戴元本先生是中国著名的理论物理学家,积极推动了量子场论和粒子物理理论在中国的发展。转眼间,戴先生离开我们两个多月了,但他的音容笑貌犹在。本文主要介绍戴先生的求学经历、学术研究和影响,以及他对中国科学院理论物理研究所发展所作的贡献,展现他的严谨学风和高尚品德,缅怀他对中国理论物理学发展的重要贡献,以寄托我们对戴先生的怀念。
早期求学和工作经历
戴元本先生祖籍湖南省常德市,1928年7月出生于江苏省南京市。其童年岁月主要在南京度过,抗日战争爆发后随家人辗转生活于长沙、贵阳、昆明、路南和重庆。抗战胜利后重返南京。1947年,戴元本毕业于国立中央大学附属中学,随后保送至中央大学(1950年更名为南京大学)物理系学习,并于1952年毕业。他读大学期间正值解放初期,较多的政治学习和运动使得学时精简。此外,他还因身体原因休学一年。
不过,受益于有海外留学经历的魏荣爵、徐躬耦等教授开设的课程,戴元本打下相对坚实的物理学基础。
大学毕业后,戴元本被分配到南京工学院(1988年更名为东南大学)工作,讲授普通物理课程。此时,全国高校正进行院系调整和改革。此前,即民国时期的高等院校办学模式主要模仿欧洲、美国和日本的学校,比较重视通才教育。中国共产党接管后,开始学习苏联的办学经验。1951年,教育部制定了《全国工学院调整方案》。
在这种形势下,南京工学院的学生数量增加一倍。因此,教师的教学任务繁重。戴元本每周需上课20多个小时。在完成繁重的教学任务之余,他仍对科学研究保持着浓厚兴趣,研读多种物理书籍,并被高能物理吸引。戴元本在补习相对论、电磁辐射理论、量子力学和热力学统计等基础知识的同时,还根据俄文书籍、论文集等资料自学量子场论并及时掌握高能物理的前沿发展。
1956年,中共中央提出“向科学进军”的口号。
同年,国家制定《1956—1967年科学技术发展规划纲要》。其中,原子核与基本粒子物理学被列为物理学发展的重点之一,场论和量子力学的基础研究则被列入第56项任务“现代自然科学中若干基本理论问题的研究”。此外,为了培养高等学校师资和科学研究人才,高等教育部决定于1956年开始在全国范围内招收自由报考的研究生,而此前的招生大都采取“保送、审查、批准”的方法。
也是这一年,戴元本利用Bathe—Salpeter方程研究S态介子—核子散射的重整化效应,并将文章投稿至《物理学报》。审稿人朱洪元先生在给戴元本回复的审稿意见中鼓励他计算多个能量值以便绘制一条曲线。但由于戴元本正忙于备考1957年的研究生考试,没有足够时间再做计算,于是将文章改投《南京工学院学报》。
1957年,戴元本如愿考取中国科学院数学研究所理论物理研究室张宗燧先生的研究生。
他曾在1955年参加浙江大学物理教研组主办的一次学术讨论会上向于敏了解张宗燧先生。于敏是张宗燧指导的研究生,他对张宗燧的评价是“很聪明”。张宗燧是第4届(1936年)留英公费生,曾在剑桥大学福勒教授指导下研究统计物理。1938-1939年,张宗燧访问哥本哈根大学理论物理研究所、苏黎世联邦理工学院和法国巴黎,跟随米勒、泡利研究量子场论及粒子物理。1939年秋,张宗燧回国,随后担任中央大学物理系教授。
除完成教学任务外,他继续研究统计物理和量子场论。1945—1948年,张宗燧再次出国,在剑桥大学和普林斯顿高等研究院研究量子场论。1948年秋,张宗燧回国,先后任教于北京大学物理系(1948—1952)、北京师范大学物理系(1952—1956)。1956年,张宗燧调入中国科学院数学研究所。
1958年4月,戴元本到数学研究所报到,开始在张宗燧的指导下从事弱相互作用及双重色散关系理论的研究。
同年暑假,戴元本作为助教参加了由山东大学物理系王普教授组织的量子场论、相对论电动力学、原子核理论讲习班。青岛讲习班是量子场论第一次在全国范围的普及,共有60多位代表参加。讲习班以朱洪元先生的量子场论课程为主,张宗燧先生的量子电动力学讲座为辅。清华大学谢毓章讲授原子核理论,主要为基础不足学员补习必要的量子力学知识。戴元本和冼鼎昌分别担任张宗燧和朱洪元的助教。
戴元本在讲习班上作了3场关于相移分析报告并组织参会代表参加教学改革经验座谈会。朱洪元先生的授课内容主要基于前一年在北京大学开设的量子场论课程讲义。
1960年,他根据课程讲义整理出版了量子场论在中国的“启蒙之作”——《量子场论》。由于此时朱洪元先生正在苏联联合原子核研究所访问,戴元本承担了书稿的校对工作。读研究生期间,戴元本同朱洪元以及冼鼎昌、何祚庥合作研究μ介子的辐射俘获,首先指出存在一种新的选择法则。此外,他还计算了弱相互作用对轻子反常磁矩的影响。在色散关系研究方面,戴元本在双重色散关系上分析了核子—核子相互作用。
1961年,戴元本研究生毕业。此时,他的研究工作集中在当年风行一时的雷杰理论。Regge理论的基础是把位阱散射下散射振幅具有的一些特点硬性推广到粒子理论。戴元本在1963—1965年发表的系列论文中指出Regge理论中所要求的Regge渐近行为只在某些特殊位阱情况下才出现,而在一些高奇异性的位阱散射情况下并不出现,从而否定了Regge理论作为“基本”理论的理论基础。这些工作曾引起国内外学者的关注。
期间戴元本还多次参加张宗燧、胡宁和朱洪元组织的小型讨论会,讨论量子场论和粒子物理的新发展。
1964年8月,在北京举办了中华人民共和国成立后承办的首次国际科学讨论会。共有来自亚、非、拉和大洋洲的44个国家和地区的代表参加会议。中共中央对这次会议高度重视。8月22日,3000多位科学家和来宾参加了在人民大会堂举行的会议开幕式。朱德元帅、聂荣臻副总理、陈毅副总理、郭沫若院长等出席开幕式。
中国代表团包括61位成员和32位特邀代表,由中国科协副主席、北京大学副校长周培源任团长,张劲夫、范长江、于光远等任副团长。此时已是副研究员的戴元本作为粒子物理学界的两位代表之一参加了讨论会。他的报告题目为《高度奇异位势和一类非定域位势的Regge行为》。日本代表团团长坂田昌一认为戴元本等人的报告“涉及当前国际物理学界研究的尖端问题,而且达到了国际第一流的水平”。
1965年9月,朱洪元先生邀请刚刚参加“四清”运动回来的戴元本共同研究基本粒子结构问题,提出存在比基本粒子更基本的真实粒子。随后,朱洪元、何祚庥、汪容、戴元本和冼鼎昌等围绕该问题展开讨论,初步形成强子结构模型的基本思想。他们假设基本粒子由“亚基本粒子”组成,即与SU(3)、SU(6)对称性基础表示的基相对应的粒子。
“亚基本粒子”性质满足盖尔曼在1964年提出的关于夸克性质的假设,但质量很重,约10 GeV。紧接着,讨论范围逐渐扩大,形成由中国科学院原子能研究所、数学研究所、北京大学和中国科学技术大学的成员参加的“北京基本粒子组”。
1966年7月,层子模型作为毛泽东思想指导自然科学研究的典型案例在暑期物理讨论会上报告。此外,朱洪元、胡宁、戴元本等还同日本代表团成员单独召开小组会议,仔细讨论层子模型工作。
暑期物理讨论会结束后,“文化大革命”的爆发使得“北京基本粒子组”工作中断。这期间,国际粒子物理学界建立起描述强相互作用的量子色动力学。虽然层子模型并未在国际粒子物理学界产生预期的影响,但其适时抓住当时国际研究热点并为中国粒子物理的进一步发展培养了一批年轻力量。1982年,该项工作荣获国家自然科学二等奖,主要获奖人为朱洪元、胡宁、戴元本和何祚庥。
“文革”期间,戴元本的研究工作并未完全中断。
1973年,他与合作者在层子模型框架下研究了准二体反应的共振衰变角分布,高能散射截面之间的关系以及极化靶过程的共振衰变角分布等问题。1975年,戴元本提出用重整化群方程研究粒子的电磁形状和大角度散射的方法。这使得此前只能用来讨论非物理粒子的渐近行为的重整化群方程可以用来讨论实际问题。例如,将其发展到应用于复合粒子的形状因子渐近行为。
此外,戴元本同吴咏时合作研究了非阿贝尔规范场六阶微扰论中费米子电磁形状因子的渐近行为。这项工作计算十分繁杂。他们最初提出领头阶指数化的猜想,并得到验证。戴元本还与周光召合作利用半经典近似处理孤粒子散射问题。事实上,该工作不仅探讨了孤粒子散射问题还发展了半经典近似的方法,所得结果可能适用于其他情况。
中国科学院理论物理研究所(1978-2020)
戴元本不仅在理论物理研究方面成就突出,还对中国科学院理论物理研究所的创建和发展作出了重要贡献。全国科学大会(1978年)召开以后,中国科学院开始筹建理论物理研究所。戴元本作为筹备小组成员参与制定多项决策,包括研究所的机构设置、研究方向、人才选拔和培养等。1980年戴元本当选中国科学院学部委员(院士),当年中国科学院理论物理研究所共有4位研究人员当选。
1985年,理论物理研究所被确立为中国科学院首批两个开放所之一。戴元本连续担任3届开放所学术委员会主任(1985-1994年),贯彻“开放、流动、联合”的办所方针,领导学术委员会指导和评议开放所的研究方向,建立开放课题制度并决定开放课题及经费分配,组织成果评价,监督开放所的运转,建立由开放课题组成员及客座人员组成流动研究人员队伍,使理论物理研究所建设充满了活力。
同时,戴元本善于团结同行,将每年召开的开放所学术委员会会议办成了理论物理界共商共举的重要场所。
戴元本还曾担任中国高能物理分会理事长、中国物理学会常务理事、国际纯粹与应用物理联合会粒子与场委员会委员,努力推动中国高能实验物理和粒子物理理论发展,并对稳定和培养高素质队伍作出贡献。20世纪80年代中期,中国理论物理研究遇到经费和专业人才的稳定性问题。
戴元本积极支持周光召等领导组织实施国家自然科学基金理论物理重大项目。他在90年代初又与周光召共同提议“攀登计划”中的理论物理若干重大前沿课题项目。这些项目的实施对于中国理论物理事业的进一步发展产生了积极的推动作用。
1987年,戴元本著作《相互作用的规范理论》出版,成为年轻一代粒子物理专业研究生的教科书。与治学一样,戴先生培养研究生也是极其认真、严谨,为中国的理论物理学界培养了许多人才。
1983年,戴元本指导的学生黄朝商获得博士学位,成为中国自主培养的首批18位博士之一。目前,戴元本的弟子们大都成为国内外理论物理学界的知名专家。2003年,吴岳良与戴先生一起探讨量子色动力学的低能动力学性质,通过运用量子场论圈正规化方案引入特征能标克服无穷发散困难同时保持理论的对称性,由此导出低能量子色动力学的动力学自发对称破缺机制,得到了介子质量谱等二十多个与实验相自洽的理论计算结果。
戴元本先生从事科学研究近70年,一直秉持严谨、求真的态度。他顾全大局的胸怀,谦虚低调的作风,奖掖后进的用心,乐观旷达的性格,都值得我们学习、继承和发扬!