粒子、空間、細胞、大腦

丁兆君

1931年10月1日，唐孝威出生于上海。祖父是我國著名教育家、上海交通大學首任校長、國學大師唐文治；外祖父陸勤之曾任交通大學總務長；伯父和父親皆曾赴美留學。在這樣的一個書香門第，他自小就受到良好的家庭教育，祖父即是他的啟蒙老師。

書香門第走出的“少年布爾什維克”

幼時，正逢日寇侵華。懵懂的唐孝威，經祖父的教誨以及耳聞目睹日寇殘暴屠殺同胞的血腥事實，自小即在稚嫩的心靈里埋下強國雪恥的種子。

1939年，8歲的唐孝威進入上海南洋模范小學讀書；1943年以優異的成績升入上海南洋模范中學，品學兼優的他一直擔任班長。升入中學后，唐孝威積極投身學校地下黨組織領導的進步學生運動中，并在17歲那年加入中國共產黨。高中畢業時，在黨組織的安排下，他同時報考了國立上海交通大學和清華大學，先后收到兩校的錄取通知書。征求祖父的意見后，唐孝威進入清華大學電機系學習。

在大學第一學期的嚴冬，唐孝威原本就有的關節痛更加嚴重，結果轉成類風濕脊柱炎。電機專業需要經常下工廠、上工地，考慮到身體因素，他在大二那一年轉入物理系學習。當時的清華大學物理系名師薈萃，有葉企孫、周培源、王竹溪、孟昭英、余瑞璜、彭桓武、葛庭燧等一批知名教授。轉系后，唐孝威的學習興趣更加濃厚，并取得了優秀成績。

從核探測開始科研生涯

1952年，根據國家要求，作為清華大學在新中國成立后入學的第一屆理工科學生，唐孝威在學滿三年后，提前一年畢業參加工作。他被分配到中國科學院近代物理研究所（后改稱物理研究所、原子能研究所，1973年在原子能研究所一部的基礎上組建高能物理研究所），吳有訓、錢三強與王淦昌先后擔任該所所長。所里共分四個大組，第一大組是由趙忠堯領導的實驗核物理組。其下又分四個實驗研究組，其中之一是探測器組，組長是后來擔任中國原子能科學研究院院長的戴傳曾，唐孝威就被分在這個組里工作。他和同事們一道白手起家，克服各種困難，終于研制出第一批氣體核探測器。

1953年夏，唐孝威接受一項絕密任務——跟隨地質部勘探小分隊到南方山區尋找鈾礦。他帶上所里自制的探測器，在湖南、山西一帶奔波三個多月，終于圓滿完成任務。次年春，他再次接受特殊的保密任務——探測國外在太平洋進行核試驗對我國大氣層造成的核污染。他帶上探測器，與另兩位同事一起登上專用飛機，穿梭于高空大氣層中，對高空環境進行放射性監測。這一時期，唐孝威在所里老物理學家的帶領下，從事并完成了有機蓋革管、鹵素管、強流管等多種特殊形狀和用途的計數管的研制，并研究其氣體放電現象，這些工作為中國的核探測器事業打下基礎。

1956年，蘇聯杜布納聯合原子核研究所成立，在中方負責人王淦昌的提議與推薦下，唐孝威被選派到該所原子核問題實驗室參加研究工作。他與兩位蘇聯同事一起先后進行質子吸收π-介子的實驗和高能電子產生電磁級聯簇射的實驗。后來，他又和另一位蘇聯科學家一起研制出可控高壓脈沖供電計數器。這種新型探測器是之后在高能實驗中被廣泛使用的火花室和流光室的先驅。在此期間，唐孝威還參與全吸收譜儀和多板結構的取樣式電磁量能器的研究和應用，這些均為在國際上率先開展的研究工作。

“兩彈一星”立豐功

1960年4月，唐孝威奉調回國，到二機部（核工業部的前身）九院（核武器研究院）報到。負責人朱光亞讓他從事研制原子彈所需要的核物理和核測試工作。于是，他帶領實驗組的幾個年輕人，利用原子能研究所的回旋加速器進行中子物理實驗，進而研究制造原子彈所需要的探測器。他們還到河北境內長城腳下的爆轟試驗場，參加小型爆轟物理實驗研究。在原子彈研制進入關鍵階段時，他們又轉移到地處青海省海晏縣“金銀灘”的西北核武器研制基地。1964年“五一”之際，唐孝威回京結婚，新娘呂芳是語言學家呂叔湘的小女兒。

在原子彈爆炸的關鍵技術——中子點火的試驗過程中，唐孝威帶領實驗組自己動手制作各種探測儀器，其記錄數據始終做到準確無誤。由他負責的實驗測試組與鄧稼先領導的理論設計組密切配合，通過分析各種核輻射數據，對核彈內部復雜的反應過程進行了測量和診斷。1964年10月16日，原子彈成功爆炸，唐孝威首先確證了中子點火技術的成功。

完成原子彈研制的試驗任務后，唐孝威又帶領實驗人員投入氫彈的研制工作。他和鄧稼先、于敏等反復論證，提出了許多關鍵性的思想和一系列方案與設計，又研制出了一系列測試儀器。氫彈爆炸試驗時，唐孝威守在試驗記錄系統旁，當場報出核爆炸瞬間的關鍵性試驗數據，首先判斷和證實了我國氫彈爆炸原理的成功。1967年6月17日，又一朵蘑菇云在羅布泊上空升起，中國成功試爆了第一顆氫彈。

“文化大革命”時期，唐孝威因莫須有的罪名歷經磨難，身體更加羸弱。幸好后來王淦昌恢復了工作，把他調回北京休養，先前種種罪名后來得到平反。1973年，高能物理研究所成立不久，唐孝威便被張文裕所長調去。他接到的第一項任務就是在返回式衛星內安裝探測空間輻射的儀器，以探測輻射對衛星艙內物體的損傷。唐孝威與同事一起通過核乳膠觀測，發現空間輻射的影響并不如預期那般嚴重，得出衛星所載物體的保護層可以減少的結論。他們的研究成果為我國衛星設計和發射提供了重要數據，使得衛星的容量增加，造價降低。

從DESY到CERN

1977年8月17日，鄧小平宴請歸國的華裔諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中一家，席間達成了派遣中國科技人員參加大規模國際合作實驗的協議。關于人選，丁肇中對高能物理研究所領導說：“唐孝威先生就很合適。”[1]五個月之后，中國派出的10人科學實驗小組飛抵德國漢堡，領隊人就是唐孝威。他們在德國電子同步加速器研究所（Deutsches Elektronen Synchrotron， DESY）丁肇中所領導的MARK-J組，工作在當時世界最大的正負電子對撞機PETRA上。唐孝威在初步了解原已設計好的實驗方案之后，提出一個改進探測器的建議，在組內引起很大爭議，丁肇中卻覺得這個建議很重要。最終討論的結果是，MARK-J探測器的核心部件——電磁量能器按照唐孝威的建議進行改進。改進工作由唐孝威負責，很快完成。在獲得了一批重要的實驗數據之后，丁肇中請唐孝威代表MARK-J組于1979年初去參加美國物理學會的年會，并作研究成果報告。主持會議的瓊斯（L. Jones）介紹說：“這是來自新中國的物理學家第一次在這里向大會作學術報告。”1979年6月，MARK-J組發現了強子三噴注現象，結果與量子色動力學理論的預期值相符，為膠子的存在提供了重要的依據。正如丁肇中所評價的那樣，唐孝威在膠子的發現中“作出了重要的貢獻”。[2]

在漢堡，唐孝威認識了日本科學家小柴昌俊（M. Koshiba），兩人都對質子衰變實驗有著濃厚的興趣，并討論了實驗方案。在唐孝威回國后，他們經過多次通信聯系，建議中日兩國合作在地下建造大型水切侖柯夫探測裝置，以探測質子衰變。考慮到日本少高山，因此兩人共同提議實驗在中國進行，經費由他們二人向各自政府申請。唐孝威遂向中國科學院提出申請，并做了一些先期考察工作。但該項研究計劃最后沒有得到批準，未能進行下去。小柴昌俊則獨自進行實驗，雖然未能如預期那樣探測到質子衰變，但得到了一些“副產品”——證實存在太陽中微子丟失現象，并首次探測到超新星爆發所產生的中微子信號。他由此榮獲2002年諾貝爾物理學獎。[3]

1982年初，位于日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）決定新建世界最大的大型正負電子對撞機LEP。高能物理研究所派出以唐孝威為首的18位科研人員參加由丁肇中所領導的L3國際合作組。他們參與了L3探測器一個重要組成部分——鈾強子量能器的設計和研制，以及其中正比室的設計和制造。1989年7月，LEP成功實現正負電子對撞，L3組的實驗結果精確驗證了粒子物理標準模型的準確性，特別是精確測量了中間玻色子Z0的質量和寬度，確證了自然界中只存在三種帶電輕子與三種中微子，為電弱統一理論（electroweak unified theory）提供了決定性的實驗證據。這是粒子物理學史上一個新的里程碑。

宇宙探測研究

當初用衛星運載核乳膠測量空間輻射劑量時，唐孝威和同事還觀測到空間原初宇宙線中的重原子核，并分析了它們在乳膠中徑跡的結構。除此之外，他還關注利用衛星進行有關X射線天文學和γ射線天文學的研究。1980年代末，他與合作者做了在隕石中尋找宇宙核塊產生的古老徑跡的實驗，以探索宇宙中的暗物質。

1993年底，丁肇中和唐孝威經過多次交換意見，設想研制一種能直接觀測宇宙帶電粒子的太空磁譜儀。接著，丁肇中又邀請美、歐、俄的科學家，組成國際合作的阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer， AMS）研究組。1994年3月，丁肇中到北京與唐孝威討論用中國的釹鐵硼永磁體材料研制磁譜儀的具體方案，舉世矚目的AMS實驗就此開始，其目標是探測宇宙中的反物質，尋找暗物質，并對宇宙中各種同位素的豐度進行精確測量。1998年6月2日，美國“發現者”號航天飛機把AMS送上太空。

生命科學領域的交叉研究

唐孝威自小對生命現象感興趣。1980年代，他先后結識生物學家貝時璋、湯佩松、馮德培、張香桐等人，經常向他們請教一些生物學方面的問題。貝時璋覺得，唐孝威只探索了無生命的科學領域，沒能充分發揮其才智，鼓勵他再探索生命科學領域。王淦昌也鼓勵唐孝威在物理學與生物學、醫學的交叉研究方面作一些嘗試。

基于對生命離不開液體的認知，唐孝威選擇液態物理作為他生命科學研究的開端。他研究了固液兩相的懸浮微粒系統，提出用微粒探針研究液體的設想；研究了活細胞內微粒的跳躍運動和布朗運動及細胞器的轉動理論，并探索了細胞內部基于分子馬達的主動運動的規律；對花粉管生長和內部顆粒運動作定量測量，提出活細胞內分子漲落的概念；定量研究了細胞的有絲分裂，提出一個動力學的模型；研究了神經細胞中的軸漿轉運、植物體內有機質運輸問題。為觀測納米尺度的生物結構和運動，他提出發展近場操作、檢測、成像技術來研究生物大分子體系的特性。

從1990年代起，唐孝威又從生命科學的基礎研究進入原本陌生的醫學領域。他與人合作，進行紅細胞聚集過程的實驗，還積極促進有關單位在醫學物理方面的研究。1994年，唐孝威擔任國家攀登計劃“核醫學和放射治療中先進技術的基礎研究”項目的首席科學家。最吸引他的研究對象是自然界中最復雜的人腦及其高級活動，他尤其關注無創傷條件下活體人腦活動的動態過程研究。為此，他著力研究腦功能成像技術，并積極進行有關記憶的心理學實驗研究。

2001年從高能物理研究所正式調入浙江大學物理系后，為在物理學、生物學、醫學、心理學等交叉學科領域開拓新的研究方向，唐孝威籌建了一個交叉學科實驗室，指導研究生開展軟物質、生物物理學、神經信息學與腦功能成像等方向的研究。正如克里克（F. Crick）那樣，唐孝威在年屆古稀之時，更加有了緊迫感，他拒絕擔任一切職務，想要充分利用可以利用的一切時間進行生命科學領域的研究，從而為人類的健康多作貢獻。

科大高能物理和團簇物理的國內外合作

唐孝威1979年自漢堡回國后不久，中國科學技術大學（簡稱科大）校長嚴濟慈與第一任黨委書記郁文便分別與之談話，希望他到科大工作。他欣然答應，此后便開始在科大兼任教授，從此與科大結下不解之緣。

早在1978年赴德之時，唐孝威領導的科學小組成員中就有科大近代物理系的兩位教師許咨宗與楊保忠。1980年代初，唐孝威會同陳宏芳、許咨宗、楊保忠等人做了一些推動工作，使科大成為參與L3國際合作組實驗研究的一員，L3國際合作組也在科大建立實驗室，進行數據分析及新探測器的研究。他們還邀請丁肇中以及西歐一些高能物理實驗專家到校進行學術交流，又陸續從科大選派了幾批學生去參與國際合作組工作。后來成立的高能物理聯合研究所，更加強了科大在此領域的國際合作，使得科大的高能物理成為很活躍的學科。唐孝威還在科大親自講授高能物理課程，指導了一些研究生。

1990年代初，唐孝威與近代物理系教授卞祖和商量，決定在科大開展團簇物理的研究。為此，他積極奔走于合肥、上海、南京等地之間，與復旦大學、中國科學院上海光學精密機械研究所和南京大學聯系，聯合建立了研究室。后來在唐孝威的倡議、組織和領導下，幾家單位聯合承擔國家自然科學基金重點項目“原子、分子團簇的形成機理和特性”研究，取得顯著進展，并獲得一些有意義的成果。[4]與此同時，唐孝威與施朝淑、張允武等人共同指導研究生進行團簇物理實驗，利用同步輻射裝置研究團簇的光電離現象等。他還和宮竹芳、楊保忠等討論了用高分辨光譜方法進行水分子小團簇的實驗研究。另外，他與科大國家同步輻射實驗室的盛六四在研究團簇物理時有過密切合作。這些工作，不但為我國團簇物理的發展作出貢獻，也推動了科大與復旦大學、南京大學等的合作。

對同步輻射與量子通信研究工作的推動

1970年代末，科大率先提出建設電子同步輻射加速器，唐孝威對此十分支持。當時在國內對同步輻射及其應用了解不多的情況下，他積極倡導同步輻射光源的應用。1983年在合肥召開的中國第一次同步輻射研討會上，他應邀在會上作關于同步輻射原理及其應用的報告，并且建議有關方面及早進行同步輻射光源應用的準備。他還努力為科大同步輻射實驗室爭取大型計算機設備。

1991年底，科大國家同步輻射實驗室正式成立，唐孝威應聘擔任學術委員會副主任。兩年后，他覺得現有裝置對已有光源的應用不夠充分，于是他向何多慧等幾位實驗室負責人建議增加光束線與實驗站，以改進和提高光源性能。為獲得國家支持，唐孝威又去找錢臨照，由他們二位發起，聯合王淦昌、謝希德、盧嘉錫等，共34位學部委員向國家科學技術委員會提出《關于集中力量全面建設、充分利用合肥國家同步輻射光源的建議》。經過論證，他們的建議得到國家有關部門的支持。1996年，國家同步輻射實驗室二期工程作為“九五”首批國家重大科學工程項目啟動，于2004年底通過國家驗收。如今的國家同步輻射實驗室設備已比較齊全，所有指標均優于原初設計，新建實驗站亦滿足相關研究的需求。

科大物理系教授郭光燦很早就在量子通信和量子計算領域做了較多工作，尤其是在理論方面，這些工作一直得到唐孝威的大力支持。1998年，第98次香山科學會議在唐孝威和郭光燦的策劃下，聯合王大衍等人，以“量子通信與量子計算”為主題召開。這次會議就量子通信與量子計算的研究現狀、關鍵問題、發展方向及對策等進行了廣泛和深入的交流與討論，對該研究在國內的發展作了一次有力的推動。

“狂熱的追求”——科大腦科學研究中心的建立

1994年，中國科學技術大學出版社出版由唐孝威翻譯的克里克著作《狂熱的追求》。這本書對唐孝威產生了很大影響，使他對生命科學有了一個全新的認識。就在那段時間，他找到科大生物物理系教授張達人，與他探討為何記憶廣度（容量）是7±2（這涉及腦的機制）。后來他們一起（還有陳湘川博士等人）做了很多心理學實驗。他們以科大學生作為研究對象，通過視覺和聽覺的混合刺激，同時研究短時記憶貯存系統的語音回路和視覺空間這兩個相對獨立的子系統，測量記憶廣度，找到了一些規律。唐孝威提出用記憶時序分析方法來研究大腦記憶活動，他還和同事將心理學實驗與腦功能成像實驗結合，研究人記憶過程的腦活動。通過這次合作，唐孝威感覺學到了不少東西，對此更感興趣，從而萌生了在此基礎上進一步探討腦機制的念頭，尤其是想通過用這種記憶測試的方法來診斷老年癡呆癥。為此，他還做了一些量表，以期了解老年人記憶的衰退。

1990年代，唐孝威與張達人有過很多討論與合作，包括申請研究項目、成立研究組織、建立研究平臺，致力在國內推動腦科學研究。他們積極策劃在科大創建腦科學研究中心，后經有關部門的多次協商和籌劃，1997年10月，科大腦科學研究中心正式成立，唐孝威任中心主任，這是國內最早的腦科學研究中心之一。他們后來又在生物物理系建立實驗室，從美國引進在核磁共振成像方面頗有建樹的胡小平博士，一起著力建立實驗平臺，開展腦功能成像研究，這是國內最早開展的腦功能成像研究之一。

兼職教授的言傳身教

從1980年起，唐孝威多年兼任科大教授。除親自給近代物理系的學生講授高能物理課程之外，他還指導學生做大量實驗。每次登上講臺之前他都會做好充分準備，授課時深入淺出、通俗易懂，深受學生歡迎。他提出了量子力學、正電子物理、團簇物理、探測器物理等多領域的課題，與科大教師共同指導研究生進行實驗研究，培養學生獨立工作的能力。后來科大有不少工作出色的學者是他曾經帶過的學生，他甚至培養過父子“兩代學生”。唐孝威始終認為，作為老師，要熱愛教育、熱愛學生；既要教書，又要育人；既要注重言傳，更應注重身教。他十分反感時下的很多研究生稱其導師為“老板”，他覺得那樣太商業化，導師與研究生不是老板與打工仔的關系，而應是純潔的師生關系，老師應將學生看作是自己的孩子，盡力去培養。

三十余年來，唐孝威總是想著要為科大多做一些事情。他把自己看作是科大的一員，將科大作為自己事業的一部分。他投入大量時間在科大，每年多次到合肥講學或指導工作，甚至在周末、節假日也不休息。1993年，谷超豪校長離任回上海，與他稔熟的唐孝威還與他開玩笑，要與他比一比今后誰到科大更多一些。多年來，數不清他究竟有多少次專程到合肥，他不但沒有因此拿過科大一分錢的報酬，也從不參加任何宴請，安徽境內諸如黃山、九華山等旅游勝地，一次沒有去過。2005年，已74歲的唐孝威院士告訴筆者，等自己年紀大了，再自費去這些地方旅游，如今他要抓緊時間工作，為國家多作貢獻。

1998年9月14日，何梁何利基金評選委員會書面通知唐孝威：“鑒于您在科學技術方面的突出成就和對我國科技事業的杰出貢獻，經專家提名推薦、初審評議和終審評定的嚴格評選，何梁何利基金評選委員會決定授予您1998年度何梁何利基金科學與技術進步獎，頒發獎勵證書和獎金15萬港元。”出人意料的是，唐孝威謝絕了這筆獎金。他說：“我做的工作很有限，許多其他科學家做了很多工作，這獎請轉給其他科學家。”[5]

[1]周發勤. 唐孝威科學實驗四十年. 合肥： 中國科學技術大學出版社， 1997： 75.

[2]丁肇中. 序//唐孝威， 鄺宇平， 童國梁， 等.正負電子物理. 北京：科學出版社， 1995： ⅲ.

[3]何景棠. 2002年諾貝爾物理獎與中國人擦肩而過.科技導報， 2003（5）： 33-36.

[4]王廣厚， 倪國權， 李郁芬， 等. 團簇研究的一些進展. 自然科學進展， 1995， 5（4）： 403-409.

[5]周金品， 張春亭. 從原子彈到腦科學——唐孝威院士的傳奇人生. 北京： 科學出版社， 2003： 184-185.

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