謝玉銘——本該是第一個獲諾貝爾物理獎的中國人

2021-01-16 謝氏家族網

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謝玉銘


謝玉銘,字子瑜,1893年6月5日生於福建省晉江縣祥芝鄉赤湖村(今屬石獅市),4歲喪父,隨母親遷居泉州城內,家庭生計全靠母親一人維持。養正小學畢業,培元中學畢業。由於學習成績優異,被母校推薦進入北通州協和大學(燕京大學前身)。1917年大學畢業後回到培元中學,擔任物理、數學教員,因英文很好,還擔任英語會話及語法的教學工作。


1921年,燕京大學物理系聘請他回校擔任物理實驗等課程的教學。1923年,他獲得「洛克斐勒基金」資助赴美留學,進入哥倫比亞大學研究生院攻讀物理學,一年後獲碩士學位。為向名師求教,旋即轉學到芝加哥大學繼續攻讀物理學。


那時著名的物理學教授、諾貝爾獎獲得者A.A.麥可遜和R.A.密立根均在該校物理系任教。謝玉銘曾在麥可遜的指導下從事光幹涉的研究,1926年獲得博士學位。


謝玉銘學成後遵約回燕京大學,初任副教授,後任教授,1929年至1932年任物理系主任。「九.一八」事變後,謝玉銘在物理系普及無線電收發報技術教學,並組建通訊組向全校公布抗戰消息,激發了廣大師生的愛國熱情。


拍攝於1937年的全家福,左二為謝希德,右二為謝玉銘 


1932年,謝玉銘再度獲得「洛克菲勒基金」資助赴哥倫比亞大學,就任客座教授。在此期間,他和W.V.胡斯登合作,開展了「氫原子光譜精細結構」的研究,並獲得極為準確的實驗結果,1933年9月合作撰寫了《氫原子光譜H阿爾法線的精細結構》著名長篇論文。1934年2月,該論文在《物理評論》發表雜誌上,由此引起物理界的震驚,導致「重整化問題」的進展。


這是是物理學界的一件大事,這項重大的科學研究成果是對科學事業的巨大貢獻,按照後來的情況來看,他們完全可因此獲得諾貝爾物理獎,但由於種種原因未果。


謝玉銘與W.V.胡斯登進行的研究,最初的目的是精確測定在光譜學和量子電動力學中均有重大意義的「阿爾法常數」。它在光譜學中稱為「精細結構常數」,在量子電動力學中則被稱為「耦合常數」。


1930年,大部分實驗結果都一致認為阿爾法常數值為1/137,並已確知阿爾法常數隻與電子電量、普朗克常數和光速三個常量有關。阿爾法常數因此把三條基本理論聯繫起來,引起了許多物理學家極大的興趣。著名物理學家W.K.海森伯和W.泡利,希望能探究出阿爾法常數為什麼是1/137,而不是其他值,還認為,如果揭開這個謎底,即可以解決量子電動力學「重整化問題」。而著名天文學家A.愛丁頓則把阿爾法常數視為「揭開宇宙結構之謎的鑰匙」。


由於對阿爾法常數的極大興趣,幾個實驗組都在從事氫原子光譜的精細結構研究。


原子光譜與核外電子在原子的能級間的「躍遷」相關,原子的能級又與阿爾法常數相關。根據W.A.M.狄拉克理論,可計算出氫原子能級;而根據選擇定則,則可確定哪些能級間存在「躍遷」發生的可能,因而可在理論上預知氫原子該有怎樣的「光譜結構」。


反之,根據實際觀察到的氫原子「光譜精細結構」,則可測量出常數阿爾法常數值。


1959年,謝玉銘與夫人張舜英


邁克耳遜和莫雷曾使用幹涉儀,對氫原子光譜可見光巴爾末線的第一條和第二條譜線進行了實驗觀察,發現第一條譜線是雙線結構,且彼此的間隔很小,測得第一條譜線兩峰的波長差僅為0.135埃。在表觀上還因強度各異而構成細微相距的雙峰,謝玉銘和胡斯登曾把這兩峰分別稱為「紫峰」和「紅峰」。


兩峰的頻率差的理論計算值,對於貝達線為0.3440。謝玉銘和胡斯登利用「法布裡——珀羅幹涉儀」,在嚴格控制可能引起實驗誤差的條件下,進行了仔細的數據處理,但是其實際測定值還是比理論計算值小,為0.3298,兩者相對值為0.959,約96%。


對於阿爾法線雙線測量的間隔,謝玉銘和胡斯登測量的為0.317~0.320,威廉所測的為0.319,德鄰握特所測的為0.316。阿爾法線的頻率差的理論值為0.328,相對值也同樣是理論計算值的96%。


褚聖麟在他所著的《原子物理學》(人民教育出版社)第四章中引述了他老師謝玉銘及合作者的實驗結果:「後來有好些人進行過這樣的測量。胡斯登和謝玉銘精密測量了這雙線的間隔,測得的數值肯定只是按上文(7)式算得的96%。」


其他巴爾末線系譜線也得到相似的結果。這樣一來,就相當於要把阿爾法常數值從原來的1/137改變成1/139.9。


但是,由於阿爾法常數隻由幾個常數決定,又已得到了精確測定,因此,要做這樣大的修正,理所當然地令人難以接受。如謝玉銘和胡斯登實驗所達到的精確度,就足以排除產生這個差異的實驗來源。


為此,謝玉銘和胡斯登向《物理評論》撰寫的論文,首度全面詳細地介紹了他們的實驗方法、數據處理以及實驗結果,並且大膽提出:「這個差異如此之大,它不可能是構成阿爾法的幾個常數的測量誤差所引起的。我們不能不得出這樣的結論:『我們所用的理論不足以解釋實驗結果。』」


1926年謝玉銘(二排左八)在芝加哥 


他們還進一步指出:「產生這個差異的原因,可能是計算能級時,沒有考慮電子和它的輻射場的相互作用。」意思是差異產生於後來才被稱之為「自具能」的影響。


今天回過頭去看,謝玉銘和胡斯登的實驗、結論和進一步分析都是完全正確的。他們的這一重要提議,後來(1947——1948年)成為量子電動力學「重整化理論」研究的主要發展方向。


令人遺憾的是,謝玉銘與他的合作者最先採用「光學方法」所得出的、後來被稱之為「藍姆移位」的結論,當時並沒有引起科學界的充分注意,導致他們與諾貝爾物理獎失之交臂。


原因是當時各實驗組所使用實驗手段和實驗結果不盡相同,特別是沒有互通情況而進行全面分析整合,這是包括權威人士在內的幾乎所有人們認識上的混亂所致,使這個完全正確的結論未被引起重視。


當時加州理工學院的F.H.斯佩亭小組和康奈爾大學的R.C.吉布斯小組,雖然也得出了類似「實驗值小於理論值」的結果,但斯佩亭小組在當年年末就發表了文章否定自己原先的結果,宣稱經過「數據再處理」後「實驗和理論相符」;而吉布斯小組繼謝玉銘和胡斯登之後雖也發表了論文,卻認為實驗和理論不符是因為n為2的兩個能級並不相同,有一個小的相對移位,沒有從理論上提出何以會產生這個移位。


正是由於他們各自不同的結論,因而淹沒了謝玉銘和胡斯登的正確結論,也沒有引起當時理論物理學界的足夠重視,就是名重一時的理論權威P.狄拉克和A.索末菲等人也未從理論上去找原因,而更多的則是認為是實驗本身出了問題。


時逢第二次世界大戰期伊始,由於許多物理學家均參加了與戰爭有關的科學研究的緣故,致使對謝玉銘和胡斯登的實驗結論的混亂看法,在經過好多年以後才得到澄清。


謝玉銘和W.V.胡斯登在氫光譜巴耳末系的精細結構的研究中,以實驗測定精細結構常數阿爾法常數值,結果發現實驗光譜線間距小於相對論理論計算值,且其差異又超出了實驗誤差的可能範圍;要解釋這種差異,不能將理論計算的阿爾法常數值從1/137改為1/139.9,謝玉銘與合作者大膽提出,產生這個差異的根源可能是理論計算中忽略了電子和輻射場之間的相互作用。


謝玉銘回國後,1937~1938年間謝玉銘的合作者W.V.胡斯登指導同樣來自中國的朱正元再做相關的實驗。他們對具有空心陰極的液態空氣冷卻放電管,使用幹涉儀測量該管所發射的電離氦的λ4686譜線的精細結構,具體測定組線間的相對強度和位置,結果是其實驗值與理論預言大致符合,再度證實了他和謝玉銘提議的正確性。


1967年謝玉銘與蔣中正在臺北中山堂


十五年後,W.E.藍姆等人以「微波共振法」重新研究氫原子光譜得出的結論,完全證實了謝玉銘及其合作者的提議的正確性。


從1937年開始,加得福尼亞州史丹福大學W.E.藍姆在E.李瑟福的協助下,採用射頻波譜學方法研究氫原子光譜,經過無數次失敗後,終於在1947年準確地測定了n為2的兩個能級,發現其中確有一個4.4×10-6電子伏特的移位。


眾人所從事多年的這項「重整化實驗」研究工作,最終至藍姆才引起物理學界的巨大震驚。1955年藍姆因此皆對電子磁矩作出精密測定的哥倫比亞大學物理學家庫什雙雙共獲同一項諾貝爾物理獎。


科學的步伐從來就不會停止。不久H.貝特在理論上完成了「自具能」修正計算,將「重整化理論」工作進一步推向深入。1947年~1948年,日本理論物理學家朝永振一郎、美國理論物理學家J.S施溫格和R.P範曼三人在繼續從事「重整化理論」研究。


他們從不同的觀點出發,各自獨立地去研究相同的一個問題;並且分別提出了避免同一困難的辦法,即解決在採用量子電動力學來計算任何電磁相互作用現象作高次近似計算時,得到的結果總是無窮大的問題;同時又得出了與愛因斯坦相對論相一致的量子電動力學公式,而成功地解釋了某些電磁現象中極為精細的效應——藍姆位移;還證明了該公式在測量和解釋原子、亞原子粒子行為中是極為有用的價值,因此他們共同獲得1965年度諾貝爾物理學獎。


胡斯登、謝玉銘所採用的實驗手段雖然與藍姆等人不同,但是他們的研究方向完全相同,研究結果也完全相同。因為謝玉銘和W.V.胡斯登的「氫原子光譜的研究」與「重整化的實驗」、「重整化的理論」就本質、結論和研究方向來說是完全一致的。


但是,境遇卻並不相同,這理所當然地會引起關心這一重大工作的人們的關注。科學的本質是「是事求是」,歷史也總會作出公正的論斷。1986年初出版的《第二次創造——20世紀物理學革命的締造者》作者,物理學史作家克裡斯和曼在該書中對W.V.胡斯登和謝玉銘發表在《物理評論》上的論文推崇備致,認為該文在當時作了一個「從現在看來是驚人的提議」!


1986年3月,楊振寧博士在紐約購買到了這本書,當他看到該書對W.V.胡斯登和謝玉銘工作的推崇後,立即感覺到其之一的「Y.M.Hsieh」,應該就是復旦大學校長謝希德的父親謝玉銘。


無巧不成書。謝希德恰好正在美國訪問,還打通了楊振寧的電話,以進行有關學術交流、討論。楊振寧正要找好,就問她謝玉銘教授是否在20 世紀30年代初曾在加州理工學院與W.V.胡斯登合作過?當得到她肯定的回答後,楊振寧博士興奮地告訴她,關於《第二次創生——20世紀物理學革命的締造者》所記述的事情。


「你知道不知道你父親那時的工作很好,比藍姆有名的工作早了十多年,而且藍姆的結果證明你父親的實驗的正確的?」


「我從來不知道,當時他只告訴我在從事很重要的實驗。」


「你們父女都是研究物理的,藍姆1946年到1947年的工作引起震驚時,你已是物理學工作者了,他怎麼沒有和你談起他自己30年代的工作呢?」


「說來話長,我們沒有機會。家父建國前去了菲律賓,他寫信要我留在美國或英國。我於1952年回國,回國後曾多次給他老人家寫信。我猜他對我不聽他的話很不高興,所以我們始終沒有機會討論他早年的工作。」


後來談起此事,楊振寧博士不勝惋惜,認為當時要不是產生了那場混亂的辯論的話,那麼W.V.胡斯登和謝玉銘應該早在20世紀30年代,或者遲至40年代就已獲得了諾貝爾物理學獎,那麼中國人獲得該獎項恐怕也就提前了幾十年。


對於W.V.胡斯登和謝玉銘的這一巨大貢獻, 1989年12期和1900年第11期《今日物理》雜誌,以及H.克拉齊(Krach)所著的《狄拉克傳記》一書,均把用「光學方法」發現「藍姆移位」這項傑出工作的首功,歸於W.V.胡斯登和謝玉銘,這項工作確實在光譜學和量子電動力學發展史上具有裡程碑的重要意義。


被譽為「氫原子光譜研究之父」謝玉銘,一生愛國、愛校、獻身科學。他不僅是著名的物理學家,而且是著名的教育家。他對早期燕京大學物理系以及抗戰時期廈門大學的建設和發展,均做出了重要的貢獻,為我國培養了許多優秀人才。


謝玉銘為了教育事業,造就有用人才,貢獻了畢生精力。他雖沒留下什麼物質財產,卻為後人留下了寶貴的精神財富。


他的女兒、著名物理學家、中科院院士、上海復旦大學校長、中國科學院數理學部委員、中國物理學會副理事長、原上海市政協主席兼黨組書記謝希德曾經說,就在我1986年訪問美國期間,在芝加哥才得悉家父已於3月20日在臺灣孤獨離世,享年91歲(1895年至1986年)。父親是在此十多年前,自菲律賓退休以後搬去臺灣的。我們父女之間40年沒有見面了,也沒有任何的書信往來。但是我知道他內心一定惦記著家人,惦記著我……。


他的才華、精神和對人類的貢獻,人們也永遠不會忘記。




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