杨振宁的“卷王”好友，黄昆给物理学界留下了什么？

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杨振宁的“卷王”好友，黄昆给物理学界留下了什么？

来源 | 墨子沙龙

撰文 | 汪志荣、丁兆君

1947 年，在美国从事实验研究杨振宁工作颇为不顺，甚至被人调侃“哪里有了杨，哪儿就会噼啪响。”在给友人的信中，他认为自己颇为幻灭（disillusionment）。几个月后，友人回信：我理解你的幻灭，你的烦恼不也正是我的烦恼。同时激励杨振宁将注意力放在自身之外，一起献身科学事业。这位好友不是别人，正是著名物理学家黄昆。



黄昆（1919-2005 ，浙江嘉兴人）是世界著名的物理学家，在固体物理研究领域取得了举世瞩目的成就。作为中国固体物理学及半导体物理学的奠基人，他参加制定了新中国第一个科学技术发展远景规划，为重点发展中国半导体物理提出了具体规划及措施建议。此后，他为推动建设中国固体物理和半导体物理学科作了大量的工作，对于专业人才培养、研究机构建设、学术传统形成，乃至该学科的整体发展等都产生了广泛而深远的影响。

求学之路

1937 年，黄昆进入燕京大学物理系学习。当时，现代物理学的两大支柱理论——相对论和量子力学方兴未艾，黄昆便在英籍教师赖普鲁组织课外研究活动的引导下，对这些前沿理论产生了浓厚的兴趣，并通过自学掌握了一些量子力学知识，甚至撰写了题为《海森伯和薛定谔量子力学理论的等价性》的毕业论文。在黄昆看来，这一工作虽然“没有自己的创见”但是也增强了自己对这一理论发展过程的参与感。


黄昆 1941 年北京燕京大学毕业时留影

1941 年黄昆从燕京大学毕业后，被推荐到西南联合大学担任助教；次年又考取该校理论物理研究生，师从吴大猷先生从事光谱研究。在这里，黄昆还遇到了两位好友——杨振宁和张守廉，组成了“三剑客”。他们三人都极有物理天赋，每天形影不离地讨论问题。对于这一段经历，黄昆颇有感触：

他们两位都是天赋极高、聪明过人，课堂上一些我认为非常艰深的理论，很快就能轻松地掌握。所以在日常交谈中，这些知识成了我们随时讨论的课题。对科学的追求，在他俩身上随时随地都有体现。因而与他俩的交往甚密，我也受到了感染。

而这种喜欢与人讨论物理问题的习惯，黄昆一直保持到晚年。最终，在良师益友的影响下，黄昆也认定自己要追求科学事业，并在固体物理方面打下了扎实的研究基础。攻读研究生期间，黄昆共完成了 3 篇论文，于 1944 年完成了题为《日冕光谱线的激起》的学位论文，获得硕士学位。


1992 年，三剑客重逢，杨振宁（右），张守廉（中）和黄昆（左）

1944 年 8 月，黄昆考取了“庚子赔款”留英公费生资格。当时庚款留英公费生章程规定，对于就读学校和导师，学生可以自主填报志愿。此时的黄昆对于自身的条件与兴趣已经有了充分的认识，翌年 10 月，他决定赴英国布里斯托尔大学留学，由此成为固体物理学家莫特（N.F.Mott）[1]在二战后招收的第一名博士生。

在读期间，黄昆不仅又完成了 3 篇论文，还将自己在西南联大时的有关锂原子能态的研究成果于 1946 年发表在 Physics Review 上，这是当时的物理学顶刊。而当时的杨振宁还是一个实验室爆炸的制造者。因此，我们可以相信，杨振宁当时的幻灭感，可能有一部分就来自于自己这位“卷王朋友”。不过对于黄昆而言，自己当时的日子也算不上“好过”。在给杨振宁的回信中，他感叹自己做研究多一半的时间也是在做惯常之事，但是同样激励自己与杨振宁：“中国有我们和没有我们，makes a difference ”。


黄昆与杨振宁保持了长年的友谊

这种信念感在黄昆选择研究方向时便已经显现。黄昆出国留学是有目的、有方向性的。当时，固体物理学是刚刚兴起的物理学分支学科，这一学科后来奠定了以半导体技术、微波技术、激光技术等为代表的现代技术的理论基础。黄昆师从国际著名的固体物理学家莫特学习，得以在学科发展初期即进入了前沿领域；加之自身具备良好的理论功底，且善于钻研，他很快在固体物理研究领域崭露头角，并取得了一系列重要的研究成果，因此提前完成了博士论文工作。


黄昆（前排左二）在在英国利物浦大学做博士后时与同事们合影，后与李爱扶（前排右一）结婚

博士毕业后，为进一步学习深造，黄昆选择留在英国进行访学和博士后研究。1947-1951 年间，他在爱丁堡大学跟随著名物理学大师玻恩（M. Born）进行了为期半年的访问研究，其后又在利物浦大学理论物理系任博士后研究员。1951 年 10 月，黄昆启程回国。

固体物理大师

黄昆在固体物理研究方面取得了几项具有开创性意义的研究成果，具体包括以其名字命名的4项研究成果：“黄漫散射”“黄方程”“黄-里斯理论”“黄-朱方程”，以及和玻恩合作撰写的《晶格动力学理论》经典著作。其中除“黄-朱方程”外，其余几项研究成果均源自于英国留学期间的研究工作。

理论研究表明，X射线入射到固体材料当中会出现X射线散射现象，但是实际材料往往会偏离严格的周期排列。1946 年，在布里斯托尔大学的黄昆对稀固溶体的 X 光漫散射进行了研究，认为是固溶原子引起的长程弹性畸变（晶体缺陷）会导致 X 射线发生漫散射。除此之外，黄昆还采取了一种简化模型，给出了相关公式。黄昆关于稀固溶体的 X 光漫散射的预言，后来由德国科学家派斯尔（H.Peisl）等人在实验中证实，被物理学界称作“黄漫散射”，现已成为研究晶体微缺陷的有效手段。


黄昆与 H.Peisl 在讨论

在黄昆诸多成就中，最为出名的便是与玻恩合作的《晶格动力学理论》身为量子力学与晶格动力学两个领域的开创者，玻恩早就计划在量子力学的基础上重新阐述晶格动力学，并在二战中已经撰写了若干章节。但是战后他工作繁忙且年事已高，这本书就被搁置起来。1947 年，玻恩发现到爱丁堡访学的黄昆格外熟悉这门学科，还有着深刻的见解，便给他看了手稿，并建议黄昆一起完成这部著作。

从 1948 年开始，黄昆有一半的时间都花在这本书上，等到 1951 年 10 月他启程回国时，书稿已经基本完成。1954 年，此书终得出版。玻恩对黄昆所做的工作给予了高度评价，不仅在《晶格动力学理论》的序言中指出，这部著作对自己原来的讲稿“在很多方面使之更普遍化，并增加了新的章节，”甚至在与好友爱因斯坦的通信中表示，部分内容超出了自己所理解的范围。直至 1973 年，国际晶格动力学大师柯克兰（W.Cochran）仍然认为该书“是关于这个学科许多方面的权威著作”


1954 年牛津出版社出版的《晶格动力学理论》及北京大学出版社出版的中译本

除了撰写一本经典的著作外，黄昆另外的时间还做出了科研生涯最具影响力的几项研究成果。其中包括对于离子晶体（又称极性晶体）的光学振动问题的研究，这一问题的解决方法后来被称为“黄方程”。黄昆还进一步将黄方程与麦克斯韦方程相结合，用于分析双原子极性晶体，从而发现电磁模（光子）与横光学声子模互相耦合而形成新的“耦合振动模”——声子极化激元，这在物理学上是一个非常重要的新观念。此外，黄昆与艾扶·里斯（Avril Rhys）合作完成“黄-里斯理论”，从而奠定了固体中束缚在杂质和缺陷上局域电子态跃迁理论的基础。


黄昆与夫人李爱扶（Avril Rhys）

“黄-朱模型”是黄昆在半导体物理领域的重要成就。1970 年代，随着半导体低维结构研究的兴起，科学家们开始关注晶体内部准二维量子结构中的声子模式及其影响。在短周期超晶格拉曼散射实验中，德国卡多纳（M.Cardona）研究组发现，实际类体模的对称性与理论预言结果相反。针对这一现象，黄昆与朱邦芬提出了一种解释，既解决了原有模型理论与超晶格拉曼散射实验结果之间的矛盾，也澄清了传统理论与实验结果出现矛盾的原因。这一微观模型现已作为该研究领域必读文献列入国内外许多学术专著、教材中，被学界称作“黄-朱模型”。

黄昆为什么从固体物理领域转入半导体物理呢？这与他回国之后的选择颇有关系。

中国半导体物理之父

1951 年，黄昆收到了恩师饶毓泰的来信，邀请他到北京大学物理系任教授一职，他抛下在英国的一切，转道香港回国。回国之初，为培养固体物理人才，黄昆就为北京大学物理系首次开设固体物理课程，创办固体物理专门化（专业），2 年后率先设立了半导体物理方向，并选拔了 10 名四年级学生学习半导体方面的课程，从而使北京大学成为中国最早培养半导体专门人才的单位。


1951 年在北京大学的黄昆

根据 1956—1967 年科学技术发展远景规划纲要，高等教育部于 1956 年采取了一项紧急措施：由北京大学、复旦大学、南京大学、厦门大学与东北人民大学五所高校联合，在原北大固体物理专门化半导体专门组的基础上，开办全国第一个“半导体专门化”，选派一批物理系高年级学生集中接受半导体专业教育，同时组织选调出相关教师赴北京大学联合成立半导体教研室，由黄昆担任教研室主任，复旦大学谢希德任副主任。

在培训班上，黄昆亲自主讲固体物理，并与谢希德合作讲授半导体物理课程。另外，他还邀请了苏联专家 A. B. 桑杜洛娃指导半导体实验室建设，并为教师开设了半导体工艺课程。培训班先后培养了 241 名毕业生，另有 20 名来自清华大学和南开大学的旁听生。这是中国半导体物理学科发展史上的一件大事。他们为发展中国半导体事业迅速培养的一大批专门人才，后来成为中国半导体专业教学与科研工作的骨干力量。


黄昆与谢希德

1977 年，因时任中共中央副主席、国务院副总理邓小平的两次亲自点将，黄昆调任中国科学院半导体研究所所长，后来又长期担任研究所名誉所长。这一时期，黄昆的研究工作迎来了第二个高峰期，同时他为推动半导体物理研究基地建设做出了重要贡献。

担任半导体所所长之后，黄昆立即组建了物理研究室，并推动了研究所开展半导体超晶格和微结构物理研究。他首先将研究所有关人员进行了整合，调来了自己的研究生夏建白、顾宗权，并吸收了一批 1976 年之后毕业的研究生，组成了半导体理论组和实验组。他还将分子束外延设备研制组也合并到物理室。黄昆后来强调：“在我到所后，全国对基础研究有了统一认识，着力把半导体物理研究开展起来，就成了我所责无旁贷的任务。”


1987 年黄昆在北京中科院半导体所作学术报告

为提高研究人员的理论水平，从 1978 年初开始，黄昆每星期都抽出半天时间给全所科研人员讲授半导体物理的理论基础，前后共讲了 10 个月。同时，并且积极安排与来访的国外学者进行学术交流，选送和推荐科研人员到国外研究机构学习。通过加强学术交流，一批年轻的科技人员既了解到国外半导体物理研究的最新进展，也建立起广泛的国际合作关系。

黄昆认为既然身在研究所，自己就必须在科研第一线工作。1983 年，退居二线的黄昆把自己的精力集中到了半导体超晶格的物理问题上来，他与合作者对半导体超晶格的电子态和声子模开展了系统而富有成效的研究，“黄-朱”模型便是其中的杰出成果。

20 世纪 80 年代末，基于在半导体超晶格和微结构研究领域建立的研究基础，以及该研究领域工作的重要意义，黄昆向国家计划经济委员会提出了筹建半导体超晶格国家重点实验室的建议。1991 年，半导体超晶格国家重点实验室顺利通过了专家组的评定和验收。


黄昆在半导体研究所办公室里工作。黄昆不喜欢一人单独一间办公室，照片的最右边可见半块“小黑板”，这是黄昆讨论问题必不可少的“办公用品”。

独特的学术传统

在长期的教学和科研工作中，黄昆带出了一支优秀的半导体物理专业队伍。这支队伍在科研方向、研究方法受到黄昆的深厚影响，颇具特色。

20 世纪 80 年代，黄昆认为，虽然中国建立了发展半导体技术的工作基础，但因基础研究长期得不到重视，缺乏自主创新能力，与国际先进水平存在很大差距。担任半导体所所长后，黄昆开始推动将半导体超晶格物理确定为半导体所开展基础研究的重点研究方向，并很快取得了研究进展。20 世纪 80 年代末，就有国际专家指出，“量子阱物理研究领域，国内有非常显著的成就，尤其是半导体所，在这方面的物理班子又颇具规模，不亚于任何其它一处”。


1995 年底，黄昆向半导体所的研究生谈自己的做人之道与治学之道

此外，黄昆还推动建设了半导体超晶格国家重点实验室，他的两代弟子相继成为研究骨干，实验室引进了一批国内外杰出人才，先后完成了一批高质量的研究成果，在国际学术界享有一定的声誉。其中，郑厚植和朱邦芬被授予“国家有突出贡献的中青年专家”称号，夏建白被评为中科院有突出贡献的中青年专家，有 10 余名研究人员获得政府特殊津贴，郑厚植、夏建白、朱邦芬、李树深、常凯先后当选为中国科学院院士。


1989 年，在祝贺黄昆 70 寿辰的晚宴上。左起，朱邦芬，秦国刚，郑厚植，甘子钊，李爱扶，黄昆，韩汝琦，钟战天

在研究方法上，黄昆善于提出简化模型来解决复杂的物理问题。他深受导师莫特影响，十分重视培养自己建立和运用物理模型解决物理问题的能力。在黄昆的印象中，尽管莫特“有深厚的数学理论修养，但最善于抓住问题的物理实质提出形象的模型，以最简单的数学获得结果。”黄昆的几项重要研究，也都是能够抓住问题的本质，提出正确的物理模型，从而取得成功的。另外，黄昆回国后在教学和指导学生科研活动中，也特别强调运用简化模型方法解决问题的重要性。这种方法解决问题对其学生及合作者产生深刻影响。恰当运用简化模型方法，朱邦芬、夏建白、常凯三位院士做出了出色的成绩。


黄昆获得 2001 年度国家最高科学技术奖

黄昆还认为，基础理论是技术应用的基础，从学生时代开始，黄昆就特别重视基础理论的研究。黄昆调任中国科学院半导体研究所所长期间，竭力推动半导体物理方面的基础研究；亲自组建半导体理论组和实验组，举办培训班，讲授现代半导体物理知识。改革开放以后，他所组建的物理研究室确立了以半导体超晶格作为主要研究方向，并逐步深入发展到量子阱、量子线、量子点等低维半导体物理研究领域，取得了多项具有国际影响的科研成果。在黄昆的影响下，他的学生和合作者已逐步成长为中国从事固体物理和半导体物理基础研究的主要力量。


2002 年黄昆与郑厚植院士（左一）、夏建白院士（右一）在讨论

此外，黄昆严谨务实的科研作风也影响到了后进之辈。黄昆指出，科研活动的目的就是要解决科学问题，无论理论研究还是实验研究，都要把大量时间用在解决细节问题上，许多思想是靠解决细节问题而慢慢成熟起来的。他一生发表文章数量并不多，但对固体物理学的发展却产生了重要影响。黄昆要求自己的学生不要在乎发表论文的数量，“可发可不发的文章不要发”，更不能通过拼凑文章来增加数量，要注重真正解决物理问题。”



对于黄昆而言，其在英国时已经成为一名成绩斐然的固体物理学家。为了发展新中国的科学事业，他毅然选择回国工作。受国内科研环境的影响，他在其后30余年几乎中断了自己已经取得重要成就的固体物理研究工作，将全部精力用于培养中国的固体物理、半导体科学与技术专门人才。有人不免生出了黄昆应有更大成就的想法，对此黄昆却说道：

我 1951 年回国，立即赴北京大学任教。这时，新中国刚刚成立，国家把培养人才的工作放在了极为重要的地位，学校对教学工作提得很重，我全身心地投入到了教学工作。从 33 岁到 59 岁，都是致力于教学工作。近些年来，新闻媒体的人士多次问我‘你没把研究工作长期搞下来，是不是一个很大的损失？’我是一直没有同意这一看法的。因为回国后全力以赴搞教学工作，是客观形势发展的需要，是个服从国家大局的问题。这也并非我事业上的牺牲，因为搞教学工作并没有影响我聪明才智，而是从另一方面增长了才干，实现自身价值。



注释

[1] 莫特是 1977 年诺贝尔物理奖获得者

本文转载自微信公众号“墨子沙龙”

来源：汪志荣，丁兆君。科技导报 2019 ，37（17）。

返朴 2024 年 11 月 28 日 08:31 北京