一流物理學的傳承與發展：文化、學派、風格和諾獎

以「電子和光子」為主題的1927年第五次索爾維會議合影，攝於比利時布魯塞爾。與會人員包括了愛因斯坦、玻爾、居裡夫人、普朗克、薛丁格、泡利、海森堡、狄拉克、德布羅意、玻恩等著名科學家，與會29人中有17人獲得諾貝爾獎。圖源：Wikimedia Commons

導 讀

20世紀是物理學的世紀，而物理學的文化傳承對物理學的發展起到了重要作用。本文追溯了理論物理方面的文化、學派和風格的變遷和傳承，這從一個側面體現一流的科學文化和科學教育如何促進創新。

二十世紀物理學的理論支柱之一是量子力學。本文著重與量子力學相關的方面。量子力學始於早期的量子論（將量子規則與經典圖像結合）[1]。早期量子論的代表人物是普朗克、愛因斯坦和玻爾。後來發展出新的量子力學，代表人物有海森堡、玻恩、薛丁格、狄拉克、泡利[2]、約當等等。在後面進一步的發展中，又湧現出費米 [3]、貝特 [4]、惠勒、奧本海默等一批理論家，二戰之後，又有施溫格、費曼 [5]、楊振寧、李政道等新一代理論物理學家。

撰文丨施 鬱

責編丨戴 威

玻爾和哥本哈根學派

玻爾是丹麥人，年輕時在嘉士伯啤酒的支持下，於1911年到英國訪問了一年，先是在劍橋大學，後來被盧瑟福邀請到曼切斯特大學。盧瑟福通過他和學生的實驗，提出原子由原子核和電子組成。

丹麥物理學家玻爾（Niels Bohr, 1885~1962）圖源：Wikimedia Commons

玻爾回國後，1913年提出了著名的玻爾原子模型，給出電子服從的幾條量子法則 [1]。之後玻爾曾訪問德國的哥廷根大學和慕尼黑大學，與慕尼黑的索莫非交流過。1921年，在丹麥政府和嘉士伯的支持下，他在哥本哈根大學創立了理論物理研究所。1922年獲得諾獎。玻爾去世後，紀念他誕辰80周年時，研究所改名為玻爾研究所。

2005年的玻爾研究所 圖源：Wikimedia Commons

玻爾的研究所創立後，在物理學發展中，特別是在量子力學的發展中，起到了很大的促進作用。它成為理論物理的「麥加」，很多青年物理學家喜歡去那裡訪問，很多創新工作在那裡得到催生。玻爾成為量子力學的精神領袖。圍繞玻爾，形成了一個哥本哈根學派。玻爾和哥本哈根學派的影響力在玻爾去世後也得以延續。

德國的索莫非和玻恩

當時在德國的慕尼黑大學和哥廷根大學，索莫非和玻恩也分別領導一個從事量子論和量子力學研究的學派。他們是德國最早的理論物理學家。因為師從數學家，他們研究理論物理的風格也更數學，更嚴謹。

德國理論物理學家索莫非 (Arnold Sommerfeld, 1868~1951) 圖源：Wikimedia Commons

德國物理學家、數學家玻恩（Max Born, 1882~1970) 圖源：Wikimedia Commons

泡利是索莫非的學生，1921年獲得博士學位後，相繼在玻恩和玻爾那裡做了一年助手，用今天的話說，就是博士後。泡利1924年提出量子力學的 「泡利不相容原理」。

奧地利理論物理學家泡利（Wolfgang Pauli, 1869~1955） 圖源：Wikimedia Commons

海森堡也是索莫非的學生，1923年獲得博士學位後也成為玻恩的助手，又去訪問了玻爾幾個月，然後回到玻恩這裡。

德國理論物理學家海森堡（Werner Heisenberg，1901~1976）

1925年海森堡寫出新量子力學的第一篇論文，打響了新量子力學的第一槍。後來玻恩和他的學生約當也加入，寫了 「兩個人的論文」，以及包括海森堡在內的 「三個人的論文」。

除了泡利和海森堡，索莫非和玻恩還有很多學生成為二十世紀的著名物理學家。

海森堡和泡利分別獨享1932年和1945年的物理諾獎。索莫非的學生中獲得諾獎的除了泡利和海森堡，還有博士生德拜和貝特，博士後鮑林、拉比、馮·勞厄。貝特1967年得諾獎。2016年得諾獎的索利斯是貝特的學生 [4]，也就是索莫非的學生的學生。索莫非自己被提名諾獎84次，可惜沒有得到。

玻恩的學生中得諾獎的有博士生德爾布呂克和瑪麗亞·格佩特-梅耶、博士後費米。諾獎委員會有點虧待玻恩，1954年才給他授獎。他的博士後奧本海默後來領導了研製原子彈的曼哈頓計劃。作為猶太人，玻恩流亡到英國後，還帶過幾位中國學生，從而影響了中國的理論物理。

量子力學還有一位創始人是英國人狄拉克。他1926年在劍橋大學獲得博士學位，導師是富勒。然後狄拉克在哥本哈根和哥廷根分別度過了半年。薛丁格和狄拉克分享了1933年的物理諾獎。

蘇聯朗道學派

1930年，蘇聯物理學家朗道簡短訪問了哥廷根和萊比錫（海森堡當時在這裡）後，來到哥本哈根訪問了一段時間。從此朗道稱自己是玻爾的學生。

蘇聯物理學家朗道 (Lev Davidovich Landau,1908~1968) 圖源：Wikimedia Commons

朗道回國後在蘇聯物理學界影響很大，創立了朗道學派，很多蘇聯物理學家都屬於朗道學派，也影響了新中國的一批留蘇學生。1962年，朗道在病房裡接受了諾獎。

1930年代，玻爾曾經訪問莫斯科，做學術報告，由朗道的學生伊夫琴科·慄夫席茲翻譯。聽眾中有人問玻爾：您是如何建立這麼一個優秀的學派的？玻爾說：「我從不介意告訴學生，我是一個笨蛋。」而慄夫席茲錯譯為：我從不介意告訴學生，他們是一個笨蛋。但他很快糾正了錯誤。在場的卡皮查評論道：「這個翻譯錯誤反映了玻爾學派和朗道學派的區別。」

雖然玻爾學派和朗道學派都取得了很多物理學成就，但是文化和風格的不同肯定也影響了科學的發展和創新的風格。朗道學派取得了很多踏實的成就，而且比較多地使用數學。但是也有特別創新的成果被朗道壓下，過了一個時期之後才被允許發表。

美國理論物理的風格

1930年代開始，由於納粹上臺，歐洲很多物理學家移民美國，比如貝特、費米。他們與曾留學歐洲的美國人拉比、惠勒、奧本海默等人，影響了美國物理學的風格。1934和1935年，惠勒訪問了玻爾，回美國後培養了很多學生，包括費曼。

拉比1927年到1929年在歐洲，先是索莫非的博士後，後來訪問玻爾和泡利。拉比是諾獎得主，他的學生有3位獲得諾獎，大多是實驗家。理論家施溫格也是拉比的學生，但是獨立工作。施溫格與費曼因量子電動力學重正化獲得諾獎。施溫格培養了很多學生，其中4位後來獲得諾獎。重正化的成功標誌著美國理論物理的興起。

義大利裔美國物理學家費米（Enrico Fermi, 1901~1954）圖源：Wikimedia Commons

1938年，費米獲得諾獎，也逃往美國，因為妻子是猶太人。我認為費米是對美國物理學影響最大的人。費米的個人風格，比如重視物理圖像和直覺，在美國物理學中留下了烙印，同時又切合於美國的實用主義風格—— 類似於西部牛仔捲起袖子幹活的作風。

執行曼哈頓計劃的洛斯·阿拉莫斯實驗室（Los Alamos National Laboratory）成為造就美國物理學風格的熔爐。包括奧本海默、費米、貝特、特勒、費曼在內的一大批最優秀的物理學家在這裡合作工作。

位於美國新墨西哥州的洛斯·阿拉莫斯實驗室，創立於1943年。圖源：Wikimedia Commons

戰後，費米和特勒去了芝加哥大學。楊振寧和李政道先後來到這裡求學。楊振寧曾經回憶，當時芝加哥大學有一個很活躍的跨學科的沙龍讓人很受教益，主要參加者包括費米、特勒和尤裡。楊振寧和李政道都以曾受教於費米而自豪。

費米的其他徒子徒孫也非常多，比如溫伯格和格羅斯都是費米的徒孫，分別因為電弱理論和強相互作用理論而獲得諾獎 [6]。

貝特、費曼等人去了康奈爾大學。兩年後，戴森從英國來做貝特的研究生時，還觀察到，康奈爾物理系很多教授來自洛斯·阿拉莫斯實驗室，還保持著在那裡形成的團結合作 [7]。

美國理論物理學家費曼（Richard Feynman, 1918~1988）圖源：Wikimedia Commons

所以戰後，洛斯·阿拉莫斯的風格傳遍美國物理學界。在這方面，新一代的代表人物是費曼。費曼的物理學風格體現了戰後美國物理的風格。可以從《費曼物理學講義》領略費曼物理學的風格。

楊振寧和李政道也是20世紀後半葉美國物理學的絢麗風景線。他們將在中國打下的紮實基礎與在美國培養的物理直覺結合起來，活躍於創新前沿，成為一代學術領袖。三十出頭時，他們就分享了1957年物理諾獎。

中國物理學風格變遷

新中國成立後，中國理論物理學界有幾位從英國、愛爾蘭回國的受玻恩影響的先生。但是從大環境來說，中國全面學蘇聯，向蘇聯派留學生，很大程度上受蘇聯風格的影響。所以主導蘇聯理論物理的朗道學派的風格對當時中國的物理教育、科學教育產生了較大的影響。改革開放之後，物理教育又轉向美國風格。

我們在前面特別關注到不同學派之間的「交接」。不同學派、不同國家的科學家之間的傳承、流動和交流是物理學的一個傳統文化。不同的學派有不同的風格，既有傳承或相通，又各具特色、互相補充、與時俱進。這對科學中心的形成甚至遷移，有很大作用的，體現了文化對科學創新的影響，是很有意思的科學史現象。

受此啟發，希望中國的學者們也能加強交流，建立起一個個有特色的科學社區，加強不同學科的學者之間的交流和思想碰撞，促進創新和科學文化建設。這也會增加未來科學中心移向中國的可能性，促進中國的科學和教育真正走向一流。

參考文獻：

1. 施鬱，慶祝2015國際光之年、紀念早期量子論― 從2014 年諾貝爾物理學獎與化學獎談起，現代物理知識，2015年27 卷1期，32-34。微信版：物理文化與施鬱世界線，2015年09月26日。

2. 施鬱，人生危機催生中微子假說| 紀念物理大師泡利，南方人物周刊，2019年第12期，58-63；微信版：物理文化與施鬱世界線，2019年4月26日。

3. 施鬱，諾獎委員會的錯誤：幽靈粒子是如何現身的？知識分子，2019年8月4日。

4. 施鬱，學術豪門！師徒三輩連環獲諾獎背後，知識分子，2016年10月29 日。

5. 施鬱，費曼百年（上），知識分子，2018年11月11日; 施鬱, 費曼百年（下），知識分子，2018 年11月18 日。

6. 施鬱，規範理論一百年，知識分子，2019年3月31日。

7. 施鬱，自由者戴森（上），賽先生，2020年3月4日。