王大珩（1915-2011）
導讀：
1992 年10 月，“慶祝王大珩教授從事科研活動五十五週年座談會”在北京舉行，並出版了學術論文集。拿起這本論文集，時年77歲的王大珩不禁掩卷沉思：論文集僅收錄了他的5 篇學術論文，全部是他早年留學英國期間完成的。
為了開創和領導中國的光學乃至科學事業，王大珩無暇從事具體的科學研究。他是否常常懷念在英國投身光學研究的歲月？
劉曉 胡曉菁 | 撰文
墨子沙龍 | 來源
對於王大珩來說，選擇光學作為專業有諸多理由。他的父親王應偉是一位天文與氣象學家。在早年北京和青島的求學歲月裡，王大珩常常跟隨父親進行天文與氣象觀測，親身感受到當時儀器裝置的不完善與精度不足。這種經歷讓他深知精密儀器對於科學研究的重要性，也為他日後投身光學領域埋下了伏筆。
20世紀30年代，清華大學的吳有訓等人正致力於透過實驗推動中國科學的獨立與自主發展。在這樣的學術氛圍中，王大珩接受了紮實的理論與實驗物理教育，並在畢業論文中選擇了光學作為研究方向。
1936年夏清華大學物理系畢業生合影（前排左起：王大珩、戴中扆（黃葳）、許孝慰、何澤慧、鬱鍾正（于光遠）；後排左起：錢三強、楊鎮邦、陳亞倫、楊龍生、謝毓章）
1938年春，受戰爭影響，王大珩被派到漢口從事炮兵技術試驗工作。此時，吳有訓南下途經漢口，建議他參加庚款留英考試。庚款留英考試源於英國退還庚款利息的15%，用於選拔赴英留學生。考試競爭激烈，錄取率不足10%，確保了錄取人員的高質量。當時，物理方面僅設理論物理和應用光學兩個專業名額。吳有訓希望王大珩報考應用光學，最終他成功考取。
1938年9月，王大珩得知被錄取後，已來不及返鄉與家人告別，立即前往香港與同屆留英學生會合。17日，在香港等待轉道前往昆明大後方的吳有訓也特地趕到碼頭，為這批留英學生送行：“你們好好學習去吧！待你們學成歸來，抗戰屆時終了，你們能更好地為祖國效勞。”
20世紀50年代與中科院領導合影（左起：錢三強、惲子強、王大珩、竺可楨、吳有訓、丁瓚）
經過二十幾天的海上顛簸，他們終於抵達法國馬賽，再經巴黎抵達倫敦。根據中英庚款董事會章程，學生可根據專業自由選擇學校。王大珩選擇了帝國理工學院物理系，師從光學專家馬丁（L.C. Martin）。當時，帝國理工學院物理系的名義教授是小湯姆孫（Sir George P. Thomson），電子發現者湯姆孫(J. J. Thomson)的獨子。他因發現電子衍射現象獲得1937年諾貝爾物理學獎。小湯姆遜於1940 年擔任了莫德委員會(MAUD Committee)主席，這個委員會對啟動英、美原子彈研製起到過關鍵作用。這一事件或許對王大珩日後成長為戰略科學家或許有些啟發。
喬治·佩吉特·湯姆森（George Paget Thomson，1892-1975）
克服了倫敦的潮溼氣候和單調飲食，王大珩開始了異國求學的日子。秉承節儉的生活習慣，他租住在一個只有8 平方米的頂層閣樓裡，一床、一桌、一椅等少量傢俱和四處堆放的書籍便是他的全部家當。令王大珩滿意的是，不僅房租便宜，而且離實驗室只有5分鐘的路程，他可以把全部的時間都用在研究工作上。
帝國理工學院的光學研究歷史悠久，其起源可追溯至第一次世界大戰期間。當時，英國光學工業薄弱，依賴從德國進口光學器件。為擺脫這種局面，1917年，倫敦高等教育委員會在帝國理工學院設立了光學設計系，任命熟悉軍需光學裝置的切舍（F.J. Cheshire）為系主任，馬丁則擔任講師。1919年，該系開設了英國最早的技術光學課程，對國際光學領域產生了深遠影響。然而，由於戰後經濟狀況的限制，光學設計系招生情況不佳，1926年本科教學被迫停止。此後，光學設計系改名為技術光學系，並於1931年併入物理系研究生部，成為技術光學組。馬丁教授憑藉其在光學儀器領域的深厚知識和經驗，成為該組的主管。
帝國理工學院物理大樓（中間塔樓及其兩側）
王大珩在帝國理工學院的研究方向是光學設計，特別是光學系統中的像差校正問題。他的研究重點是透鏡的球差（球面像差），這是光學系統中最基本的像差之一。球差的存在導致光線透過透鏡時無法聚焦於同一點，從而影響成像質量。王大珩透過最佳化理論，提出了一種簡化計算的方法，用於確定包含球差的光學系統的最佳焦點位置。他的研究不僅考慮了初級球差，還深入探討了二級和三級球差的影響，這在當時的光學研究中具有開創性。
球面像差
1940年，王大珩完成了他的碩士論文，並將其核心內容整理為論文《在有球差存在下的最佳焦點》，在導師的推薦下發表於《倫敦物理學會會刊》。論文中，他首次提出用低階球差平衡殘餘的高階球差，並透過適當離焦來最佳化成像質量的理論。他還透過近似公式計算得出，初級、二級和三級球差允許的範圍分別不應超過1、4和15個波長（λ）。
青年王大珩
王大珩的這篇初露鋒芒之作，是當時國際上象差校正最佳研究方案中一項具有開創性的工作，至今仍被國內外有關著作引用，廣泛應用於大孔徑小像差光學系統的設計中。例如，日本光學家小倉磐夫在其專著《現代照相機和照相物鏡技術》中專門引用了王大珩的論文——三級球差和波動光學的最佳象面：摘自中國光學學會理事長王大珩先生青年時代的論文”——並對其清晰的物理概念和明確的結論表示高度讚賞。小倉磐夫提到，儘管論文中僅使用了初等數學知識，，但其清晰的物理概念和明確的結論，令人印象深刻。
王大珩在帝國理工學院完成光學設計的學習後，於1941年前往謝菲爾德大學，師從著名的玻璃學家特納（W.E.S. Turner），攻讀玻璃製造技術的博士學位。儘管他不久便中斷學業進入昌司玻璃公司，但與特納教授間的合作研究仍持續了數年。
他的研究領域從光學設計轉向光學玻璃製造並非偶然。光學玻璃是光學儀器的核心材料，其製造技術，“由於軍事上的需要，一直被各國視為要害技術，競相強化，竭盡保密之能事”而特納教授是英國玻璃工業與教育界的開創性人物，他所在的謝菲爾德大學玻璃技術系在國際上享有盛譽。
謝菲爾德大學的玻璃技術系成立於1915年，是英國第一個以玻璃製造為研究和教學物件的大學機構。它的誕生與第一次世界大戰密切相關。當時，英國的光學玻璃主要依賴進口，戰爭爆發後，進口渠道被切斷，光學玻璃的供應變得極為緊張。為了滿足軍事需求，謝菲爾德大學成立了玻璃製造系，特納教授被任命為系主任。
謝菲爾德大學特納玻璃博物館
1916 年，他成立玻璃技術學會，邀集同行，制定研究綱領，組織教學會議，收集文獻資料，發行學術期刊。在漫長的學術生涯中，特納教授遍訪各地參觀交流，解決工業生產中的實際問題。隨著玻璃技術系的規模不斷增加，該系的影響也越來越大，直至聞名整個英國。到20 世紀30 年代，玻璃技術系和玻璃技術學會在特納的統一領導下，其學術研究、應用和交流功能得到充分發展，吸引了包括中國和日本在內來自世界各國的學者。1950 年，特納教授當選國際光學委員會首任主席。
英國謝菲爾德大學特納玻璃博物館的特納像(劉曉攝)
光學玻璃的製造並非易事。它需要精確控制玻璃的成分、熔鍊工藝以及後續的加工處理。與普通玻璃相比，光學玻璃要求更高的透明度和均勻性，這意味著在製造過程中需要嚴格控制雜質和應力分佈。很長時期內，各國對於各種光學玻璃的成分是嚴格保密的。
王大珩在特納教授的指導下，開始用分光光度測量技術進行玻璃的性質與光學研究。分光光度計是一種用於測量材料光學性質的儀器，它可以分析材料對不同波長光的吸收情況。然而，對於高度透明的光學玻璃，傳統的分光光度計測量方法存在很大侷限性。因為光學玻璃幾乎不吸收可見光，測量訊號非常微弱，容易受到雜質和應力的影響。為了解決這一問題，王大珩提出了一種改進的測量方法。他摒棄了傳統的點光源，改用大口徑的均勻散射光源。這種光源可以更好地照亮玻璃樣品，使得測量訊號更加穩定。透過這種方法，他成功測量了厚度達13cm的光學玻璃樣品，在此之前，玻璃樣品一般不能超過7mm。
20世紀20年代，光譜儀
光學玻璃的成分對其光學性質有著決定性的影響。例如，鐵離子是玻璃中常見的雜質，它會導致玻璃呈現黃色或褐色，從而影響透明度。特納教授曾研究過玻璃中鐵離子的價態變化，應用新的分光光度測量技術而，王大珩則進一步探索了鐵離子濃度對光學玻璃效能的影響。
在實驗中，王大珩在鈉鈣矽酸鹽玻璃中逐步加入氧化鐵（Fe₂O₃），並觀察其對玻璃光學性質的影響。他發現，當氧化鐵濃度低於0.6%時，鐵離子的離解度與光吸收呈線性關係。隨著氧化鐵濃度的增加，玻璃的顏色會從黃色變為褐色。此外，他還研究了氧化砷（As₂O₃）作為脫色劑的作用。氧化砷可以透過氧化作用將二價鐵離子轉化為三價鐵離子，從而減少玻璃的黃色調。
直到1945 年，王大珩還與特納合作發表關於氧化硼對玻璃性質影響的研究，以鈉硼矽酸鹽玻璃為物件。實際上那時候他早已離開謝菲爾德，但與特納的研究工作仍長期保持聯絡。
進入昌司玻璃公司
在英國的學習經歷中，最為關鍵的一步是進入昌司玻璃公司（Messrs. Chance Brothers）。這段經歷不僅讓他接觸到光學玻璃製造的核心技術，還為他日後成為中國光學事業的奠基人積累了寶貴的工業實踐經驗。
在謝菲爾德的研究工作僅僅進行了一年時間，一個偶然的機會來到他的面前。其在《我的自述》中稱：“我的英國同學漢德先生告訴我，英國昌司玻璃公司急需一位懂應用光學專業的科研人員，擔任新型光學玻璃開發研究工作。這真是一個難得的機遇，我的祖國是多麼需要這種技術啊！為了能學到製造光學玻璃的真實本領，我毅然放棄攻讀博士學位的機會，抓住二次大戰的時機，經漢德先生的推薦，離開學校，到昌司玻璃公司工作。”無可否認，王大珩留英最大的遺憾莫過於沒有拿到博士學位。如果有一家公司值得王大珩放棄如此優越的科研條件和在望的博士學位，那隻會是昌司玻璃公司。
昌司玻璃公司位於英國中部的伍斯特，是英國光學玻璃製造的先驅。早在1875年，這家公司就製成了英國最早的光學用途玻璃。一戰期間，昌司公司作為英國唯一的光學玻璃工廠，承擔了大量軍事光學玻璃的生產任務。二戰期間，隨著光學玻璃需求的多樣化，昌司公司進一步擴大了生產規模，並開始研發新型光學玻璃。
昌司玻璃曾廣泛應用於燈塔等建築上
王大珩在昌司玻璃公司的工作主要集中在光學玻璃的配方研發和生產工藝改進上。他的工作內容不僅包括實驗室研究，還涉及對生產過程的觀察和分析。儘管公司規定他不能進入生產車間，但作為研究實驗部的物理師，他能夠接觸到光學玻璃生產的各個環節，從而對生產組織形式和技術關鍵問題有了深刻的理解。
在昌司公司工作的5年裡，王大珩參與了約300爐的玻璃熔鍊實驗，積累了豐富的實踐經驗。當時，光學玻璃的研究重點是透過新增新的氧化物來改變玻璃的效能，尤其是稀土氧化物的應用。比如，加入氧化鑭可以讓玻璃的折射率更高，而加入氧化釷則可以降低玻璃的色散。王大珩是英國最早研究稀土光學玻璃的科學家之一，他的研究成果為昌司公司申請了多項專利。
昌司的玻璃車間
其中，最為重要的專利之一是含氧化鑭和氧化釷的鑭冕光學玻璃系列。這種玻璃主要用於攝像鏡頭，具有高折射率和低色散的特性。王大珩與同事合作，透過改變配方中各成分的比例，成功開發出5種不同效能的光學玻璃。這些玻璃的折射率在1.645到1.717之間，阿貝數（一種衡量色散的指標）在47.7到58.8之間，滿足了不同光學儀器的需求。
除了鑭冕光學玻璃，王大珩還參與了其他光學玻璃的配方研發。例如，他與同事合作開發了一種鋇硼矽酸鹽玻璃，其中加入了14.5%的氧化釷。這種玻璃的折射率為1.650，阿貝數為58.5，同樣用於攝像鏡頭。這些研究成果不僅提升了昌司公司在光學玻璃領域的競爭力，也為王大珩日後在中國開展光學玻璃研究奠定了堅實的基礎。
在英國申請專利，王大珩還談到過一件趣事：“因為申請一個專利，要到專利局去，首先要我把手放在他的聖經上，說我講的話都是真的。在這種情況下，我何必說我不信你的教呢？算了，我也就隨大流了，你愛怎麼樣我就跟著走了。”
鑭冕光學玻璃
在昌司公司工作期間，王大珩還致力於光學測量儀器的改進。其中最為突出的成就是他於1945年創研的V-稜鏡精密摺射率測定裝置（折射儀）。這種儀器主要用於測量玻璃的折射率，具有測量精度高、樣品要求低的優點。現在，V-稜鏡折射儀已經成為測量光學材料性質的經典儀器。1966 年，英國科學儀器展覽會在天津舉辦，開幕式上還特地展示了這件當年由王大珩設計製造的儀器。
此外，王大珩還對玻璃的熱處理性質進行了研究。熱處理是光學玻璃製造過程中的一個重要環節，它能夠確保玻璃在退火過程中達到物理均勻性。王大珩的研究成果為光學玻璃的精密退火提供了理論基礎，進一步提升了光學玻璃的質量和效能。
此外，王大珩還研究了玻璃的熱處理性質，這是保證光學玻璃精密退火以得到物理均勻性的理論基礎。在昌司公司的5 年裡，王大珩不僅掌握了光學玻璃製造中許多保密性很強的關鍵技術問題，還學會了一套從事應用研究和開發工作的思路和方法，特別是講求經濟實效的意識這對他回國後從事新技術創業和應用研究的開發工作，有著深刻的意義。
王大珩在英國10年的學習和工作經歷，對其一生從事光學事業有著決定性的影響。這期間，他分別在帝國理工學院接受光學設計訓練，在謝菲爾德大學師從特納學習光學玻璃製造技術，並進入昌司玻璃公司生產實踐。王大珩接觸到英國光學技術、玻璃製造技術和工業的最前沿，他的研究涵蓋光學理論、光學儀器及光學玻璃工業生產，為他開創中國的光學事業積累了寶貴的知識和經驗。
然而，要成為一位卓越的戰略科學家，專注科學訓練是不夠的。除了工作和學習外，王大珩在英國還接觸到左翼思想，與錢三強、李薰、彭桓武、朱樹屏、王承緒、柯俊等人交往密切。他們相約報國，在新中國科技事業的起步階段，留英科學家群體發揮了較為重要的作用。關於這些故事，就需要我們用另外的篇幅展示了。
1946年7月，錢三強、何澤慧、周培源、王大珩劍橋物理集會合影
內容來源：劉曉 胡曉菁 物理44卷(2015 年) 6 期。2025年1月21日首發於公眾號《墨子沙龍》，《賽先生》獲授權轉載。
星標《賽先生》公眾號，
歡迎關注我們，投稿、授權等請聯絡