是一個帶電的快速粒子打到帶電的原子核上的碰撞行為, 提出了盧瑟福散射公式. 莫特認為, 根據薛定諤的觀點, 粒子束可以看成波, 從薛定諤方程也應該可以推出盧瑟福散射公式. 經過不斷的嘗試, 莫特成功利用量子方法推導出了散射公式. 雖然這在量子理論發展過程中不是特別重要的成果, 但它對莫特以后的科學生涯起了很大的作用, 它給了莫特很大的信心, 讓他堅信自己已經走上了成為物理學家的道路.

1929年, 莫特將狄拉克的電子理論應用到了核電子的散射上, 提出了電子彈性散射的二次散射理論. 莫特的這種散射理論后來被稱為“莫特散射”, 隨后發展成為“莫特電子極化術”, 其原理被應用于制作實驗儀器, 在顯微學、固體物理、高能物理等領域獲得了廣泛的應用.[4]1934年, 莫特與馬塞共著了《原子碰撞理論》一書, 書中介紹了很多處理碰撞問題的數學方法和各種方法的應用范圍及局限性, 是在原子物理及理論物理方面很有價值的一本參考書.[5]

從弗倫克爾(Yakov Il’ich Frenkel, 1894—1952)發現理論晶體模型剛性切變強度與實測臨界切應力的巨大差異之后, 泰勒(Geoffrey Ingram Taylor,1886—1975)等人提出了金屬位錯理論. 莫特對位錯理論產生了濃厚的興趣. 在布里斯托大學任教時, 他領導的小組對金屬及合金的性質(包括晶體的位錯、強度等)這一新領域進行了深入研究. 莫特先后發表了多篇論文, 發展了位錯理論, 并解決了一些位錯理論中的難題, 如明確了固溶體和共格性沉淀硬化對位錯運動的作用、提出了在兩個不同滑移面上滑移的一種機制——“螺型位錯交聯滑移”等. 莫特分別在1936年及1940年完成了《金屬和合金的性質的理論》、《離子晶體的電子過程》兩本專著, 成為固體物理學的奠基人之一.

2.2 莫特絕緣體與非晶半導體的研究

自布里斯托時期以來, 莫特的主要研究方向是固體物理, 而當他發現了半導體物理這個新領域之后, 又很快轉向了對半導體材料的研究. 能帶理論是半導體物理的基礎, 隨著能帶論的不斷發展, 新的問題很快就出現了. 1937年, 在布里斯托召開的一次會議上, 德布爾(Jan Hendrik de Boer, 1899—1971)與費爾韋(Evert Johannes Willem Verwey, 1905—1981)指出, 根據能帶論, 鎳氧化物能量最高的價帶應該是半滿的, 這種物質應該具有導電性, 但通過實驗測定, 它表現出來的卻是非金屬的性質, 這一現象引起了莫特的興趣.[6]1949年, 莫特發表的一篇文章中提到, 在某些絕緣體內核心之間的距離很大, 而當這些核心很接近時(通過給予足夠的壓力可以實現), 超過一個臨界值后就會變成導體. 他認為其原因就在于如果一些原子中的電子變為自由電子后, 就會影響到周圍的電子, 幫助它們也變成電離化的狀態, 并經過一個積累過程后突然轉變為導體. 這種絕緣體與導體之間的轉變后來被稱為“莫特轉變”. 莫特進一步考慮了鎳氧化物中價電子之間的相互作用, 指出在鎳氧化物中, 半填充的能帶被分裂成兩部分, 電子完全占據了一條能帶, 而另一條是空的, 因此無法導電. 莫特成功地對這個現象做出了解釋, 后來人們將這種絕緣體稱為“莫特絕緣體”, 這是一個十分重要的概念, 大多數高溫超導體的化合物都是莫特絕緣體. 莫特的合作者安德森(Philip Warren Anderson, 1923—)認為這是莫特在理論物理上最重要的貢獻.

在60年代中期, 莫特對磁性和無序系統的電子結構進行了理論研究. 第一篇關于無序結構中電子位置的論文是由安德森發表的, 當時安德森正在卡文迪什實驗室做訪問學者, 與安德森的交流使莫特轉向了對無序結構的研究. 莫特深入探索了無序結構中的電子過程, 使得安德森的局域化理論更加完善. 莫特指出, 雖然無序結構中的能帶無法清晰地分開, 但是電子在無序結構的能帶中會出現延展態和局域態兩種情形, 這兩種態之間有明確的邊界. 莫特將這兩種態的邊界稱之為“遷移率邊界(the mobility edge)”. 若非晶結構的無序性越來越強, 就會出現安德森局域化, 在這種局域化出現之前的一剎那, 材料電導率為一常數, 莫特將其稱為“金屬最小電導率(the minimum metallic conductivity)”. “莫特絕緣體”、“遷移率邊界、“金屬最小電導率”這些概念豐富了無序結構的理論領域, 可應用于非晶硒、摻雜半導體、躍遷金屬氧化物等不同種類物質的研究. 莫特的成果使得他成為了非晶半導體這個嶄新領域的奠基人之一. 1974年, 莫特出版了《金屬—絕緣體躍遷》一書, 書中對晶體、摻雜半導體、過渡金屬氧化物、液態系統中的金屬—絕緣體躍遷的規律進行了論述.這本書可以說是半導體物理學的一部名著.[7]

由于對無序結構的電學性質方面的研究, 1977年莫特與安德森、范弗萊克一起獲得諾貝爾物理學獎. 莫特等人的工作將對非晶半導體的研究迅速脫離了理論范疇, 接近了實際應用領域. 非晶體材料的性質與半導體有相似之處, 可以作為半導體使用, 并且非晶體材料比半導體要好制備得多, 這使得利用非晶體材料來制作更廉價的太陽能電池成為了可能, 并且對計算機、復印機等設備的進一步改進產生了影響.

3 管理工作貢獻

3.1 大膽改革

第二次世界大戰后, 英國的經濟實力大為削弱, 政治地位下降, 而美國則憑借地理優勢、經濟的富有和開放的民族性格, 吸引了大量東西方優秀的科學家. 當莫特還在布里斯托大學任教時, 就感受到了美國貝爾實驗室掀起的微電子科技革命的沖擊, 相對而言, 英國的固體物理已經大大落后了. 在莫特擔任卡文迪什教授之前, 卡文迪什實驗室的歷屆教授大多數是實驗物理學家出身, 但隨著固體物理和凝聚態物理的發展, 理論方面的重要性日益上升, 若要占領這些學科的前沿陣地, 就必須讓實驗室的重心偏向理論方向. 莫特在實驗室管理上采取了很多新的辦法, 進行大膽的改革.

自盧瑟福去世后, 許多出色的核物理學家離開了劍橋, 實驗室里的儀器也已經“落伍”了, 卡文迪什實驗室在核物理方面的優勢逐漸衰落了下去. 于是繼任盧瑟福的布拉格決定建造一個大型的直線加速器, 期望讓卡文迪什重新成為核物理領域的領頭羊. 不過由于資金和技術原因, 修建中的加速器依然不如美國先進. 莫特上任后, 經過反復的思考, 最終決定停掉制造大型加速器的項目. 一方面由于建造大型的加速器會占據大量空間, 耗費大量資金, 而且也存在嚴重的防輻射問題;另一方面, 莫特認為即使建成了這個大型加速器, 在高能領域也依舊無法超越當時的美國. 在莫特看來, 卡文迪什實驗室是一個世界頂尖的實驗室, 如果要做, 就一定要做到世界水平, 否則就不要去做. 而且莫特對自己的工作已有了下一步的打算, 他決定將卡文迪什實驗室的研究方向轉移到固體及凝聚態這些新興領域, 大型加速器則與國外的實驗室協商使用.

莫特還將當時剛剛興起的分子生物學組從卡文迪什實驗室分離出去, 原因是隨著分子生物學組的擴大, 需要更多的房間和設備, 而卡文迪什實驗室內已經沒有什么空地了. 更嚴重的是在物理學家看來這個學科不屬于物理, 因而對其存在和發展抱有抵觸情緒. 于是莫特與醫藥委員會協商, 請他們投資建立了分子生物學實驗室, 將他們從卡文迪什實驗室分離出去. 這樣一來分子生物學組既能得到更好的環境, 也無需再占用卡文迪什實驗室的資源了. 同一時期, 卡文迪什的結晶學組也被停掉. 莫特在這兩個組的原地方, 建立起射電天文學和固體物理兩個新組. 這樣, 卡文迪什實驗室就基本完成了向理論方面的轉化.[8]

莫特退休時, 卡文迪什實驗室的學科從8個擴展到12個, 涵蓋了流體物理、核物理、固體物理的各個學科. 在莫特的積極活動和籌措之下, 卡文迪什實驗室的規模越來越大, 原有的建筑已無法容納如此多的科研人員, 因此卡文迪什實驗室建立了以皮帕德(Alfred Brian Pippard, 1920—2008)為領導的建筑委員會, 向劍橋大學提議擴建卡文迪什實驗室. 最終劍橋大學同意了擴建計劃, 在莫特退休后建立了新的辦公大樓.

3.2 教育工作

莫特除了研究方面的工作外, 還非常關心教育教學, 在劍橋大學進行了一系列教育改革工作. 1954年, 莫特剛剛擔任卡文迪什教授, 很難在實驗室里找到自己的位置. 于是莫特決定先將他的工作重心放到教育方面, 而研究方面則需要與科學家們繼續磨合. 據莫特回憶, 他在劍橋的教育方面有兩個主要任務. 他發現劍橋大學的自然科學榮譽學位考試存在一些弊端. 當時學校的規定是在前兩年學習3門基礎課程, 然后在第三年才開始學習專業化的知識, 如量子力學及其后的所有課程, 而次年的5月就要進行終考, 學生沒有太多的時間來消化新知識. 為了今后培養前沿人才的考慮, 莫特決心要讓學生在第二年就接觸到這些現代的新理論. 但是劍橋的老傳統有很深遠的影響, 莫特為此力爭了3年, 經過不斷地申請和協商, 最后終于通過了新的教學方案, 他還親自給二年級的學生講授量子力學.[9]莫特還注意到, 劍橋的學院獎學金考試太過專業化, 很難體現出學生的真正水平和創造能力. 他認為學生應該被鼓勵去自己探尋物理的奧妙, 而不是單純通過老師的講授, 只有這樣才能真正的鍛煉學生求知的能力. 因此從他1959年擔任劍橋大學岡維爾—凱斯學院院長之后, 就將這種考試退回到系里, 由系里的教師負責出題, 讓試題更加靈活寬松, 學生們也有了更多的發揮空間.[8]

莫特熱心于科學教育事業, 除了劍橋的工作外他還擔任了許多其他大學教育委員會的工作, 以及國家繼續教育學院的主席多年.這些工作使得莫特積累了豐富的教育教學的經驗和方法. 莫特與德國著名的教育家庫爾特·哈恩(Kurt Khan, 1886—1974)關系很好, 二人對于中學教育的觀點也有很多相同之處. 莫特提到當時很多的中學生都專注于自己的學業任務, 很少參加其他活動, 尤其是一些需要勇氣、毅力的體育活動項目等, 于是莫特主張學生除了要達到學業方面的要求以外, 也需要滿足其他包括體育活動等方面的要求, 培養學生堅強獨立的性格, 以期成為全方面發展的人才. 莫特也滿懷熱情地在這方面做了許多工作, 如開展各種課程的討論會、設計相關的考試等, 他還希望可以讓更多的大學教師也能認可這種觀點, 并把這樣的教學理念推廣到大學去.

雖然莫特是一名物理學家, 但他也曾就任過現代語言協會的主席, 并且發表過一些關于外語學習與科學教育的看法. 莫特提倡讓學生學習更多種類的外語. 他以當年自學德語原著的量子力學論文的切身經驗舉例, 提到“如果我們想閱讀這些論文, 就要學習德語, 而如果我們想和德國科學家們討論量子力學, 我們就要學說德語.”[2]莫特已然敏銳地察覺到, 在未來的世界上學習更多的語言就代表著更多的可能性. 莫特還進一步指出, 科學家們除了科學研究外, 還應當肩負起宣揚科學、為科學營造健全的社會輿論的任務, 而這其中所需要人文素養卻是現在的理科學生所缺少的部分. 莫特認為通過對外國語言的學習, 進而對相應國家的歷史進行了解, 既能讓學生開闊眼界, 同時也是培養學生人文情懷的一個很好的途徑.

我國著名的固體物理學家黃昆(1919—2005)正是莫特在二戰后所收的第一位博士生, 莫特對他學術風格的形成有很深的影響. 在師從莫特的期間, 黃昆認為莫特具有很強的洞察力, 非常善于透過復雜的表面現象明晰事物的本質, 并且提出簡單的物理模型, 用最簡單的數學方法解決問題. 他還提到, 莫特并不崇尚泛泛的博學多聞, 而是致力于在一段時期內集中精力思考自己當前研究的具體問題.[10]黃昆所概述的莫特的學術風格其實也正是他自己的風格, 他儼然把莫特當作了自己的榜樣.

3.3 與工業的結合

莫特雖然是一名理論物理學家, 但是他非常重視理論研究與實際應用的結合, 并且在這方面做了許多的工作, 甚至推動了劍橋科技園的誕生.

莫特這種重視理論應用的想法首次實現于1938年, 當時他與格尼一同研究了潛影過程, 弄清了潛影效應發生的機制. 柯達公司將這項成果應用于底片制造業.這是莫特與工業領域的第一次緊密合作. 1940年, 莫特獲得了英國皇家攝影學會的獎章. 有趣的是, 莫特和格尼之前從未進行過感光材料方面的研究, 他們只是通過自己關于量子力學和固體物理方面的知識進行理論推導來得到他們的結論的. 他們二人偶然間的發現,卻完成了感光科學的第二次飛躍.[11]

1939年, 第二次世界大戰爆發. 莫特作為戰地科學家被派遣到軍隊中, 并參加了許多國防工作的研究項目, 包括雷達技術、研制碎片手雷以及軍備的計算工作等.[12]這讓莫特接觸到了國家的前沿技術領域——軍備的改造及新型軍備的研發. 在這個過程中, 莫特愈發體會到理論與應用結合的重要性, 并對自己未來的工作有了一個初步的規劃, 他打算戰后在布里斯托或者其他地方建立一個與工業相聯系的理論物理組, 為工業實用領域的科學家、工程師們提供理論或者計算上的支持, 并做一些工業領域相關的理論研究.

戰爭結束后, 莫特回到布里斯托大學, 并按照自己的想法, 將固體物理組與工業應用方面建立了緊密的關系. 莫特經常邀請工業人員來學校學習理論知識, 并向他們介紹一些最新的研究發現等, 尤其是美國的工業人員. 這樣的合作不僅能為這些工業人員解決他們工作中遇到的理論問題, 還使得莫特的小組能從中得到一些財政幫助, 同時也帶來了工業領域的前沿課題.[2]

在擔任卡文迪什教授期間, 莫特曾兼任劍橋大學評議委員會主席, 發表了名為《大學和以科學為基礎的產業關系》的報告, 即“莫特報告”. 莫特在報告中指出, 科學研究應加強與教學的聯系, 同時也應該將科研成果應用于各個工業行業, 比如醫學和農業等. 在“莫特報告”的啟發下, 劍橋的三一學院在城市西北角建立了劍橋科學園, 促進了整個劍橋地區高技術工業的發展, 也使得科學家有更多的研究方向及資金支持. 劍橋科學園涉及的領域包括生物化學、計算機、醫藥、通訊激光等等, 這樣的合作得到了巨大的反響, 在十幾年內產生了許多重大科技成果, 后來人們稱之為“劍橋現象”, 大學——工業園的模式也被更多的大學所效仿.

4 結語

莫特是一個謙虛的人, 他在諾貝爾獎獲獎演說中提到, 這份榮譽應該與全世界范圍內和他談論通信過的人們共同分享. 他熱愛科學, 把創造新理論和與同事辯論當作最高興的事.[13]在他的著作中, 莫特擅于把復雜的物理現象用簡潔的數學理論來闡述, 因而被許多學科用作課本或參考書. 莫特還被認為是半導體物理甚至是固體物理革命的帶頭人之一, 他一系列開創性的新發現在國際上產生了深遠的影響.[8]

莫特很關心教育事業, 并且把將他人引向成功之路作為自己的一大快樂. 他經常給年輕人提出一些很好的建議, 還會幫助他們設計實驗, 最后還按照量子力學的觀點, 對實驗結果一一進行解釋. 擔任岡維爾——凱斯學院院長期間, 他也是一位在中學教育方面有影響的顧問. 在莫特擔任卡文迪什教授的任期內, 他一直提倡自由而活躍的研究氣氛, 經常鼓勵系內人員進行各種形式的討論和交流. 在這樣優秀的環境里, 誕生了4位諾貝爾獎得主——1973年約瑟夫森(Brian David Josephson, 1940—)獲諾獎, 1977年莫特本人獲諾獎, 1974年休伊什(Antony Hewish, 1924—)和賴爾(Martin Ryle, 1918—1984)一起獲得諾獎. 莫特除了獲得諾貝爾獎外, 還獲得過不少其他榮譽和獎項. 1941年獲得休斯獎章, 1953年獲得皇家獎章, 1962年被封為爵士, 1972年獲得科普利獎章, 1977年獲得國家功勛騎士勛章. 英國倫敦大學、牛津大學、法國巴黎大學以及其他多所大學均曾授予他榮譽科學博士學位.[14]在莫特去世后, 英國物理學會專門設立了一個叫做“莫特獎(Nevill Mott Medal and Prize)”的獎項, 這個獎項主要頒發給對凝聚態物理或固體物理有杰出貢獻的人, 以紀念這位極大地推動了固體物理學發展的科學家.