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王守竞——中国理论物理之殇

(2013-09-25 14:47:36)
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王守竞

理论物理

吴大猷

中央机器厂

科学救国

杂谈

分类: 说人
    王守竞事实上是中国第一个取得世界级理论物理成就的人。他本可以成为一块在中国生长高品质理论物理的“晶核”,而且也获得了生长的极佳条件:他先后获得浙江大学和北京大学物理系主任的职位,但这个美好、自然的“晶体”生长过程并没有发生。

 

一、吴大猷眼中的中国物理学

 

   上世纪90年代中期,李政道敦请吴大猷和王淦昌两位老师写点回忆文字,介绍中国物理学的萌芽和早期发展。王淦昌是李政道在浙江大学就读时的老师,吴大猷是他在西南联大的老师。从学术经历和学术成就两方面考量,他们两位应该是讲述“20世纪前半叶中国物理学史”的不二人选。大陆名家越老越忙,且对写史慎之又慎,王淦昌先生不太可能留下这方面的系统撰述;吴大猷则在1997年以90岁高龄,在台湾大学和新竹清华大学开设“中国物理学发展史”讲座,两岸学者整理讲座材料出版了一册《早期中国物理学史发展之回忆》。

   吴大猷一开始很不愿意讲这个题目,费功夫倒是其次,顾虑的是讲真话得罪人,而通通讲好话自己又不舒服。但他也坦言,“不客气的说,我稍想了一下,我觉得我可能是最胜任写此段历史的一个人”。确实如此,“李杨”跟他念过书[1],黄昆帮他喂过猪[2],南开北大西南联[3],美加陆台播声誉[4]。中国物理学界几个人有他的资格?!

 

   吴大猷评说中国物理学史,可谓快意挥洒,不假雕饰,率直无隐。他眼界极高,在他视角下中国物理学机构和物理学家的高下优劣,又不同于一般见解。

下面是吴大猷对那个时代一些知名中国物理学家的评价:

胡刚复、饶毓泰、叶企孙、吴有训、谢玉铭——他们是“很重要的人”(这是从培植下一代的角度考量的);

周培源——一位真正念相对论的人;

王明贞——她写的论文很出名;

赵忠尧——在γ射线散射方面做了很好的、很有独创性的工作;

钱三强——一个很活跃的人,知名度也很高;

葛庭燧——他的研究工作有相当的地位;

胡宁——一个真正在相对论的研究上做了些工作的人;

林家翘——对于湍流这个问题有极大的贡献;

余瑞璜——做x射线研究,工作还有些贡献;

……

对绝大部分物理学名家,吴先生只三言两语略记其主要工作,绝少溢美之词。

铺陈上面一大段只是为了让本文主角王守竞隆重出场。

吴大猷对王守竞的工作给予了他所能给出的最高级别的评价,对他的才华赞赏有加:“他是一个绝顶聪明的人”,“王先生的这篇文章很出名很出名”,“量子力学一发展出来,他就坐上了头一列火车”。披阅全书,对王守竞这样倾心倾情的评价堪称绝无仅有!

关于王守竞“绝顶聪明”的评价我也听我的导师钱临照院士绘声绘色地说过。

王守竞何许人也?相信现在连物理学本行内知道他的人都不多了,更不用提他当年“很出名很出名”的工作以及一波三折的生平了。

 

二、唯一曾加入20世纪20年代理论物理“狂欢”的中国人

 

   王守竞的家族非常显赫,先祖是明朝文渊阁大学士王鏊,父亲王季同曾任京师同文馆算学教习,后任中央研究院工程研究所专任研究员。王守武、王守觉两位院士是他的弟弟,何泽慧院士是她的表妹。

   王守竞1904年12月24日生于苏州,20岁从清华学校毕业赴美留学。1926、1928年先后获哈佛大学硕士、哥伦比亚大学物理学博士学位,1928-1929学年在威斯康星大学物理系从事博士后研究,1929年秋学成回国。

   王守竞留学期间恰好碰上量子力学的建立和蓬勃发展,碰上美国物理学正拉开振兴的序幕。

   1926年Shrodinger方程建立,随后的几年里Shrodinger方程自然而然地被用于处理原子分子光谱、介电常数、磁化率和化学键等各种问题,涌现出一大批研究成果, 1920年代后半部分由此被一些物理学家认为是理论物理的一个“狂欢”(orgy)时期。发起这一场狂欢的主要是欧洲的物理学家,美国只有一支小分队随后加入。在这支年轻的美国物理学家队伍中,居然有一位中国留学生,他就是王守竞,他是唯一加入这场狂欢的中国人。

   我在2000年曾发表《王守竞的量子力学研究成果及其学术背景》一文(《中国科技史料》2000年第03期),详细介绍王守竞的工作,这里仅作通俗介绍。

1920年代初,美国理论物理学还相当薄弱,美国物理学界一些有识之士恨不得打赤脚追赶欧洲高歌猛进的量子物理,欧洲许多著名物理学家被一个接一个地请来讲授理论物理的新思想。哈佛大学物理系的年轻教师E. C. Kemble被称为美国的第一位量子物理学家,他是最早在美国大学讲授量子物理的美国教师,他也是我国前辈物理学家胡刚复的同学。J. H. Van Vleck和J. C. Slater等享有国际声誉的理论物理学家都出自他的门下。哈佛大学也成为当时美国最重要的量子物理教研阵地。王守竞对新兴的量子理论的兴趣和良好的理论物理素养源于在哈佛大学的学习。

   1926年王守竞获哈佛大学硕士学位后转入哥伦比亚大学物理系继续攻读博士学位。当时中国留学生为了开拓研究视野,增进对美国学术界的了解,感受不同的学术风格,一般在留学期间都要转学一二次。

   王守竞一来到哥伦比亚大学马上交上了几位志同道合的朋友,他们中有刚刚结束在欧洲的博士后之旅,回到哥伦比亚大学物理系任讲师的Ralph Kronig,有同在哥大物理系做博士论文的I. I. Rabi等。Rabi因发明核磁共振法,获1944年诺贝尔物理学奖,Kronig后来也成为著名的理论物理学家。当时哥伦比亚大学没有什么理论物理学家,他们几位年轻人便自发地成立了一个理论物理的自学小组。小组成员的聚会大约每周一次,一般安排在星期六或星期天,每次由一人报告近期读到的重要理论物理文献,大家就此展开讨论。聚会从上午11点开始进行到下午,讨论结束后,大家通常去中国餐馆用餐,这时王守竞就成了唯一的行家,他会让大家尝一些正儿八经的中国菜,而不是炒杂碎。

王守竞——中国理论物理之殇

理论物理自学小组成员(左1:王守竞,左2:Ralph Kronig,

右1:I. I. Rabi(1944年诺贝尔物理学奖获得者))  


    王守竞和几位年轻人无师自通,研究Shrodinger的波动力学很有心得,一番切磋后便欲小试牛刀,尝试用它去处理一些实际问题。Shrodinger已经处理了单原子系统的能谱,他们便尝试把Shrodinger的理论推广到分子体系。1926年底,距离Shrodinger 理论发表仅几个月的时间,他们就用它解出了对称陀螺(也即双原子分子的对称转动)的能谱,初战告捷。

   王守竞与Kronig和Rabi等人的理论物理自学小组的活动持续了一年时间。正是这一年时间的相互砥砺把他们变成了波动力学方面的专家。对此,Rabi在接受量子力学口述史访谈时曾不无自豪地回忆道:“我到了欧洲后发现,我们的自学小组帮了我大忙,我对物理的了解比那些与我同一个档次的德国人要多得多,不过,比Hans Bethe这种特别优秀的人还差一点。”

Shrodinger波动力学建立伊始,Heisenberg曾发表了三篇系列文章,讨论多粒子体系的问题,为下面三个方向的工作奠定了基础:(1)复光谱;(2)共价键理论;(3)铁磁性理论。

   沿着Heisenberg解决氦原子这样的二电子体系的问题的思路,1927年Heitler和London研究了氢分子。他们采用变分法得出氢分子能量E与两个氢原子之间的间距 R 的关系曲线,显示在平衡间距R处,E有一极小值E,从而揭示了共价键的本质,这是早期运用量子力学所得出的一项极为重要的结果。

   Heitler和London的工作几乎同时,王守竞也用量子力学求解了氢分子问题,他的工作于1927年底完成,可惜比Heitler和London大名鼎鼎的工作晚了半步。但即便有Heitler和London的工作在先,王守竞的工作也有其重要意义,这不仅是因为他的结果是独立得出的,还因为他所采用的试探波函数与前者有所不同,计算精度比Heitler和London的方法也有较大提高。

   王守竞的这项工作在量子力学发展史上占有一定的地位,美国著名理论物理学家E. C. Kemble, J. C. Slater以及著名化学家L. Pauling等人的专著中都对这项工作作了介绍。这项工作实际上也是王守竞的博士论文。1928年前,美国大学里还没有人完成过以量子力学为研究课题的博士论文,至1928年,始有王守竞等7人以量子力学的研究而被授予博士学位,因此,王守竞成为美国大学最早的一批因研究量子力学而被授予博士学位的学者。他的论文也是哥伦比亚大学物理系的第一篇纯理论的博士论文,他在进行这项工作时,完全没有得到博士导师方面的指导,而是得益于与自学小组成员的讨论和自己的认真钻研。这既体现了他的能耐,也体现了当年哥大的开明。

  1928-1929学年王守竞获得了美国国家研究委员会(The National Research Council,简称NRC,成立于1915年)的博士后研究资助。这项基金的申请有相当难度,每年大约只有5%的物理学博士有此幸运。王守竞是唯一获此基金资助的中国留学生。他决定利用这个机会去威斯康星大学从美国著名物理学家J. H. Van Vleck进行研究。

   Van Vleck 1922年获哈佛大学物理学博士学位,他与同为哈佛出身的E. C. Kemble, J. C. Slater等人一起为量子力学在美国的建立和发展做出了非常重要的贡献,他因磁学方面的理论研究成果获1977年诺贝尔物理学奖。

在威斯康星大学的一年里,王守竞选择的研究课题是多原子分子的不对称转动能谱(即不对称陀螺的能谱)。经过复杂的运算,王守竞终于第一次得出了一个可用于数值计算的不对称陀螺的能级公式,王守竞得出公式被好几代光谱学家所使用,被称为“王氏公式”。

王守竞的文章发表在1929年的美国《物理评论》(Physical Review)杂志上,1920年代中期前,由于美国的理论物理相当薄弱,因此《物理评论》的声誉远不如《德国物理杂志》》(Zeitschrift fur Physik)和《英国哲学杂志》(Philosophical Magazine),它在欧洲的读者很少。也就是说,在美国本土完成的物理学研究工作,并不受人重视。但是,从1920年代末开始,这种情况有了改观,为了说明这种变化,美国学者把王守竞的工作当作一个典型的例子:与王守竞同时,H. A. Kramers 和G. P. Ittmann也在欧洲采用不同的方法进行不对称陀螺的研究,但是,这一次王守竞拔得了头筹。载有王守竞文章的这期《物理评论》出版于1929年6月15日,而同年8月10日发表的Kramers 和Ittmann的文章便对王守竞的文章做了引用。美国科学史学者以重墨渲染了这一事件,以此说明美国本土的物理学研究工作在1920年代末已经得到了欧洲学者的及时关注,美国已经踏上了物理学强国之路。

   类似王守竞所进行的工作后来逐渐被纳入化学家的工作范围,但在量子力学建立之初它们却是标准的理论物理工作。王守竞的工作是1920年代美国本土所完成的最重要的理论物理工作之一部分。他由此成为中国第一位在世界上享有声誉的理论物理学家,

  1929年下半年,王守竞结束了留学生涯,回到了国内。

 

三、中国理论物理之殇

 

真像是小说情节,胡刚复和E. C. Kemble在哈佛研究院是同学,两人是班上最优秀的学生,经常成为哈佛大学物理系研究生Tyndall奖的竞争者。E. C. Kemble后来成为美国的第一位量子物理学家,哈佛大学理论物理的鼻祖。而胡刚复回国后则高举物理实验大旗,成为将物理实验引入中国讲坛的第一人。这种巧合看上去似乎捉弄人,其实有其必然性。

   胡刚复本质上更贴近数理理论研究,事实上他在1913年进入哈佛大学研究院时还在数学和物理两科徘徊了很长时间,选择物理和实验是他内心的一种价值观使然。胡刚复其实并不擅长物理实验,系主任T . Lyman对他的动手能力颇有几分微词,胡刚复在实验上失分不少,这也刺激他把物理实验作为物理学殿堂的第一绝技。他和比他低几班的师弟叶企孙相当完整地继承了哈佛大学物理系老派实验物理学家的衣钵,他们从哈佛取经回国后,与几位类似经历的物理学大佬一起在中国牢牢建立起了实验物理的传统。而Kemble则跑到欧洲取了新经,回到哈佛新起了理论物理炉灶,并大获成功。

20世纪二三十年代中国与美国学术基础不一样,需求自然不同,做实验物理,“刻鹄不成尚类鹜”,坚持下去总会进步;搞理论物理,弄不好则“画虎不成反类犬”,搞半天一事无成,还被讥为“两脚书柜”。从价值观上说,实验物理与“科学救国”信仰有更多契合之处。不论从学术发展过程上还是社会现实上看,中国从实验物理出发都无可非议。

初略地看,中国物理学萌芽时期有三条最深的发展的轨迹,一条是清华大学物理系(叶企孙和吴有训主持)培养栋梁之才,眼往上看的轨迹:稳定的教育经费、强大的师资、高质量的生源、以国家未来各学科领导人岗位培养为导向的高端设计;一条是燕京大学物理系(谢玉铭和William Band主持)心怀苍生,眼往下看的轨迹:稳定的教育经费,以宗教的热忱、服务大众的理想、进行有效的播种;第三条是北平研究院物理所(所长严济慈)的轨迹:打基础、辟道路,一心一意做研究,能做什么做什么。北京大学虽然是中国物理学高等教育的发源地,但从民国成立后20年间,一直为社会动荡和办学经费短缺所困,人心不稳,物理系主任像走马灯一样换人,难图发展。中央研究院物理研究所由于主持人的学识和兴趣问题,成绩一般,其他机构更逊一筹。

抗日战争前六七年间,中国曾短暂地出现一股“学术独立”的思潮,在“科学救国”的大背景下,这一抹亮色显得非常绚丽。这里说的“学术独立”有别于蔡元培的语义,蔡元培喊“学术独立”眼里看到的是政治意义,“我不自谋,人家才来越俎代庖”,我们只有急起直追,达到学术独立,国土资源才能杜绝外人的觊觎。也可以说,这是“科学救国”论换了个马甲。随着一批后起的、训练良好的科学家取代以前的“具虚名无真本领,既不能研究又不能教书的科学老名家”(心理学家汪敬熙语),而成为学术界的中坚力量后,对纯学术的追求形成了一定声势。这些从西方留学归来的科学家讲的是“科学精神”,对于什么是“科学精神”,竺可桢解释道:“科学精神就是‘只问是非不计利害’”。科学家的研究目的“一方面固然不是想制造飞机炸弹来杀人,但同时也并不存心要拯救人民于水火。他们的目的在求真理,是要认识大自然的真面目”。吴有训还给学术独立定了具体标准。

这股“学术独立”的思潮与上述物理学发展的三条轨迹有相当的重合度,抗战前六七年事实上成为中国物理学乃至中国学术的“黄金时期”。

1931年,北大的机会来了,北京大学与中华教育文化基金董事会签订了一纸合作协议,共同出资作为“研究特款”。“研究特款”最重要的一项用途是高薪聘请“北大研究教授”,月薪400~600大洋,当时算是很高的工资了。王守竞作为首批“研究教授”被从浙江大学请到了北京大学,成为物理系主任。

王守竞长北大物理系,使中国理论物理的发展好像看到了一丝曙光,北京大学也似乎可以为中国物理学发展画出一条理论物理的痕迹,但实际情形并没有这么乐观!学生理论基础不是一朝一夕的事。钱临照先生与王守竞有不少交往,钱先生告诉我,学生的程度让王守竞这种“绝顶聪明”的人物在人才培养上一时难以置喙。

   历史有太多的巧合,同年,九·一八事变发生了。王守竞的家庭有浓厚的“科学救国”和“实业救国”情结,面对日本的侵略,王守竞“基于他自己内心的压力,觉得必须为国家做点实际的事情”(吴大猷语),1933年王守竞离开北大,加入国民政府军政部兵工署,主持军用光学仪器厂,1935年奉调资源委员会,发展中国重工业,创办了中央机器厂,志在以自己过人的智慧,创造实业救国的奇迹。中国物理学的主流队伍从此失去了一位导师和旗手。

   1934年,中国“第三个念理论物理的人”吴大猷(第二个是周培源,吴大猷语)来到北京大学,但仅仅三年后,抗日战争爆发了,北大理论物理的发展痕迹才刚刚起了个头,理论物理在中国何其生不逢时!

   北大在抗战前短短的几年时间,工作并没有白费,总算在本土上训练出了第一拨有一定水准的“理论物理学家”,其代表人物就是马士俊、郭永怀,但中国理论物理的传统远远没有建立起来,这是中国理论物理之殇!

   这笔账首先要算在日本军国主义的身上。

   抗战时期,不仅公费留学政府要管,自费留学,政府也管,而且,从抗战开始,科学研究迅速由国家利益主导,抗战前六七年的“学术独立”思潮因此昙花一现,时至今日好像再也没有花开二度!吴大猷后来说:“八年余的抗战,使萌芽的中国物理学夭折,至战后复员重拾起起来,损失者非‘九年’的时间,而系发展的锐气及持续性也”。

 

后  

 

   《魏书·傅永传》载,皇帝赞颂傅修期,说这个人:“上马能击贼,下马作露布”,意思是:骑上马在战场能击退贼兵,平时落下马又能作文书,即能文能武。陆游诗稿有:“切勿轻书生,上马能击贼”。“上马能击贼”一直是中国知识分子的报国情结。“上马能击贼”也成为中国士文化的一个组成部分,“科学救国”是“上马能击贼”的现代解读,这个传统是中国科学的光荣呢还是不幸?“科学救国”不知是不是中国人对“科学”的最大误解?!

 

   王守竞创办中央机器厂,一开始的目标是研制航空发动机,后又考虑生产汽车,虽然因战事发展太快,计划落空,但却显示了王守竞的雄心和自信。

   余少川在参与编写《昆明机床厂志》的基础上,根据中央机器厂(昆明机床厂的前生)的档案资料,著有《王守竞》一书,详细记载了王守竞与中央机器厂在战时艰苦卓绝的工作。我们仅从一个实例管窥王守竞麾下中央机器厂的创造:战时汽油极度匮乏,中央机器厂竟能改造汽车发动机,使其几乎能用一切可以烧的东西跑起来,桐油、煤炭、煤油等等。王守竞有一句名言:“只要给我一个合适的价钱,我什么都能做”。

   1944年3月,资源委员会在重庆举办了一次工矿展览会,李约瑟看到中央机器厂展示的蒸汽发电机、水轮发电机、煤气发电机、六缸狄塞尔电机以及五花八门的精密机床大为吃惊,李约瑟赞叹:“只要向中国的技术专家、工程师和科学人士提供所需的工具,他们就能与世界上任何国家的工程师和科学家相媲美。”

王守竞——中国理论物理之殇

中央机器厂炼钢炉

王守竞——中国理论物理之殇
1944.3重庆工矿展览会


    中央机器厂后来成为中国机械工业发展的一支骨干力量。中国理论物理之殇竟化为中国机械工业之幸。

   新中国成立后,王守竞供职MIT的林肯实验室,回归科研工作,1969年退休,晚年临摹苏东坡书法自娱,1984年6月19日在美国悄然逝世。

   我们终究没有看到中国理论物理学结出震惊世界的果实!

 

[1] 李政道、杨振宁是吴大猷在西南联大任教时的学生。

[2] 西南联大时期生活艰苦,吴大猷夫人曾在家中养猪贴补家用,黄昆是吴大猷的研究生,在师母生病期间,曾代做猪倌。

[3] 吴大猷毕业于南开大学,师承饶毓泰先生,曾任教北京大学、西南联合大学,桃李丰硕。

[4] 吴大猷在美国、加拿大、中国大陆和中国台湾都有很高学术声望。

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