2024年,第五届索尔维会议召开,这是物理学史上的一次盛会。对于熟悉物理学史的人来说,照片中的许多面孔即使稍有模糊也能被迅速辨认。但有一些人,似乎不是那么闻名。后排右二的拉尔夫·福勒(Ralph Howard Fowler)就是其中之一。从照片上来看,福勒甚至看起来像是多出来的,但是这个独自位于“第四排”的人物,对于物理学史的影响却丝毫不亚于前排“大佬”们。
福勒是标准的“富N代”,父亲高中就读贵族学校,后就读于牛津大学新学院,毕业后进入法律会与金融界,母亲也来自富庶的商人家族。不过这样的家世并未让福勒的人生变得轻松。福勒的父母为让子女们得到尽可能完美的教育,每个假期都安排的满满当当。13岁那年,福勒进入温彻斯特学院,与哈代、汤因比等人成为校友。作为英国最负盛名的公学,福勒此时可谓是半只脚踏入了牛津、剑桥的大门。
很快,福勒发现了自己在数学与自然科学方面的天赋。1908年,19岁的福勒进入三一学院学习数学。在剑桥学习数学需要在三到四年中通过三门数学考试,每门考试考四次,每次三小时。好在哈代在第二年改革了这一考试,将三门改为两门。1911年,福勒通过第二部分考试,拿到了学士学位。毕业后,在哈代的影响下,福勒继续从事数学研究,并于1913年拿到了瑞利奖,1914年成为三一学院的研究员。
1915年底,阿奇博尔德·希尔(Archibald Hill)受邀为军队开发一种确立飞机高度的仪器,此时在战场上受伤的福勒因其数学才能被召进这一小组。在希尔的指导下,福勒感受到了数学计算应用于真实物理世界的乐趣,并选择将兴趣转向到数学物理方面。一战结束后,福勒仍然致力于空气动力学的研究,另一方面,在希尔的照拂下,福勒成为了团队的副主任,负责团队大部分的实际运行工作。
在这里,福勒展现了他在科学合作以及待人接物方面的天赋。
1919年,福勒从军队回到三一学院,进入卡文迪许实验室。福勒一直认为希尔是改变自己命运的关键人物,但如果从整个物理学史来看,卢瑟福对其人生,乃至整个物理学史的影响更为深远。熟悉奥本海默早年生活的人都知道他当年在卡文迪许实验室的痛苦经历,这种痛苦的直接来源便是卢瑟福是一个实验主义者,对抽象的数学理论不甚耐烦,而奥本海默恰恰相反。
现在福勒来到了卡文迪许,他又恰巧以数学见长,甚至在1919年之后,福勒再也没做过物理实验。
1921年,卢瑟福甚至将自己唯一的小女儿艾琳·玛丽(Eileen Mary,1901-1930)嫁给了福勒,福勒这下从“富二代”变成了“学二代”,成为与一代宗师卢瑟福最亲近的朋友之一。1920年,回到三一学院不久,福勒就开始研究量子问题。由于卢瑟福与玻尔的关系,福勒很容易就与玻尔建立了亲密的联系。
1923年,福勒向玻尔征询《量子理论》的复印版,玻尔不仅寄来复印版,还写上了自己的理解。通过通信以及访问哥本哈根,福勒密切跟踪量子理论新进展,事实上成为了剑桥量子理论传播的主导推动者。
自从转到理论物理之后,福勒的兴趣非常广泛,包括量子理论、统计力学、气体动力学、磁学、核物理、天体物理学和物理化学等。仅从科学的角度而言,福勒的主要贡献主要包括福勒-达尔文法与白矮星物质分布的研究。
1922年,福勒与C.G达尔文(Charles Galton Darwin,查尔斯·达尔文之孙)合作,发了用平均概率推导分布函数的方法,并将其扩展到处理高温下电离气体的平衡状态。福勒用统计力学的方法证明了公式和计算的有效性、填补了这一领域的空白。
在此之后,福勒应用这些方法进行量子化学方面的研究,几乎指导了包括兰纳-琼斯(John Lennard-Jones)在内所有的英国量子化学先驱。福勒一生最原创的理论便来自于天体物理学。1926年,福勒根据量子统计法,证明了白矮星是由高密度简并态的气体组成的,白矮星也会毁灭。后来,他的学生钱德拉赛卡在他的理论上继续发展,发展出了黑洞理论。福勒因此也成为了现代天体物理学的奠基人。
即使在这些研究中,福勒的社交天赋也促使研究能够快速进行。一般情况下,论文最初想法通常是别人的,但福勒能够很快消化并发展这些想法,从而推动研究快速前进,福勒因此成为一项研究的全面合作伙伴。1922年,福勒成为剑桥新设立的数学物理博士学位中唯一一位研究生导师,这成为他指导学生的开端。
福勒的第一个学生是古根海姆(Edward Armand Guggenheim),同时也是他重要的合作伙伴。1925年,福勒与古根海姆合作,将电离理论应用于恒星内部,1939年,古根海姆参与了福勒《统计热力学》的出版,其中有大量既往的合作成果。这种与学生保持良好的合作关系的师生关系贯彻了福勒的导师生涯。
作为剑桥当时量子力学与数学物理的代表人物,福勒很快就得到了年轻人的青睐。从1927年起,福勒每年都要招收4名以上的博士生,1932年更是一次性招收了9名。这使得福勒在大多数时间里,至少有10位博士生在他的指导下进行研究。面对如此众多的学生,福勒深知自己不可能亲力亲为地指导,但他又无法接受放任自流的指导方式。
这种指导取得了非常好的成效,自1922年到1940年,福勒共计指导了64名博士生,这其中有15位成为了皇家学会院士,1位成为皇家学会外籍院士,3位获得诺贝尔物理学奖。在学术任职上,有两位成为剑桥大学的学院院长,至少两位成为学校副校长,还有一位成为皇家学会主席。福勒的这种指导还影响到了中国物理的发展。
1934年,向往量子力学的王竹溪想要跟随狄拉克进行量子力学研究,然而狄拉克无意收徒,也不擅长指导学生。因此,当时的周培源等人希望王竹溪前往福勒处学习量子力学。福勒最终接纳了王竹溪,但让他从事统计力学方面的工作。
1942年,为了写硕士论文,杨振宁敲开了王竹溪的房门。在王竹溪的指导下,杨振宁写了一篇关于统计力学的论文,这成为之后几十年杨振宁研究的主要方向之一。福勒的学术“网络”也帮助了许多科学家在合适的时间与合适的领域中取得成功。1940年,福勒因其广泛的科学家网络,被选中在英国战争相关部门与加拿大相关部门之间建立科学联系,目的之一就是“让科学家在政府面前参战”。
1942年,福勒回到英国并被授予爵士勋章,同年,被福勒指点过的奥本海默成为曼哈顿计划秘密实验室的负责人。也是在这一年,福勒再次中风,最终在两年后去世。努力地将不同的科学家相互联系,让科学家们进入适合他们的领域,这几乎成为了福勒人生的主旋律。因此对于福勒这一生,麦克雷评价为:“正确的时间正确的地点创造的奇迹,实际上是正确的超人。”