物理学|一流物理学的传承与发展：文化、学派、风格和诺奖
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以“电子和光子”为主题的1927年第五次索尔维会议合影 ， 摄于比利时布鲁塞尔 。 与会人员包括了爱因斯坦、玻尔、居里夫人、普朗克、薛定谔、泡利、海森堡、狄拉克、德布罗意、玻恩等著名科学家 ， 与会29人中有17人获得诺贝尔奖 。 图源：Wikimedia Commons
导 读
20世纪是物理学的世纪 ， 而物理学的文化传承对物理学的发展起到了重要作用 。 本文追溯了理论物理方面的文化、学派和风格的变迁和传承 ， 这从一个侧面体现一流的科学文化和科学教育如何促进创新 。
二十世纪物理学的理论支柱之一是量子力学 。 本文着重与量子力学相关的方面 。 量子力学始于早期的量子论（将量子规则与经典图像结合）[1] 。 早期量子论的代表人物是普朗克、爱因斯坦和玻尔 。 后来发展出新的量子力学 ， 代表人物有海森堡、玻恩、薛定谔、狄拉克、泡利[2]、约当等等 。 在后面进一步的发展中 ， 又涌现出费米 [3]、贝特 [4]、惠勒、奥本海默等一批理论家 ， 二战之后 ， 又有施温格、费曼 [5]、杨振宁、李政道等新一代理论物理学家 。
撰文丨施 郁
责编丨戴 威
玻尔和哥本哈根学派
玻尔是丹麦人 ， 年轻时在嘉士伯啤酒的支持下 ， 于1911年到英国访问了一年 ， 先是在剑桥大学 ， 后来被卢瑟福邀请到曼切斯特大学 。 卢瑟福通过他和学生的实验 ， 提出原子由原子核和电子组成 。
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丹麦物理学家玻尔（Niels Bohr, 1885~1962）图源：Wikimedia Commons
玻尔回国后 ， 1913年提出了著名的玻尔原子模型 ， 给出电子服从的几条量子法则 [1] 。 之后玻尔曾访问德国的哥廷根大学和慕尼黑大学 ， 与慕尼黑的索莫非交流过 。 1921年 ， 在丹麦政府和嘉士伯的支持下 ， 他在哥本哈根大学创立了理论物理研究所 。 1922年获得诺奖 。 玻尔去世后 ， 纪念他诞辰80周年时 ， 研究所改名为玻尔研究所 。
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2005年的玻尔研究所 图源：Wikimedia Commons
玻尔的研究所创立后 ， 在物理学发展中 ， 特别是在量子力学的发展中 ， 起到了很大的促进作用 。 它成为理论物理的“麦加” ， 很多青年物理学家喜欢去那里访问 ， 很多创新工作在那里得到催生 。 玻尔成为量子力学的精神领袖 。 围绕玻尔 ， 形成了一个哥本哈根学派 。 玻尔和哥本哈根学派的影响力在玻尔去世后也得以延续 。
德国的索莫非和玻恩
当时在德国的慕尼黑大学和哥廷根大学 ， 索莫非和玻恩也分别领导一个从事量子论和量子力学研究的学派 。 他们是德国最早的理论物理学家 。 因为师从数学家 ， 他们研究理论物理的风格也更数学 ， 更严谨 。
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德国理论物理学家索莫非 (Arnold Sommerfeld, 1868~1951) 图源：Wikimedia Commons
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德国物理学家、数学家玻恩（Max Born, 1882~1970) 图源：Wikimedia Commons
泡利是索莫非的学生 ， 1921年获得博士学位后 ， 相继在玻恩和玻尔那里做了一年助手 ， 用今天的话说 ， 就是博士后 。 泡利1924年提出量子力学的 “泡利不相容原理” 。
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奥地利理论物理学家泡利（Wolfgang Pauli, 1869~1955） 图源：Wikimedia Commons
海森堡也是索莫非的学生 ， 1923年获得博士学位后也成为玻恩的助手 ， 又去访问了玻尔几个月 ， 然后回到玻恩这里 。
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德国理论物理学家海森堡（Werner Heisenberg ， 1901~1976）
1925年海森堡写出新量子力学的第一篇论文 ， 打响了新量子力学的第一枪 。 后来玻恩和他的学生约当也加入 ， 写了 “两个人的论文” ， 以及包括海森堡在内的 “三个人的论文” 。
除了泡利和海森堡 ， 索莫非和玻恩还有很多学生成为二十世纪的著名物理学家 。
海森堡和泡利分别独享1932年和1945年的物理诺奖 。 索莫非的学生中获得诺奖的除了泡利和海森堡 ， 还有博士生德拜和贝特 ， 博士后鲍林、拉比、冯·劳厄 。 贝特1967年得诺奖 。 2016年得诺奖的索利斯是贝特的学生 [4] ， 也就是索莫非的学生的学生 。 索莫非自己被提名诺奖84次 ， 可惜没有得到 。
玻恩的学生中得诺奖的有博士生德尔布吕克和玛丽亚·格佩特-梅耶、博士后费米 。 诺奖委员会有点亏待玻恩 ， 1954年才给他授奖 。 他的博士后奥本海默后来领导了研制原子弹的曼哈顿计划 。 作为犹太人 ， 玻恩流亡到英国后 ， 还带过几位中国学生 ， 从而影响了中国的理论物理 。
量子力学还有一位创始人是英国人狄拉克 。 他1926年在剑桥大学获得博士学位 ， 导师是富勒 。 然后狄拉克在哥本哈根和哥廷根分别度过了半年 。 薛定谔和狄拉克分享了1933年的物理诺奖 。
苏联朗道学派
1930年 ， 苏联物理学家朗道简短访问了哥廷根和莱比锡（海森堡当时在这里）后 ， 来到哥本哈根访问了一段时间 。 从此朗道称自己是玻尔的学生 。
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苏联物理学家朗道 (Lev Davidovich Landau,1908~1968) 图源：Wikimedia Commons
朗道回国后在苏联物理学界影响很大 ， 创立了朗道学派 ， 很多苏联物理学家都属于朗道学派 ， 也影响了新中国的一批留苏学生 。 1962年 ， 朗道在病房里接受了诺奖 。
1930年代 ， 玻尔曾经访问莫斯科 ， 做学术报告 ， 由朗道的学生伊夫琴科·栗夫席兹翻译 。 听众中有人问玻尔：您是如何建立这么一个优秀的学派的？玻尔说：“我从不介意告诉学生 ， 我是一个笨蛋 。 ”而栗夫席兹错译为：我从不介意告诉学生 ， 他们是一个笨蛋 。 但他很快纠正了错误 。 在场的卡皮查评论道：“这个翻译错误反映了玻尔学派和朗道学派的区别 。 ”
虽然玻尔学派和朗道学派都取得了很多物理学成就 ， 但是文化和风格的不同肯定也影响了科学的发展和创新的风格 。 朗道学派取得了很多踏实的成就 ， 而且比较多地使用数学 。 但是也有特别创新的成果被朗道压下 ， 过了一个时期之后才被允许发表 。
美国理论物理的风格
【物理学|一流物理学的传承与发展：文化、学派、风格和诺奖】1930年代开始 ， 由于纳粹上台 ， 欧洲很多物理学家移民美国 ， 比如贝特、费米 。 他们与曾留学欧洲的美国人拉比、惠勒、奥本海默等人 ， 影响了美国物理学的风格 。 1934和1935年 ， 惠勒访问了玻尔 ， 回美国后培养了很多学生 ， 包括费曼 。
拉比1927年到1929年在欧洲 ， 先是索莫非的博士后 ， 后来访问玻尔和泡利 。 拉比是诺奖得主 ， 他的学生有3位获得诺奖 ， 大多是实验家 。 理论家施温格也是拉比的学生 ， 但是独立工作 。 施温格与费曼因量子电动力学重正化获得诺奖 。 施温格培养了很多学生 ， 其中4位后来获得诺奖 。 重正化的成功标志着美国理论物理的兴起 。
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意大利裔美国物理学家费米（Enrico Fermi, 1901~1954）图源：Wikimedia Commons
1938年 ， 费米获得诺奖 ， 也逃往美国 ， 因为妻子是犹太人 。 我认为费米是对美国物理学影响最大的人 。 费米的个人风格 ， 比如重视物理图像和直觉 ， 在美国物理学中留下了烙印 ， 同时又切合于美国的实用主义风格—— 类似于西部牛仔卷起袖子干活的作风 。
执行曼哈顿计划的洛斯·阿拉莫斯实验室（Los Alamos National Laboratory）成为造就美国物理学风格的熔炉 。 包括奥本海默、费米、贝特、特勒、费曼在内的一大批最优秀的物理学家在这里合作工作 。
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位于美国新墨西哥州的洛斯·阿拉莫斯实验室 ， 创立于1943年 。 图源：Wikimedia Commons
战后 ， 费米和特勒去了芝加哥大学 。 杨振宁和李政道先后来到这里求学 。 杨振宁曾经回忆 ， 当时芝加哥大学有一个很活跃的跨学科的沙龙让人很受教益 ， 主要参加者包括费米、特勒和尤里 。 杨振宁和李政道都以曾受教于费米而自豪 。
费米的其他徒子徒孙也非常多 ， 比如温伯格和格罗斯都是费米的徒孙 ， 分别因为电弱理论和强相互作用理论而获得诺奖 [6] 。
贝特、费曼等人去了康奈尔大学 。 两年后 ， 戴森从英国来做贝特的研究生时 ， 还观察到 ， 康奈尔物理系很多教授来自洛斯·阿拉莫斯实验室 ， 还保持着在那里形成的团结合作 [7] 。
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美国理论物理学家费曼（Richard Feynman, 1918~1988）图源：Wikimedia Commons
所以战后 ， 洛斯·阿拉莫斯的风格传遍美国物理学界 。 在这方面 ， 新一代的代表人物是费曼 。 费曼的物理学风格体现了战后美国物理的风格 。 可以从《费曼物理学讲义》领略费曼物理学的风格 。
杨振宁和李政道也是20世纪后半叶美国物理学的绚丽风景线 。 他们将在中国打下的扎实基础与在美国培养的物理直觉结合起来 ， 活跃于创新前沿 ， 成为一代学术领袖 。 三十出头时 ， 他们就分享了1957年物理诺奖 。
中国物理学风格变迁
新中国成立后 ， 中国理论物理学界有几位从英国、爱尔兰回国的受玻恩影响的先生 。 但是从大环境来说 ， 中国全面学苏联 ， 向苏联派留学生 ， 很大程度上受苏联风格的影响 。 所以主导苏联理论物理的朗道学派的风格对当时中国的物理教育、科学教育产生了较大的影响 。 改革开放之后 ， 物理教育又转向美国风格 。
我们在前面特别关注到不同学派之间的“交接” 。 不同学派、不同国家的科学家之间的传承、流动和交流是物理学的一个传统文化 。 不同的学派有不同的风格 ， 既有传承或相通 ， 又各具特色、互相补充、与时俱进 。 这对科学中心的形成甚至迁移 ， 有很大作用的 ， 体现了文化对科学创新的影响 ， 是很有意思的科学史现象 。
受此启发 ， 希望中国的学者们也能加强交流 ， 建立起一个个有特色的科学社区 ， 加强不同学科的学者之间的交流和思想碰撞 ， 促进创新和科学文化建设 。 这也会增加未来科学中心移向中国的可能性 ， 促进中国的科学和教育真正走向一流 。
参考文献：
1. 施郁 ， 庆祝2015国际光之年、纪念早期量子论― 从2014 年诺贝尔物理学奖与化学奖谈起 ， 现代物理知识 ， 2015年27 卷1期 ， 32-34 。 微信版：物理文化与施郁世界线 ， 2015年09月26日 。
2. 施郁 ， 人生危机催生中微子假说| 纪念物理大师泡利 ， 南方人物周刊 ， 2019年第12期 ， 58-63；微信版：物理文化与施郁世界线 ， 2019年4月26日 。
3. 施郁 ， 诺奖委员会的错误：幽灵粒子是如何现身的？知识分子 ， 2019年8月4日 。
4. 施郁 ， 学术豪门！师徒三辈连环获诺奖背后 ， 知识分子 ， 2016年10月29 日 。
5. 施郁 ， 费曼百年（上） ， 知识分子 ， 2018年11月11日; 施郁, 费曼百年（下） ， 知识分子 ， 2018 年11月18 日 。
6. 施郁 ， 规范理论一百年 ， 知识分子 ， 2019年3月31日 。
7. 施郁 ， 自由者戴森（上） ， 赛先生 ， 2020年3月4日 。
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