來源：中國物理學會期刊網，本文選自《物理》2020年第12期
作者：吳嶽良1,2； 劉金巖3
(1 中國科學院理論物理研究所)
(2 國際理論物理中心(亞太地區) 中國科學院大學)
(3 中國科學院自然科學史研究所)
戴元本先生是中國著名的理論物理學家，積極推動了量子場論和粒子物理理論在中國的發展。轉眼間，戴先生離開我們兩個多月了，但他的音容笑貌猶在。本文主要介紹戴先生的求學經歷、學術研究和影響，以及他對中國科學院理論物理研究所發展所作的貢獻，展現他的嚴謹學風和高尚品德，緬懷他對中國理論物理學發展的重要貢獻，以寄託我們對戴先生的懷念。
1 早期求學和工作經歷
戴元本先生祖籍湖南省常德市，1928年7月出生於江蘇省南京市。其童年歲月主要在南京度過，抗日戰爭爆發後隨家人輾轉生活於長沙、貴陽、昆明、路南和重慶。抗戰勝利後重返南京。1947年，戴元本畢業於國立中央大學附屬中學，隨後保送至中央大學(1950年更名為南京大學)物理系學習，並於1952年畢業。他讀大學期間正值解放初期，較多的政治學習和運動使得學時精簡。此外，他還因身體原因休學一年。不過，受益於有海外留學經歷的魏榮爵、徐躬耦等教授開設的課程，戴元本打下相對堅實的物理學基礎[1]。
大學畢業後，戴元本被分配到南京工學院(1988年更名為東南大學)工作，講授普通物理課程。此 時，全國高校正進行院系調整和改革。此前，即民國時期的高等院校辦學模式主要模仿歐洲、美國和日本的學校，比較重視通才教育。中國共產黨接管後，開始學習蘇聯的辦學經驗[2]。1951年，教育部制定了《全國工學院調整方案》。在這種形勢下，南京工學院的學生數量增加一倍。因此，教師的教學任務繁重。戴元本每周需上課20多個小時。在完成繁重的教學任務之餘，他仍對科學研究保持著濃厚興趣，研讀多種物理書籍，並被高能物理吸引。戴元本在補習相對論、電磁輻射理論、量子力學和熱力學統計等基礎知識的同時，還根據俄文書籍、論文集等資料1)自學量子場論並及時掌握高能物理的前沿發展。
1956年，中共中央提出「向科學進軍」的口號。同年，國家制定《1956—1967 年科學技術發展規劃綱要》。其中，原子核與基本粒子物理學被列為物理學發展的重點之一，場論和量子力學的基礎研究則被列入第56項任務「現代自然科學中若干基本理論問題的研究」。此外，為了培養高等學校師資和科學研究人才，高等教育部決定於1956年開始在全國範圍內招收自由報考的研究生，而此前的招生大都採取「保送、審查、批准」的方法[3]。也是這一年，戴元本利用Bathe—Salpeter方程研究S態介子—核子散射的重整化效應，並將文章投稿至《物理學報》。審稿人朱洪元先生在給戴元本回復的審稿意見中鼓勵他計算多個能量值以便繪製一條曲線2)。 但由於戴元本正忙於備考1957年的研究生考試，沒有足夠時間再做計算，於是將文章改投《南京工學院學報》[4]。
1957年，戴元本如願考取中國科學院數學研究所理論物理研究室張宗燧先生的研究生。他曾在1955年參加浙江大學物理教研組主辦的一次學術討論會上向于敏了解張宗燧先生。于敏是張宗燧指導的研究生，他對張宗燧的評價是「很聰明」[5]。張宗燧是第4屆(1936年)留英公費生，曾在劍橋大學福勒(R. H. Fowler)教授指導下研究統計物理。1938—1939年，張宗燧訪問哥本哈根大學理論物理研究所、蘇黎世聯邦理工學院和法國巴黎，跟隨米勒(C.Mller)、泡利(W. Pauli)研究量子場論及粒子物理。1939年秋，張宗燧回國，隨後擔任中央大學物理系教授。除完成教學任務外，他繼續研究統計物理和量子場論。1945—1948年，張宗燧再次出國，在劍橋大學和普林斯頓高等研究院研究量子場論。1948年秋，張宗燧回國，先後任教於北京大學物理系(1948—1952)、北京師範大學物理系(1952—1956)。1956 年，張宗燧調入中國科學院數學研究所[6]。
2 中國科學院數學研究所理論物理研究室(1958—1978)
1958年4月，戴元本到數學研究所報到，開始在張宗燧的指導下從事弱相互作用及雙重色散關係理論的研究。同年暑假，戴元本作為助教參加了由山東大學(校址青島)物理系王普教授組織的量子場論、相對論電動力學、原子核理論講習班(簡稱青島講習班)，圖1。青島講習班是量子場論第一次在全國範圍的普及，共有60多位代表參加。講習班以朱洪元先生的量子場論課程為主，張宗燧先生的量子電動力學講座為輔。清華大學謝毓章講授原子核理論，主要為基礎不足學員補習必要的量子力學知識。戴元本和冼鼎昌分別擔任張宗燧和朱洪元的助教3)。戴元本在講習班上作了3場關於相移分析報告並組織參會代表參加教學改革經驗座談會。朱洪元先生的授課內容主要基於前一年在北京大學開設的量子場論課程講義。1960年，他根據課程講義整理出版了量子場論在中國的「啟蒙之作」——《量子場論》。由於此時朱洪元先生正在蘇聯聯合原子核研究所訪問(1959—1961年)，戴元本承擔了書稿的校對工作。讀研究生期間，戴元本同朱洪元以及冼鼎昌、何祚庥合作研究μ介子的輻射俘獲，首先指出存在一種新的選擇法則[7]。此外，他還計算了弱相互作用對輕子反常磁矩的影響[8]。在色散關係研究方面，戴元本在雙重色散關係上分析了核子—核子相互作用。
圖1 1958年青島量子場論講習班合影 (取自《王普先生紀念集》，山東科學出版社)。二排：冼鼎昌(左4)、戴元本(左5)、王普(左8)、張宗燧(左9)、謝毓章(左10)、朱洪元(右5)、何祚庥(右1)
1961年，戴元本研究生畢業。此時，他的研究工作集中在當年風行一時的雷傑理論(Regge theory)。Regge理論的基礎是把位阱散射下散射振幅具有的一些特點硬性推廣到粒子理論。戴元本在1963—1965年發表的系列論文中指出Regge理論中所要求的Regge漸近行為只在某些特殊位阱情況下才出現，而在一些高奇異性的位阱散射情況下並不出現[9,10]，從而否定了Regge理論作為「基本」理論的理論基礎。這些工作曾引起國內外學者的關注。期間戴元本還多次參加張宗燧、胡寧和朱洪元組織的小型討論會，討論量子場論和粒子物理的新發展。
1964年8月，在北京舉辦了中華人民共和國成立後承辦的首次國際科學討論會。共有來自亞、非、拉和大洋洲的44個國家和地區的代表參加會議。中共中央對這次會議高度重視。8月22日，3000多位科學家和來賓參加了在人民大會堂舉行的會議開幕式。朱德元帥、聶榮臻副總理、陳毅副總理、郭沫若院長等出席開幕式。中國代表團包括61位成員和32位特邀代表，由中國科協副主席、北京大學副校長周培源任團長，張勁夫、範長江、于光遠等任副團長。此時已是副研究員的戴元本作為粒子物理學界的兩位代表之一4)參加了討論會。他的報告題目為《高度奇異位勢和一類非定域位勢的Regge行為》。
日本代表團團長坂田昌一認為戴元本等人的報告「涉及當前國際物理學界研究的尖端問題，而且達到了國際第一流的水平[11]。」坂田昌一(S. Sakata)當時已是國際知名理論物理學家，他在粒子物理學研究中自覺運用唯物辯證法，同時是一名左派社會活動家，關注社會主義國家尤其是蘇聯和中國的發展。在中日政府尚未建交的情況下，他早在1956年就利用機會到訪中國，還介紹了自己剛剛提出的坂田模型，即基本粒子可以再分，由更基礎的三個粒子(p，n，Λ)組成。此後，坂田積極推動中日物理學家的交流，為中國物理學界帶來新信息。1964年北京科學討論會期間，中共中央主席毛澤東在接見全體代表時祝賀坂田在基本粒子研究中所取得的成果。事實上，毛澤東在一年前就格外關注了《自然辯證法研究通訊》雜誌轉譯坂田昌一的文章《基本粒子的新概念》[12]中的基本粒子可分觀點。這與他希望中國儘快研製原子彈以及他所堅持的基本粒子無限可分的哲學思想有關。隨後，毛澤東還特意同物理學家和哲學家討論坂田的文章。毛澤東對坂田的讚賞在中國學術界引起非同一般的反響。坂田的文章很快重新由日文譯成中文並加注釋，連同哲學家根據毛澤東的幾次談話內容起草的編者按，刊登在中共中央主辦的《紅旗》雜誌和《人民日報》。同時，全國各行業展開對坂田文章的座談。
坂田的工作和毛澤東的物質無限可分思想直接影響了中國粒子物理學家的研究方向，刺激了層子模型的提出。1965年9月，朱洪元先生邀請剛剛參加「四清」運動回來的戴元本共同研究基本粒子結構問題，提出存在比基本粒子更基本的真實粒子。隨後，朱洪元、何祚庥、汪容、戴元本和冼鼎昌等圍繞該問題展開討論，初步形成強子結構模型的基本思想5)。他們假設基本粒子由「亞基本粒子」組成，即與SU(3)、SU(6)對稱性基礎表示的基相對應的粒子。「亞基本粒子」性質滿足蓋爾曼在1964年提出的關於夸克性質的假設，但質量很重，約 10 GeV。緊接著，討論範圍逐漸擴大，形成由中國科學院原子能研究所、數學研究所、北京大學和中國科學技術大學的成員參加的「北京基本粒子組」(圖2)6)。事實上，上述人員在20世紀60年代初就保持著良好的合作關係。「北京基本粒子組」自1965年9月起定期組織報告會。朱洪元、胡寧、戴元本、宋行長、楊國幀、劉連壽、侯伯宇、汪容等人分別在討論會上作報告。報告內容涉及近代物理學重大發展、對稱群及其群表示、CP破缺，等等。
圖2 戴元本(左)和朱洪元(右)在討論問題
研究強子結構需處理質心運動為相對論性的「外輕內重」束縛態問題，即「亞基本粒子」(後稱「層子」7) )重於其組成的束縛態。量子場論框架下已有的描述束縛態的相對論性方程是B—S方程，但方程本身還有很多問題尚未解決，且物理學家對其方程解和物理意義存在疑義。朱洪元等人決定不去探討束縛態的相對論性方程及其解的問題，假設「層子」通過瞬時相互作用結合為束縛態，並嘗試直接引入基本粒子內部結構波函數解釋和聯繫實驗結果。在此基礎上，提出強相互作用粒子的相對論性結構模型[13]。
另一種處理束縛態的方法是Tamm—Dancoff方法。該方法在Fock空間表示粒子，即將粒子態表示為真空態加相應的產生算符。例如，介子由真空態加一個粒子或反粒子產生算符構成，重子由3個產生算符作用在真空態上構成。該方法的優點是當作一截斷後，可寫出束縛態方程且方程可解，利用所得波函數能計算各種過程。戴元本熟悉B—S方程和Tamm—Dancoff方法。經計算後，他認為Tamm—Dancoff方法可行並在討論會作報告。不過，當原子能所確定具體模型和計算方法後，戴元本便沒有繼續在Tamm—Dancoff基礎上做計算。隨後，他查閱到當時中國物理學界並不熟悉的曼德斯坦(S. Mandelstam)方法，該方法可以完全相對論地處理束縛態。利用Mandelstam辦法，原則上可以由場論方法求出束縛態矩陣元，即用3個流或者多個流關聯函數取其奇點便可以確定束縛態矩陣元。戴元本在討論會上也報告了這一方法。隨後，部分「北京基本粒子組」成員特意找出曼德斯坦文章，仔細推導和學習8)。
在此期間，義大利物理學家莫譜戈 (G. Morpurgo) 發表利用FockBase計算夸克組成介子過程的文章。這與戴元本之前的想法類似。看到有同行發展這種方法，戴元本擔心被外國人搶先，於是抓緊用相同方法計算π介子的相關過程。隨後，他徵求朱洪元先生意見是否發表。朱先生認為此時國外多數物理學家尚未注意強子結構問題，建議不要單獨發表文章，以免「透漏風聲」，「北京基本粒子組」要做出一批成果在國際會議(即 1966 年暑期物理討論會)報告，以取得這一領域的學術優先權9)。
圖3 戴元本在「北京基本粒子組」報告會上的記錄手稿
此外，考慮到朱洪元先生提出的方法並不具有完全相對論性。北京大學有成員向戴元本提議利用完全協變的方法重新計算相應過程10)。北京大學成員的基礎較好，參與研究較多。數學所年輕學者研究基礎不一，需在戴元本指導下做研究。張宗燧先生雖然參與全部討論，但他要求數學嚴謹，對數學上不嚴謹的近似法批評較多。不過，這在一定程度上促使他們尋求更嚴謹的方法。一段時間後，數學所和北京大學的成員合作提出強相互作用粒子結構模型及其協變場論方法[14]。他們給出了描述具體物理過程的S矩陣元費曼規則，討論了中子和介子情況，並由此計算了強子的各種電磁和弱作用過程。
「北京基本粒子組」除完成上述兩批研究結果外，還討論了夸克之間的超強相互作用的性質和耦合形式、高自旋重子激發態以及夸克統計等問題。1966年7月，層子模型作為毛澤東思想指導自然科學研究的典型案例在暑期物理討論會上報告。此外，朱洪元、胡寧、戴元本等還同日本代表團成員單獨召開小組會議，仔細討論層子模型工作。暑期物理討論會結束後，「文化大革命」的爆發使得「北京基本粒子組」工作中斷。這期間，國際粒子物理學界建立起描述強相互作用的量子色動力學。雖然層子模型並未在國際粒子物理學界產生預期的影響，但其適時抓住當時國際研究熱點並為中國粒子物理學的發展培養了一批年輕力量[15]。1982 年，該項工作榮獲國家自然科學二等獎，主要獲獎人為朱洪元、胡寧、戴元本和何祚庥。
圖4 戴元本參與層子模型研究過程中的手稿
「文革」期間，戴元本的研究工作並未完全中斷。1973年，他與合作者在層子模型框架下研究了準二體反應的共振衰變角分布，高能散射截面之間的關係以及極化靶
過程的共振衰變角分布等問題。1975年，戴元本提出用重整化群方程研究粒子的電磁形狀和大角度散射的方法。這使得此前只能用來討論非物理粒子的漸近行為的重整化群方程可以用來討論實際問題[16]。例如，將其發展到應用於複合粒子的形狀因子漸近行為。此外，戴元本同吳詠時合作研究了非阿貝爾規範場六階微擾論中費米子電磁形狀因子的漸近行為[17]。這項工作計算十分繁雜。他們最初提出領頭階指數化的猜想，並得到驗證。戴元本還與周光召合作利用半經典近似處理孤粒子散射問題[18]。事實上，該工作不僅探討了孤粒子散射問題還發展了半經典近似的方法，所得結果可能適用於其他情況。
3 中國科學院理論物理研究所(1978—2020)
戴元本不僅在理論物理研究方面成就突出，還對中國科學院理論物理研究所的創建和發展作出了重要貢獻。全國科學大會(1978年)召開以後，中國科學院開始籌建理論物理研究所。戴元本作為籌備小組成員參與制定多項決策，包括研究所的機構設置、研究方向、人才選拔和培養等。1980年戴元本當選中國科學院學部委員(院士)，當年中國科學院理論物理研究所共有4位研究人員當選。1985年，理論物理研究所被確立為中國科學院首批兩個開放所之一。戴元本連續擔任3屆開放所學術委員會主任(1985—1994年)，貫徹「開放、流動、聯合」的辦所方針，領導學術委員會指導和評議開放所的研究方向，建立開放課題制度並決定開放課題及經費分配，組織成果評價，監督開放所的運轉，建立由開放課題組成員及客座人員組成流動研究人員隊伍，使理論物理研究所建設充滿了活力。同時，戴元本善於團結同行，將每年召開的開放所學術委員會會議辦成了理論物理界共商共舉的重要場所。
圖5 基本粒子理論研究座談會，左側沙發坐者分別為戴元本、朱洪元和胡寧
戴元本還曾擔任中國高能物理分會理事長、中國物理學會常務理事、國際純粹與應用物理聯合會粒子與場委員會委員，努力推動中國高能實驗物理和粒子物理理論發展，並對穩定和培養高素質隊伍作出貢獻。20世紀80年代中期，中國理論物理研究遇到經費和專業人才的穩定性問題。戴元本積極支持周光召等領導組織實施國家自然科學基金理論物理重大項目。他在90年代初又與周光召共同提議「攀登計劃」中的理論物理若干重大前沿課題項目。這些項目的實施對於中國理論物理事業的進一步發展產生了積極的推動作用。
1987年，戴元本著作《相互作用的規範理論》出版，成為年輕一代粒子物理專業研究生的教科書。與治學一樣，戴先生培養研究生也是極其認真、嚴謹，為中國的理論物理學界培養了許多人才。1983年，戴元本指導的學生黃朝商獲得博士學位，成為中國自主培養的首批18位博士之一。目前，戴元本的弟子們大都成為國內外理論物理學界的知名專家。2003年，吳嶽良與戴先生一起探討量子色動力學的低能動力學性質，通過運用量子場論圈正規化方案引入特徵能標克服無窮髮散困難同時保持理論的對稱性，由此導出低能量子色動力學的動力學自發對稱破缺機制，得到了介子質量譜等二十多個與實驗相自洽的理論計算結果[19]。
戴元本先生從事科學研究近70年，一直秉持嚴謹、求真的態度。他顧全大局的胸懷，謙虛低調的作風，獎掖後進的用心，樂觀曠達的性格，都值得我們學習、繼承和發揚！
註：
1) 戴元本通過閱讀沙可洛夫編著的《量子場論》自學量子場論。他還研讀蘇聯物理學雜誌。該雜誌將國際前沿物理 成果譯為俄文以專輯形式出版。其中有幾期專輯的主題是量子場論和粒子物理，內容涉及重整化方法、Wick定理、Bethe—Salpter方程、Tamm—Dancoff方法以及蓋爾曼的部分文章。2014年4月24日，劉金巖訪談戴元本先生。
2) 戴元本當時並不知審稿人具體是誰。待他考取研究生到北京後同朱洪元先生相識，通過筆跡知道當時的審稿人是朱先生。2014年4月24日，劉金巖訪談戴元本先生。
3) 2014年11月10日，劉金巖訪談中國海洋大學於良教授。
4) 粒子物理學界的另一位代表是北京大學講師高崇壽，報告題目為《八重態理論與強相互作用粒子的分類》。據北京大學高崇壽教授生前回憶，粒子物理學界之所以選擇這兩個報告，一是因為雷傑極點理論當時是國際粒子物理學的流行課題，戴元本的工作比較前沿；二是朱洪元建議高崇壽作與對稱性有關的報告。每個報告時長15分鐘，很精煉。
5) 2012年8月25日，劉金巖訪談戴元本先生。
6) 事實上，討論組最初並沒有特定稱呼，「北京基本粒子組」是為準備「暑期物理討論會」而提出的。
7) 1966年北京暑期物理討論會籌備期間，錢三強提議為基本粒子組成部分統一名稱。冼鼎昌建議取作「straton」，簡稱「層子」，用以強調「層子」也並非物質結構的最終單元，而只是物質結構無限層次中的一個層次，「層子」也具有內部結構。
8) 2014年8月5日，劉金巖訪談中國科學院高能物理所杜東生研究員。
9) 2012年8月25日，劉金巖訪談戴元本先生。
10) 2013年12月17日和2014年6月26日，劉金巖訪談戴元本先生。
參考文獻
[1] 戴元本. 我的求學之路. 見：中國科學院院士工作局編. 科學的道路 (上卷). 上海：上海教育出版社，2005. 342—344
[2] 張柏春，田淼. 科技革命與中國現代化.濟南：山東教育出版社，2017. 125—126
[3] 王戰軍，周文輝，李明磊 等. 中國研究生教育70年. 北京：中國科學技術出版社，2019. 11
[4] 戴元本. 東南大學學報(自然科學版)，1957，(01)：109
[5] 戴元本. 現代物理學知識，2015，27(02)：19
[6] 朱重遠. 張宗燧傳. 見：陳佳洱. 20 世紀中國知名科學家學術成就概覽·物理學卷第 2分冊. 北京：科學出版社，2014.92—105
[7] 戴元本，冼鼎昌，何祚庥 等. 物理學報，1959，15(05)：262
[8] 戴元本. 物理學報，1961，17(11)：512
[9] 戴元本. 物理學報，1964，20(09)：863
[10] 戴元本. 物理學報，1965，21(05)：983
[11] 新科學的起點——坂田昌一教授談北京科學討論會. 人民日報，1964年8月30日第三版
[12] 劉金巖，張柏春，吳嶽良.自然科學史研究，2015，34 (01)：39
[13] 中國科學院原子能研究所. 原子能，1966，(3)：137
[14] 北京大學理論物理研究室基本粒子理論組，中國科學院數學研究所理論物理研究室. 北京大學學報·自然科學，1966，2：113
[15] Liu J Y. Chinese Annals of History of Science and Technology，2018，2 (1)：085
[16] 安瑛，吳詠時，戴元本. 物理學報，1976，25(03)：188
[17] 吳詠時，戴元本. 科學通報，1975，(11)：510
[18] 周光召，戴元本. 中國科學，1978，21(06)：628
[19] Dai Y B，Wu Y L. Eur. Phys. J. C，2005，39：S1