圖1 葉企孫先生（1898-1976）
導讀：
胡昇華 | 撰文
葉企孫先生（1898-1976，圖1）在哈佛大學留學期間（1921-1923）正是量子力學誕生的前夜，傑弗遜物理實驗室（等同於哈佛大學物理系，圖2）經過特羅布裡奇（John Trowbridge，1843－1923）和萊曼（T. Lyman，1874-1954）兩任實驗室主任三四十年矢志不渝地貫徹“不斷實驗，耐心收集的資料”的指導思想，當時已經成為有相當國際影響的實驗物理中心。
萊曼掛在嘴邊的一句話是：物理學是一門實驗性的學科。把“實驗”提升到了物理學研究和教學工作的“信仰”的高度，他甚至認為，理論物理不過是實驗物理的附屬品。萊曼的觀念其實也是那個時期美國主流物理學家的觀念。原因在於美國物理學研究興起時正是經典物理學的鼎盛時期，一開始就形成了牢固的機械自然觀——現代物理科學的目標是對宇宙所有現象的機械解釋。這也就不難理解，哈佛的物理教授們為何對新興的量子物理普遍採取迴避的態度。
圖2 哈佛大學傑弗遜物理實驗室
然而，研究生們的思想要活躍得多。葉企孫的幾位師兄弟對當時蓬勃發展的量子物理非常著迷，機緣巧合，後來成為有世界影響的理論物理學家，並以出色工作改變了哈佛大學物理系的面貌，也改變了20世紀初年美國物理學在國際上不入流的窘境。
葉企孫在美國本土最早開設的量子物理課堂上與這些出色的哈佛同學曾同臺競技，且成績不俗。但基於國情和指導思想不同，葉企孫堅持走哈佛大學傳統的實驗物理道路，回國後，與其他幾位前輩物理學家一起，高舉實驗物理大旗，使中國物理學的早期發展建立在堅實的實驗物理基礎之上。
回過頭來看，葉企孫和他的哈佛同學後來在各自國家的物理學舞臺上都演繹了一段波瀾壯闊的歷史劇，他們之所以拿著不同的劇本是基於兩國物理學發展處於不同的歷史階段。兩國同學這一段各具特色的學術經歷的精彩程度是罕見的。
葉企孫留學期間在當時美國最好的實驗物理學家團隊的工作經歷、曾與美國最頂尖的理論物理學家同堂學藝且成績上乘、作為美國物理學振興的一個見證人，由此所獲得的激勵、建立的學術自信、產生的雄心、得到的經驗，在他後來推動中國物理學事業的發展中起到的作用是不能忽略的。
20世紀一二十年代，經典物理學遇到了根本性的挑戰，量子物理學在歐洲如火如荼地發展。在這場迄今為止最猛烈的物理學風暴的裹挾下，哈佛物理系師生的狀態，構成葉企孫留學教育的非常重要的學術背景。
20世紀60年代，美國物理學史家庫恩（Thomas S. Kuhn, 1922-1996）等人在做量子力學口述史訪談時，曾反覆追問肯布林（Edwin C. Kemble，1889—1984，圖3）——這位哈佛大學，乃至整個美國理論物理學的先驅者——在物理學的風暴即將來臨時，美國物理學家有沒有不安、不適的感覺，以及對量子物理的態度。
肯布林是葉企孫的同門師兄，也是任課老師，他與中國物理學界的另一位前輩胡剛復（1892-1966，圖4）可以算作同學。根據他的回憶，雖然哈佛物理系的每個人都在做研究，但當時他們從事的工作沒有涉及物理學遇到的麻煩事。在1915—1917年，哈佛大學沒有人對玻爾的原子理論在歐洲討論的情況有基本瞭解[1]。
當時，美國主流的物理學家都對量子物理採取迴避的態度。傑弗遜物理實驗室杜安（William Duane，1872-1935）教授的例項非常典型。1915年杜安與學生在實驗中發現了杜安-亨特關係[2]，eU＝hν＝hc /λmin。電子e經過電勢U加速後與原子碰撞發出光子的頻率有極大值，也即光波長有極小值λmin。這個關係非常容易根據量子理論予以解釋，杜安本人也認為，“我們的實驗結果為量子假說的基本原理提供了有力的證據”，他甚至利用這個關係式進行了普朗克常數h的測定，他和葉企孫等合作完成的h測定值[3]曾被物理學界使用了很長一段時間。但是，“能量量子化”是杜安這一代美國物理學家難以接受的。他曾嘗試繞過能量量子化假設，推導普朗克輻射公式。杜安是胡剛復的博士導師，葉企孫則選修過杜安的課程。
葉企孫的博士導師布里基曼（Percy W. Bridgman，1882-1961，1946諾貝爾物理學獎得主）被認為是哈佛教授群體中對量子觀念敵意最小的人[4]，但也僅此而已，他本人無意介入量子物理研究。
與教師隊伍整體上的平靜表現不同，葉企孫的幾位美國師兄弟對新物理學表現出了很大的熱情，其中，肯布林、斯萊特是兩個突出的代表。
肯布林1917年獲得博士學位，與1918年完成博士論文，1919年被授博士學位的胡剛復可以算是同期同學。肯布林後來成為美國的第一位量子物理學家、哈佛大學理論物理的鼻祖；而胡剛復儘管天賦上更貼近理論研究，但卻高舉實驗物理大旗，成為將物理實驗引入中國講壇的第一人，改變了中國大學物理學教學空談理論的舊面貌。這種歷史演進結果讓人印象深刻。
與胡剛復循規蹈矩地完成實驗性博士論文不同，肯布林對新興的量子理論的興趣難以抑制，正如他後來回憶的那樣：任何有量子、有h的東西，都令他興奮[1]。一個學生，單槍匹馬挑戰哈佛傳統，與周圍教授的想法和研究方向完全不同。對這種處境，肯布林後來在採訪中形象地描述：“我像一隻孤獨的狼，體型還很小”[1]。
當時哈佛大學並沒有給博士生提供從事理論物理研究的選項，傑弗遜物理實驗室此前從來沒有接受過純理論的博士論文，而且教授中也沒有人對量子物理思想足夠熟悉，可以指導這方面的論文。然而，經過導師布里基曼的努力，傑弗遜物理實驗室幾位知名教授在堅持原則和容忍試錯方面還是達成了妥協——同意肯布林的博士論文以理論物理為題，但前提是論文必須包括一個實驗部分。1917年肯布林獲得博士學位，他也是美國自產的第一位理論物理博士。
現在看，在肯布林博士論文選題上網開一面，成就了哈佛大學第一位理論物理學家，併為後來哈佛大學理論物理中心的建立奠定了基礎，這也可以被視作哈佛大學物理學發展的一個重要轉折點。同時，肯布林的經歷也提供了一個因材施教的個案。
斯萊特（John Clarke Slater，1900-1976，圖4）與葉企孫同年級、同導師，兩人興趣愛好也有一些相近之處：不擅長體育，對建築有興趣，喜歡讀歷史和人物傳記，巧的是，兩人卒年竟然也相同。斯萊特在量子力學領域的成就使他在年僅31歲時便當選國家科學院院士，這幾乎是史無前例的。他在提升美國理論物理學的國際地位方面發揮了關鍵作用，被認為是繼吉布斯（Willard Gibbs，1839-1903）之後的第一人[5]。這個斯萊特就是量子力學誕生前夕轟動一時的BKS（玻爾、克萊姆、斯萊特）模型中的那個S。斯萊特因BKS模型暴得大名，但也是因為這個模型使他對玻爾心生不滿，對玻爾的敬重銳減。
圖6 範·弗萊克（John H. Van Vleck，1899-1980）
第一次世界大戰結束後，肯布林從戰時工作迴歸學術，哈佛大學向他發出了召喚。接到哈佛大學的聘書，肯布林對薪酬之低感到吃驚，第一反應是拒絕。為肯布林開出很低的薪酬，反映系裡教授對理論物理的重視程度、對肯布林的期望值並不太高，這可能也是傳統價值觀的體現。這時，布里基曼站又站了出來對肯布林作苦苦挽留，布里基曼不希望哈佛大學失去肯布林這個難得的人才。在布里基曼的推動下，物理系為肯布林量身定製了一個計劃，授命他在哈佛大學建立一個理論物理中心。
哈佛大學檔案館儲存著一封布里基曼致肯布林的4頁紙的長信，布里基曼從哈佛榮譽，乃至民族榮譽與個人事業前景相結合的高度，為肯布林描繪了一幅宏偉藍圖，肯布林被說服了。
肯布林受聘後，很快在哈佛大學建立了一個量子物理研究小組，成員包括他的第一個研究生範·弗萊克、博士後研究生馬利肯（Robert S. Mulliken，1896 -1986），以及斯萊特等。他們主要用量子理論來闡釋分子結構。分子結構在上世紀20年代成為美國新興的量子物理學的研究重點。範·弗萊克於1977年獲得了諾貝爾物理學獎，我國物理學家王守競獲得博士學位後曾跟隨範·弗萊克做博士後研究，期間做出了很重要的工作[7]。馬利肯也因分子同位素效應和分子軌道理論的研究獲1966年諾貝爾化學獎。而斯萊特後來也成為國際知名理論物理學家，他從1930年起任麻省理工學院（MIT）物理系主任，並在這個位置任職31年，把MIT物理系建成了全國最負盛名的物理系之一，為美國培養了一大批理論物理學家。與葉企孫之經營清華大學物理系可相互映襯。肯布林在哈佛大學建立的量子物理研究小組，為理論物理在美國的發展起到了奠基性的作用，吹響了美國物理學振興的號角。
沒有跡象表明葉企孫與他身邊的這個量子物理研究小組有緊密的聯絡，但對於身邊這些同仁的工作狀態、學術思想，以及後來的成績，葉企孫當知之甚詳。參與美國最好的實驗物理學家團隊的工作、與美國最頂尖的理論物理學家成為師兄弟並同堂學藝、作為美國物理學振興的一個見證人，葉企孫由此所獲得的激勵、建立的學術自信、產生的雄心、得到的經驗，在他後來推動中國物理學事業的發展中起到的作用是不能忽略的。
我們檢索葉企孫在哈佛大學的選課情況發現，他對量子物理和相對論物理曾有心關注，在課程學習上也取得了好的成績，打下了紮實的理論基礎。但他為什麼沒有像他的同年級同學斯萊特、範·弗萊克一樣轉向對年輕人有很大吸引力的量子物理研究呢？
我們分析有幾個原因，其一，他從小養成的務實精神使他更傾向於腳踏實地的實驗工作；其二，哈佛的信仰——“物理學是一門實驗性的學科”——深入人心，當時哈佛的傳統和主流也是實驗物理，一個遠道而來的“取經者”的首要目標自然是獲取經典；其三，實驗物理工作更適合中國物理學事業起步階段的發展的需要。當然，葉企孫也並沒有像肯布林、斯萊特這些一門心思做理論的師兄弟一樣有充足的數學準備。
葉企孫回國後主持清華大學物理系，強調基礎課、強調物理實驗，反對設立“高調及虛空”的理論課程，不鼓勵學生出國留學選擇理論物理方向，並不是他對理論物理瞭解不多；我們認為，正是他對當時理論物理的狀態，對從事理論物理研究工作所需要的學術準備、所具備的天賦，對中國物理學的基礎有深入的瞭解，為使自己的學生能最大限度的發揮作用，保證中國物理學研究從無到有變化過程中能夠打好基礎，健康發展，才在那個特定的年代，不鼓勵自己的學生出國留學學習理論物理。
由於肯布林是第一個在美國大學開設量子物理課程的教師，所以葉企孫應該是第一個接受現代理論物理教育的留美中國學生。葉企孫後來成為對中國物理學事業發展貢獻最大的物理學家之一，除了他的人格魅力外，與他良好的物理學基礎和理論素養不無關係。
（作者：胡昇華 中國科學技術大學科技史與科技考古系。更詳細的內容可參見：胡昇華.葉企孫在哈佛大學的留學經歷[J].自然辯證法通訊,2024,46(08): 110-120.DOI:10.15994/j.1000-0763.2024.08.014.）
宣告：原文2024年12月10日首發於微信公眾號“墨子沙龍”，賽先生獲授權轉載。
參考資料：
[1] Interview of Edwin Kemble by Thomas S. Kuhn on 1962 May 11, Niels Bohr Library & Archives, American Institute of Physics, College Park, MD USA[EB/OA]. https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/4702-1,2. 2021-02-06
[2] Duane W, Hunt F L. On X-Ray Wave-Lengths[J]. Proceedings of the American Physical Society. 1915 ,6(2): 166-171.
[3] Duane W. Palmer H H, Yeh C S. A Remeasurement of the Radiation Constant, h, by Meuns of X-Rays[J]. Journal of Optical Society of America, 1921,5(4):376-387.
[4] Holton G. On the Hesitant Rise of Quantum Physics Research in the United States. [J]. AIP Conference Proceedings, 1988(179):177-205.
[5] Morse P M. John Clarke Slater 1900-1976. [A]. // National Academy of Sciences. Biographical Memoir[C]. Washington D.C: National Academy of Sciences,1982:297-321.
[6] Interview of John Clarke Slater by Thomas S. Kuhn and John H. Van Vleck on 1963 October 3, Niels Bohr Library & Archives, American Institute of Physics, College Park, MD USA[EB/OA]. https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/4892-1,2. 2021-02-06.
[7] 胡昇華. 王守競的量子力學研究成果及其學術背景[J].中國科技史料, 2000(03): 235-241.
[8] Van Vleck J H. American physics comes of age[J]. Physics Today. 1964,17(6): 21-26.
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