一流物理學(xué)的傳承與發(fā)展：文化、學(xué)派、風(fēng)格和諾獎(jiǎng)

施郁

20世紀(jì)是物理學(xué)的世紀(jì)，而物理學(xué)的文化傳承對(duì)物理學(xué)的發(fā)展起到了重要作用。本文追溯了理論物理方面的文化、學(xué)派和風(fēng)格的變遷和傳承，這從一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)一流的科學(xué)文化和科學(xué)教育如何促進(jìn)創(chuàng)新。20世紀(jì)物理學(xué)的理論支柱之一是量子力學(xué)。本文著重與量子力學(xué)相關(guān)的方面。量子力學(xué)始于早期的量子論（將量子規(guī)則與經(jīng)典圖像結(jié)合）。早期量子論的代表人物是普朗克、愛因斯坦和玻爾。后來發(fā)展出新的量子力學(xué)，代表人物有海森堡、玻恩、薛定諤、狄拉克、泡利、約當(dāng)?shù)鹊取Ｔ诤竺孢M(jìn)一步的發(fā)展中，又涌現(xiàn)出費(fèi)米、貝特、惠勒、奧本海默等一批理論家，二戰(zhàn)之后，又有施溫格、費(fèi)曼、楊振寧、李政道等新一代理論物理學(xué)家。

17世紀(jì)，劍橋大學(xué)的牛頓創(chuàng)立經(jīng)典力學(xué)，提出萬有引力定律。19世紀(jì)，麥克斯韋集經(jīng)典電磁學(xué)大成，提出麥克斯韋方程組，也對(duì)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理做出貢獻(xiàn)，而開爾文勛爵是熱力學(xué)的代表人物，也對(duì)海底電纜等工程問題做出重要貢獻(xiàn)。他們也都與劍橋大學(xué)有很深的淵源。1897年，劍橋大學(xué)教授湯姆遜（J.J.Thomson）發(fā)現(xiàn)了電子。在曼徹斯特大學(xué)，盧瑟福和他的學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出原子由原子核和電子組成，后來盧瑟福回到劍橋大學(xué)。

丹麥物理學(xué)家玻爾（Niels Bohr，1885—1962）

玻爾和哥本哈根學(xué)派

玻爾是丹麥人，年輕時(shí)在嘉士伯啤酒的支持下，于1911年到英國訪問了一年，先是在劍橋大學(xué)，后來被盧瑟福邀請(qǐng)到曼徹斯特大學(xué)。

玻爾回國后，1913年提出了著名的玻爾原子模型，給出電子服從的幾條量子法則。之后玻爾曾訪問德國的哥廷根大學(xué)和慕尼黑大學(xué)，與慕尼黑的索莫非交流過。1921年，在丹麥政府和嘉士伯的支持下，他在哥本哈根大學(xué)創(chuàng)立了理論物理研究所。他1922年獲得諾獎(jiǎng)。玻爾去世后，紀(jì)念他誕辰80周年時(shí)，研究所改名為玻爾研究所。

玻爾研究所創(chuàng)立后，在物理學(xué)發(fā)展中，特別是在量子力學(xué)的發(fā)展中，起到了很大的促進(jìn)作用。它成為理論物理的“麥加”，很多青年物理學(xué)家喜歡去那里訪問，很多創(chuàng)新工作在那里得到催生。玻爾成為量子力學(xué)的精神領(lǐng)袖。圍繞玻爾，形成了一個(gè)哥本哈根學(xué)派。玻爾和哥本哈根學(xué)派的影響力在玻爾去世后也得以延續(xù)。

2005年的玻爾研究所

索莫非、玻恩和他們的學(xué)生

當(dāng)時(shí)在德國的慕尼黑大學(xué)和哥廷根大學(xué)，索莫非和玻恩也分別領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)從事量子論和量子力學(xué)研究的學(xué)派。他們是德國最早的理論物理學(xué)家。因?yàn)閹煆臄?shù)學(xué)家，他們研究理論物理的風(fēng)格也更數(shù)學(xué)、更嚴(yán)謹(jǐn)。

泡利是索莫非的學(xué)生，1921年獲得博士學(xué)位后，相繼在玻恩和玻爾那里做了一年助手，用今天的話說，就是博士后。泡利1924年提出量子力學(xué)的 “泡利不相容原理”。

海森堡也是索莫非的學(xué)生，1923年獲得博士學(xué)位后也成為玻恩的助手，又去訪問了玻爾幾個(gè)月，然后回到玻恩這里。

1925年海森堡寫出新量子力學(xué)的第一篇論文，打響了新量子力學(xué)的第一槍。后來玻恩和他的學(xué)生約當(dāng)也加入，寫了“兩個(gè)人的論文”，以及包括海森堡在內(nèi)的 “三個(gè)人的論文”。

除了泡利和海森堡，索莫非和玻恩還有很多學(xué)生成為20世紀(jì)的著名物理學(xué)家。

德國理論物理學(xué)家索莫非（Arnold Sommerfeld，1868—1951）

德國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家玻恩（Max Born，1882—1970）

海森堡和泡利分別獨(dú)享1932年和1945年的物理諾獎(jiǎng)。索莫非的學(xué)生中獲得諾獎(jiǎng)的除了泡利和海森堡，還有博士生德拜和貝特，博士后鮑林、拉比、馮·勞厄。貝特1967年得諾獎(jiǎng)。2016年得諾獎(jiǎng)的索利斯是貝特的學(xué)生，也就是索莫非的學(xué)生的學(xué)生。索莫非自己被提名諾獎(jiǎng)84次，可惜沒有得到。

玻恩的學(xué)生中得諾獎(jiǎng)的有博士生德爾布呂克和瑪麗亞·格佩特-梅耶、博士后費(fèi)米。諾獎(jiǎng)委員會(huì)有點(diǎn)虧待玻恩，1954年才給他授獎(jiǎng)。他的博士后奧本海默后來領(lǐng)導(dǎo)了研制原子彈的曼哈頓計(jì)劃。作為猶太人，玻恩流亡到英國后，還帶過幾位中國學(xué)生，從而影響了中國的理論物理。

奧地利理論物理學(xué)家泡利（Wolfgang Pauli，1900—1958）

德國理論物理學(xué)家海森堡（Werner Heisenberg，1901—1976）

薛定諤和狄拉克

薛定諤是奧地利人，1910年在維也納大學(xué)獲博士學(xué)位。1926年，他在德布羅意的物質(zhì)波假說基礎(chǔ)上，寫了幾篇論文，創(chuàng)立量子力學(xué)的波動(dòng)力學(xué)形式。

量子力學(xué)還有一位創(chuàng)始人是英國人狄拉克。他1926年在劍橋大學(xué)獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師是富勒。然后狄拉克在哥本哈根和哥廷根分別度過了半年。狄拉克發(fā)現(xiàn)波動(dòng)力學(xué)與矩陣力學(xué)都是量子力學(xué)的不同形式；又提出相對(duì)論量子力學(xué)，預(yù)言正電子。薛定諤和狄拉克分享了1933年的物理諾獎(jiǎng)。

奧地利理論物理學(xué)家薛定諤（Erwin Schr?dinger，1887—1961）

英國理論物理學(xué)家狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902 —1984）

蘇聯(lián)朗道學(xué)派

1930年，蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道簡短訪問了哥廷根和萊比錫（海森堡當(dāng)時(shí)在這里）后，來到哥本哈根訪問了一段時(shí)間。從此朗道稱自己是玻爾的學(xué)生。

朗道回國后在蘇聯(lián)物理學(xué)界影響很大，創(chuàng)立了朗道學(xué)派，很多蘇聯(lián)物理學(xué)家都屬于朗道學(xué)派，也影響了新中國的一批留蘇學(xué)生。1962年，朗道在病房里接受了諾獎(jiǎng)。

1930年代，玻爾曾經(jīng)訪問莫斯科，做學(xué)術(shù)報(bào)告，由朗道的學(xué)生伊夫琴科·栗夫席茲翻譯。聽眾中有人問玻爾：您是如何建立這么一個(gè)優(yōu)秀的學(xué)派的？玻爾說：“我從不介意告訴學(xué)生，我是一個(gè)笨蛋。”而栗夫席茲錯(cuò)譯為：“我從不介意告訴學(xué)生，他們是一個(gè)笨蛋。” 但他很快糾正了錯(cuò)誤。在場的卡皮查評(píng)論道：“這個(gè)翻譯錯(cuò)誤反映了玻爾學(xué)派和朗道學(xué)派的區(qū)別。” 雖然玻爾學(xué)派和朗道學(xué)派都取得了很多物理學(xué)成就，但是文化和風(fēng)格的不同肯定也影響了科學(xué)的發(fā)展和創(chuàng)新的風(fēng)格。朗道學(xué)派取得了很多踏實(shí)的成就，而且比較多地使用數(shù)學(xué)。但是也有特別創(chuàng)新的成果被朗道壓下，過了一個(gè)時(shí)期之后才允許發(fā)表。

蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道（Lev Davidovich Landau，1908—1968）

美國理論物理的風(fēng)格

1930年代開始，由于納粹上臺(tái)，歐洲很多物理學(xué)家移民美國，比如貝特、費(fèi)米。

美國理論物理學(xué)家施溫格（Julian Seymour Schwinger，1918—1994）

美國理論物理學(xué)家費(fèi)曼（Richard Feynman，1918—1988）

意大利裔美國物理學(xué)家費(fèi)米（Enrico Fermi，1901—1954）

1938年，費(fèi)米獲得諾獎(jiǎng)，逃往美國，因?yàn)槠拮邮仟q太人。我認(rèn)為費(fèi)米是對(duì)美國物理學(xué)影響最大的人。費(fèi)米的個(gè)人風(fēng)格，比如重視物理圖像和直覺，在美國物理學(xué)中留下了烙印，同時(shí)又切合于美國的實(shí)用主義風(fēng)格——類似于西部牛仔卷起袖子干活的作風(fēng)。

貝特、費(fèi)米等人與曾留學(xué)歐洲的美國人拉比、惠勒、奧本海默等人，影響了美國物理學(xué)的風(fēng)格。1934和1935年，惠勒訪問了玻爾，回美國后培養(yǎng)了很多學(xué)生，包括費(fèi)曼。

拉比1927年到1929年在歐洲，先是索莫非的博士后，后來訪問玻爾和泡利。拉比是諾獎(jiǎng)得主，他的學(xué)生有3位獲得諾獎(jiǎng)，大多是實(shí)驗(yàn)家。理論家施溫格也是拉比的學(xué)生，但是獨(dú)立工作。施溫格與費(fèi)曼因量子電動(dòng)力學(xué)重正化獲得諾獎(jiǎng)。施溫格培養(yǎng)了很多學(xué)生，其中4位后來獲得諾獎(jiǎng)。重正化的成功標(biāo)志著美國理論物理的興起。

執(zhí)行曼哈頓計(jì)劃的洛斯·阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）成為造就美國物理學(xué)風(fēng)格的熔爐。包括奧本海默、費(fèi)米、貝特、特勒、費(fèi)曼在內(nèi)的一大批最優(yōu)秀的物理學(xué)家在這里合作工作。

戰(zhàn)后，費(fèi)米和特勒去了芝加哥大學(xué)。楊振寧和李政道先后來到這里求學(xué)。楊振寧曾經(jīng)回憶，當(dāng)時(shí)芝加哥大學(xué)有一個(gè)很活躍的跨學(xué)科的沙龍讓人很受教益，主要參加者包括費(fèi)米、特勒和尤里。楊振寧和李政道都以曾受教于費(fèi)米而自豪。

費(fèi)米的其他徒子徒孫也非常多，比如溫伯格和格羅斯都是費(fèi)米的徒孫，分別因?yàn)殡娙趵碚摵蛷?qiáng)相互作用理論而獲得諾獎(jiǎng)。

貝特、費(fèi)曼等人去了康奈爾大學(xué)。兩年后，戴森從英國來做貝特的研究生時(shí)，還觀察到，康奈爾物理系很多教授來自洛斯·阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室，還保持著在那里形成的團(tuán)結(jié)合作。

中國理論物理學(xué)家李政道和楊振寧

所以戰(zhàn)后，洛斯·阿拉莫斯的風(fēng)格傳遍美國物理學(xué)界。在這方面，新一代的代表人物是費(fèi)曼。費(fèi)曼的物理學(xué)風(fēng)格體現(xiàn)了戰(zhàn)后美國物理的風(fēng)格。可以從《費(fèi)曼物理學(xué)講義》領(lǐng)略費(fèi)曼物理學(xué)的風(fēng)格。

楊振寧和李政道也是20世紀(jì)后半葉美國物理學(xué)的絢麗風(fēng)景線。他們將在中國打下的扎實(shí)基礎(chǔ)與在美國培養(yǎng)的物理直覺結(jié)合起來，活躍于創(chuàng)新前沿，成為一代學(xué)術(shù)領(lǐng)袖。30出頭時(shí)，他們就分享了1957年物理諾獎(jiǎng)。

位于美國新墨西哥州的洛斯·阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)立于1943年

中國物理學(xué)風(fēng)格變遷

新中國成立后，中國理論物理學(xué)界有幾位從英國、愛爾蘭回國的受玻恩影響的先生。但是從大環(huán)境來說，中國全面學(xué)蘇聯(lián)，向蘇聯(lián)派留學(xué)生，很大程度上受蘇聯(lián)風(fēng)格的影響。所以主導(dǎo)蘇聯(lián)理論物理的朗道學(xué)派的風(fēng)格對(duì)當(dāng)時(shí)中國的物理教育、科學(xué)教育產(chǎn)生了較大的影響。改革開放之后，物理教育又轉(zhuǎn)向美國風(fēng)格。

我們?cè)谇懊嫣貏e關(guān)注到不同學(xué)派之間的“交接”。不同學(xué)派、不同國家的科學(xué)家之間的傳承、流動(dòng)和交流是物理學(xué)的一個(gè)傳統(tǒng)文化。不同的學(xué)派有不同的風(fēng)格，既有傳承或相通，又各具特色、互相補(bǔ)充、與時(shí)俱進(jìn)。這對(duì)科學(xué)中心的形成甚至遷移，有很大作用，體現(xiàn)了文化對(duì)科學(xué)創(chuàng)新的影響，是很有意思的科學(xué)史現(xiàn)象。

受此啟發(fā)，希望中國的學(xué)者們也能加強(qiáng)交流，建立起一個(gè)個(gè)有特色的科學(xué)社區(qū)，加強(qiáng)不同學(xué)科的學(xué)者之間的交流和思想碰撞，促進(jìn)創(chuàng)新和科學(xué)文化建設(shè)。這也會(huì)增加未來科學(xué)中心移向中國的可能性，促進(jìn)中國的科學(xué)和教育真正走向一流。