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)。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、约当等等。在后面进一步的发展中,又涌现出费米、贝特、惠勒、奥本海默等一批理论家,二战之后,又有施温格、费曼、杨振宁、李政道等新一代理论物理学家。
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。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。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。
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。
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。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”。
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。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”。
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。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。
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。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。
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。