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彭桓武:物理天工总是鲜

庄辞 刘金岩
2020-02-03 09:02:26  来源:光明日报

  学人小传

  彭桓武(1915-2007),湖北麻城人,1935年毕业于清华大学物理系,随后入清华大学研究院学习,1938年考取中英庚款留学生,1940年、1945年相继获爱丁堡大学哲学博士学位和科学博士学位。留欧期间曾在爱尔兰都柏林高等研究院从事科研工作,与玻恩、海特勒等物理学家合作,在固体物理、介子理论和量子场论等方面做出有国际影响的工作。1947年年底回国,历任云南大学、清华大学教授。曾任二机部九所研究员和副所长、中国科学院高能物理研究所副所长、中国科学院理论物理研究所首任所长。彭桓武回国初期致力于量子力学在中国的早期普及,随后在中国尖端武器的研究和理论设计方面作出重要贡献。晚年致力于物理学与其他交叉学科的发展。1945年与玻恩共同获英国爱丁堡皇家学会麦克杜噶-布里斯本奖。1948年当选为爱尔兰皇家学会会员,1955年当选为中科院数理化学部委员。1982年获国家自然科学奖一等奖,1985年获国家科技进步奖特等奖,1995年获何梁何利基金科学与技术成就奖。1999年被授予“两弹一星”功勋奖章,2020年获中国核工业功勋奖章。

  1945年麦克杜噶-布里斯本奖奖章正、反面(彭桓武遗物)。

  彭桓武留学爱丁堡期间记录的玻恩“量子论”课程笔记。

  彭桓武和夫人刘秉娴。

  【大家】

   10年前,中国人民革命军事博物馆收到了一份特殊的藏品——一枚金质奖章。这遵照了“两弹一星”元勋彭桓武先生的遗愿,由中国科学院理论物理研究所将他的“两弹一星”功勋金质奖章赠予中国人民革命军事博物馆。如今,这枚“两弹一星”功勋奖章已经颁发20余周年了,让我们重温彭桓武先生一生中的几个重要阶段,全面了解他对新中国国防事业和理论物理发展所作出的重要贡献。

  世乱驱人全气节

  天殷嘱我重斯文

  1931年—1935年,彭桓武在清华大学学习。他主修物理,选修化学并旁听数学,受到吴有训、叶企孙、周培源和杨武之等先生的指导和帮助,打下了坚实的理学基础。本科毕业后,彭桓武进入清华大学研究院,在周培源先生的指导下开展相对论的研究,但因1937年“七七事变”爆发而中断学业。在云南大学短暂教书后,他于1938年考取了中英庚款留学生。

  1938年秋,彭桓武抵达英国爱丁堡大学,师从著名物理学家玻恩。玻恩是量子力学的创始人之一,获得了1954年诺贝尔物理学奖。考虑到自己之前的研究“皆偏于数学,只对技巧有所提高,而对理论物理尚未入门”,彭桓武在与玻恩初次见面时便提出“想要研究具体的物理问题,不想再搞广义相对论等难以捉摸的东西。”

  玻恩建议彭桓武计算金属的热振动频率。为了简化计算,彭桓武发展了自洽场的微扰方法并利用该方法计算由均匀形变引起的晶格势能变化和金属弹性模量。基于该工作,彭桓武于1941年获爱丁堡大学哲学博士学位。

  随后,彭桓武前往爱尔兰都柏林研究院,在量子力学另一创始人、1933年诺贝尔物理学奖获得者薛定谔的指导下做博士后研究。

  此时,彭桓武的研究兴趣转入介子理论。他与都柏林研究院助理教授海特勒、博士后同学哈密顿合作,应用“阻尼的量子理论”研究宇宙线介子。研究发现,新理论能够解释主要与介子相关的宇宙线现象,包括其产生、在大气层中的扩散、介子簇射和转换为中性介子。理论得到的介子密度随能量、高度、地磁纬度等变化情况与实验测量相一致。

  这便是著名的HHP理论,即以Hamilton、Heitler和Peng三位作者姓氏首字母命名。这项工作的最初动机是为辐射阻尼寻找证据,但在当时却因对宇宙线现象提供了连贯的图像和解释,引起著名理论物理学家丘、汤川秀树以及实验物理学家巴巴、鲍威尔、罗彻斯特等人的注意。

  1943年7月,彭桓武重返爱丁堡大学并担任卡耐基研究员。随后的两年间,他同玻恩合作,深入研究场的量子力学,系统分析了量子场论的性质,并在处理量子场论发散问题方面投入了很多精力。

  基于量子场论的发散困难及辐射反作用的严格论述,彭桓武于1945年获爱丁堡大学科学博士学位。同年,他与玻恩共同分享爱丁堡皇家学会的麦克杜噶—布里斯本奖(MakDougall Brisbane)。

  1944年,玻恩所著的《原子物理》第三版出版。玻恩在该书中引用了HHP理论,同时感谢彭桓武的帮助和核对附录证明部分,并赠送彭桓武一本亲笔签名的专著。彭桓武对这部专著非常珍视,虽异地几处,却一直保存完好。彭桓武去世后,遵照其遗嘱,该书现珍藏于中国科学院理论物理研究所图书馆。

  1945年7月,海特勒升任都柏林研究院理论物理研究所高级教授,彭桓武接替海特勒任助理教授。这期间,他指导研究生莫勒特计算加速器人工产生介子的产生截面。

  留学欧洲的前七年,彭桓武从未休假,共发表18篇论文,其中3篇发表于英国《自然》杂志,其余各篇均发表于世界著名物理学期刊。

  在同国际一流物理学家们的合作中,彭桓武兼容并蓄,集各学派之所长进而形成了自己的风格。在爱丁堡大学,他学习玻恩的矩阵力学方法和严格的数学推演能力;在爱尔兰都柏林研究院薛定谔处,他掌握了波动力学方法及薛定谔的缜密思维能力;而与海特勒关于介子理论的合作,使他掌握了如何系统研究某一主题的方法。

  凭借杰出的理论物理研究能力,彭桓武获得玻恩和薛定谔的高度赞誉。在玻恩眼里,彭桓武是一位“天赋出众”、具有“神秘才干”、“单纯”又“杰出”的人。而薛定谔在与爱因斯坦的通信中写道:“简直不敢相信,这个年轻人学了这么多,知道那么多,理解这么快……”

  尽管彭桓武在学术上没有同薛定谔有过合作,但薛定谔对他的影响却很大。1985年,《薛定谔传》作者穆尔写信向彭桓武询问薛定谔对他的影响,彭桓武在回信中写道:“我同薛定谔教授曾在1941年—1943年、1945年—1947年两次共事。我非常感激同他友好且亲密的接触……大家公认听薛定谔教授的报告是一种享受,因为他报告时逻辑清晰同时具有很强的艺术感……薛定谔见解多样,同时是一位深刻的思想家,这不得不让人钦佩。”

  彭桓武初抵爱丁堡时曾写下诗句——“世乱驱人全气节,天殷嘱我重斯文”,这出自他对颠沛流离求学和留学生涯的万千感慨。当然,他深知建设祖国必然需要知识和人才这一颠扑不破的真理。所以,当彭桓武再次返回都柏林时,他认为自己已经具备独立研究的能力,便想争取早日回国。

  为此,彭桓武上夜校学俄语,计划从西伯利亚回国。为了得到回国船票,他请求狄拉克和布莱克特帮忙,但未能如愿。

  1947年年底,彭桓武终于得到由伦敦到香港的船票,辗转回国。事实上,早在1941年留英庚款三年资助期结束时,彭桓武便有意回国,甚至还学习游泳以备在大西洋中自救,但后来因太平洋战争爆发而搁置。

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编辑:张苇柠

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