短暫而輝煌的科學人生｜盧瑟福之婿拉爾夫•福勒

 

在這些科學精英中，并不為人熟知的拉爾夫·福勒(Ralph Howard Fowler，1889～1944)其實是最杰出的代表之一。本文介紹了他短暫而輝煌的科學人生，讓人們一睹他昔日的科學風范及其在數(shù)學物理、理論物理與實驗物理等領域所作出的巨大貢獻。 

 

1、才華出眾，飽受戰(zhàn)亂

 

福勒1889年11月17日出生在英國的埃塞克斯郡羅伊敦)，是家中的長子，家境十分殷實富足。由于受其父運動天賦的影響，不僅使他終生酷愛高爾夫運動，而且造就了他在整個學生時代，一直是學校板球隊和足球隊出色的運動員。兒童時代的福勒，在相繼完成了家庭的早期教育和在預備學校求學的學業(yè)后，13歲時進入溫特斯特中學就讀了6年，并以優(yōu)異的成績榮獲了該校授予的數(shù)學和自然科學獎金。

 

1906年12月，福勒贏得了劍橋三一學院的主修獎學金，兩年后進入三一學院學習，1911年取得了學士學位。爾后，他便開始了純數(shù)學的研究，1915年他又獲得碩士學位。就在福勒讀研究生期間，由于他具有高超的數(shù)學技巧和敏銳而深邃的洞察力，數(shù)學成績一直獨占鰲頭，致使他分別于1913年和1914年先后登上了瑞利獎(Rayleigh Prize)和三一學院獎學金的頒獎臺。   

 

1914年10月間，第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，徹底打亂了劍橋安定平和的學習與研究環(huán)境，福勒因此授命于皇家海軍炮兵隊。在戰(zhàn)爭期間，不光他本人肩部嚴重掛彩造成了肺部感染，而且他的弟弟在法國索姆(Somme)戰(zhàn)役中不幸陣亡，他的兩位學生時代的摯友也被戰(zhàn)死。所有這一切，使福勒深切地體會到了戰(zhàn)爭的殘酷。   

 

一戰(zhàn)結束后，福勒于1919年4月重返劍橋的三一學院。基于同高爾夫球結下了不解之緣的共同愛好，他不但很快與時任卡文迪什實驗室主任的盧瑟福(E. Rutherford)相識并成為至交好友，而且結交了更多的人。在劍橋的歲月里，每周的休閑時間，他都要與盧瑟福、阿斯頓(F. Aston)、達爾文(H. Darwin)、泰勒(G. Taylor)等人，聚合在一起盡情地玩一次高爾夫球。1921年，福勒與盧瑟福的獨女艾琳(Eileen)喜結連理。   

 

1922年福勒成為劍橋大學新增設的數(shù)學物理博士學位中唯一一位研究生導師。另外，由于他才華出眾，碩果累累，因此分別于1925年、1932年和1933年，先后當選為英國皇家學會特別會員、新創(chuàng)建的熱力學物理的講座教授和溫特斯特的學會會員。不僅如此，福勒曾于1936年被授予皇家獎章一枚。要不是上任前一刻突然發(fā)生中風，福勒還將于1938年接替布拉格(W. Bragg)的職位，即擔任國家物理實驗室的主任。這次中風經(jīng)治療后雖然很快恢復，但是對他日后的身體狀況卻埋下了禍根。

 

在第二次世界大戰(zhàn)席卷全球的1939年，福勒被授命立即恢復在軍火部的工作。在此期間，他曾作為英方空軍的主要科學代表赴加拿大和美國，主要商討如何促成這三國之間的軍事聯(lián)盟，怎樣才能為英國被圍困的軍隊獲得重要的軍事援助，以及如何推進英美兩國核研究的進程等有關事宜。由于戰(zhàn)爭過于繁忙，福勒始終處于高度緊張與疲勞的工作狀態(tài)。這正如他所說“現(xiàn)在所有人要冒險，我也不例外。”

 

1941年，屢次將醫(yī)生的嚴重警告置若罔聞的福勒，因健康狀況日見衰退與惡化不得不回到英國。但在返回故土后，他卻依然擔任著國家研究理事會(National Research Counci)的科學顧問和英國聯(lián)絡員的雙重任務。1942年，福勒因為這種聯(lián)絡性的工作而被授予爵士。據(jù)與他共事的物理學家米爾恩(E. Milne)回憶，福勒從一戰(zhàn)前的純數(shù)學家轉變到二戰(zhàn)期間的物理學家、工程師和行政官員，他都當仁不讓。不僅工作得心應手、業(yè)績卓著，而且在這種角色的轉換中，為福勒在科學實際應用上的能力積累了很大的財富。   

 

1944年7月28日，在二戰(zhàn)的炮火與混亂的時局中，福勒離開了人世，享年僅55周歲。 

 

 

2、廣為涉獵，碩果累累

 

福勒的科學人生雖然短暫，但他勤奮好學、持之以恒、廣為涉獵、博學多才、成果豐富。主要體現(xiàn)在：   

 

其一，在他早期所致力研究的純數(shù)學領域，曾于1913～1915年間發(fā)表了四篇論文；1920年出版了一本數(shù)學專題研究的單行本，這本名為《平面曲線的初等微分方程》的小冊子，簡明扼要、短小精悍。后被一版再版，極具影響力，可謂是福勒在純數(shù)學研究方面的代表作。   

 

其二，在一戰(zhàn)期間，出于戰(zhàn)事的需要，福勒將他的數(shù)學才能應用于物理學領域。他從改良與提高常規(guī)的軍用儀器和武器的性能以及精密度出發(fā)，進行了一系列的實驗，發(fā)表了大量文章。例如，在他和別人合作的三篇論文中，其中的一篇研究了聲波和純音警報器，同時還考慮了氣流對諧波的影響；另外的兩篇文章則是論述了剛射出槍口的子彈在有角度振動的情況下的力學系統(tǒng)，這是空氣動力學對飛行子彈的應用。福勒在這兩篇文章中，還列出了與飛行子彈相關的全部力學理論和實驗的結果，便于普通軍事官員的理解。福勒等人的這一研究成果，甚至對當時美國和加拿大的腔外彈道學研究產(chǎn)生了很大的影響。也正是這一貢獻，福勒于1918年被授予英帝國勛章。在這里特別值得一提的是，在一戰(zhàn)期間自身的負傷和同胞兄弟等人的不幸陣亡，雖然給福勒帶來了巨大的精神痛苦，但也鑄就了他理論聯(lián)系實際的治學風范。   

 

其三，1919年福勒回到了劍橋，加之他與其岳父盧瑟福等著名的實驗物理學家、天體物理學家的親密接觸，導致了他在系統(tǒng)地研究了各種不同類型的數(shù)學問題之后，最終將探索的目光轉向了數(shù)學物理中的前沿問題。福勒也就因此從上個世紀20年代初開始，進入了科學創(chuàng)造的巔峰期，在此后的二十余年中一發(fā)不可收拾。在這段歷史時期，福勒曾單獨或與他人合作，先后取得了多項重要的研究成果：

 

■ 1922年與C·G·達爾文一起共同完成了一篇關于能量分配的文章，提出了計算統(tǒng)計積分的方法，即著名的達爾文-福勒(Darwin-Fowler)法。此法除了被廣泛應用于物理學的諸多分支領域之外，福勒又獨自將它發(fā)展為研究物理化學的方法。

 

■ 20年代以來，福勒通過與米爾恩的共同努力，就他倆關于恒星光譜、溫度和壓力等問題的研究成果，發(fā)表了一系列的文章，這使福勒榮獲了1923～1924年度劍橋大學的亞當斯獎(Adams Price)。1929年福勒又將這些文章組合在一起，出版了一本學術專著——《統(tǒng)計力學》。這本膾炙人口的集大成之作，體現(xiàn)了統(tǒng)計力學在現(xiàn)代物理學中的應用，是一部“最為實用、完整和學術的著作之一”，享有“卓越非凡和意義深遠的”崇高榮譽，因為它是“在‘平衡態(tài)物質性質理論’中幾乎堪比百科全書”。難怪哥本哈根物理學派的領袖、1922年度諾貝爾獎得主玻爾(N. Bohr)聲稱：“正盼望從書中學到更多的東西”，并認定這本書的出版“是一件了不起的工作，肯定會受到所有物理學家的最大歡迎。”

 

■ 福勒同古根海姆(E. Guggenheim)合著的《統(tǒng)計熱力學》于1939年出版發(fā)行。

 

■ 1926年，當費米-狄拉克量子統(tǒng)計法剛一提出，福勒便立即將這一理論應用于研究宇宙中所存在的高密度物質狀態(tài)(后稱之為白矮星)。不僅證明了與白矮星的高密度相關的“簡并氣體壓力”確實足以抵抗引力收縮，而且還證明了在白矮星那樣的壓力與密度條件下，星體的能量的確比地球上通常的物質所具有的能量大很多。福勒的這一有生以來最具原創(chuàng)性的重大發(fā)現(xiàn)，是當時剛誕生的量子力學的一個合理外推。另外他還得到了一些至關重要的結論，其中特別是白矮星的密度壓力關系，具有更高的學術價值。因為依據(jù)這個關系，可推得任何質量的恒星，在它們的晚年，都將以白矮星而告終。福勒的這種恒星演化過程的觀點，后經(jīng)他當年的博士生錢德拉塞卡(S. Chandrasekhar)的進一步發(fā)展，提出了以其名字命名的質量極限，作為恒星演化結果的判據(jù)，亦即當恒星的質量在“錢德拉塞卡極限”(1.44個太陽質量)以下，恒星將以白矮星終結它的一生，而當質量超過此值時，恒星將最終變?yōu)橹凶有腔?ldquo;黑洞”。錢德拉塞卡也因在恒星結構和演化過程的研究中業(yè)績顯赫而榮膺了1983年度的諾貝爾物理學獎金。   

 

■ 福勒還在物理化學、凝聚態(tài)物理學和實驗物理學的前沿領域，以及量子理論、量子化學等諸多方面，都有所建樹；他以學術報告或講座等形式，對其他各種新興理論在劍橋的傳播也功不可沒；與此同時，當年作為博士生導師的福勒，還為劍橋培養(yǎng)了一批高素質的創(chuàng)新型人才。 

 

3、短暫人生，桃李滿園

 

福勒作為“20世紀初劍橋大學數(shù)學物理的弄潮兒”，他的科學人生雖然短暫，但卻絢麗多姿，既振興了當時英國的科學與教育事業(yè)，又惠及了后人。   

 

福勒面對當年量子理論在劍橋的傳播很不順暢，甚至受到一些物理學權威如瑞利(L. Rayleigh)和金斯(J. Jeans)的排斥，感到心急如焚。一戰(zhàn)結束之后，他審時度勢、忠貞不渝地堅守在物理學的前沿領域，嘔心瀝血、任勞任怨、鍥而不舍地進行了深入的研究。并以非凡的科學洞察力迅速地意識到：如果不及時地將昔日名聲鵲起的劍橋數(shù)學從牛頓體系中解救出來，那么它將很快變得黯然失色。為此，福勒毅然決然地在劍橋開啟了數(shù)學物理的研究，并十分明確地確立了它在現(xiàn)代物理學中的地位，果斷地宣告了數(shù)學領域一直被籠罩的牛頓傳統(tǒng)已經(jīng)過時，使他因此成為了劍橋數(shù)學物理的領航人。后經(jīng)繼承者不斷地艱苦努力，直接導致了劍橋大學更多數(shù)學分支學科的相繼問世。如1959年劍橋大學應用數(shù)學與理論物理系的誕生，以及1964年純數(shù)學與數(shù)學統(tǒng)計學系的創(chuàng)建，就是兩個典型的例證。不僅使劍橋的數(shù)學恢復了以往的輝煌，重新立足于世界數(shù)學的最高之林，而且還使從牛頓體系中擺脫出來的劍橋數(shù)學，在現(xiàn)代物理學的發(fā)展中大放異彩。   

 

福勒參與了兩次世界大戰(zhàn)，交戰(zhàn)雙方的互相慘殺和戰(zhàn)事的吃緊，給他的心靈和身體都帶來了嚴重的創(chuàng)傷，但是對他的學術研究生涯卻提供了一個機遇，即戰(zhàn)爭中的經(jīng)歷使他更偏重于理論在實踐中的應用。盡管戰(zhàn)爭的影響會使福勒的學術研究在其深度和獨立性上不夠突出，但是福勒的這種理論聯(lián)系實際的治學風范和廣博的學識卻得到盧瑟福和玻爾等物理學大師的青睞和重視，“使他成為了理論與實驗的中間人。”福勒這種既重視理論研究又不忽視實驗研究的風范，對當時物理學界那些熱衷于“純數(shù)學構造”而墜入遠離實驗的“黑洞”的科學探索者，也是一個極好警示。   

 

福勒作為當時劍橋獨一無二的數(shù)學物理博士生導師，他對于20世紀各種新興學科所持有的高度敏感和高昂的激情，迅速而深刻地感染了他的博士生，乃至劍橋大學數(shù)學物理和實驗物理專業(yè)其他學位層次的全體師生。這對于當時劍橋繼續(xù)鞏固深化、提高和發(fā)展于19世紀末高等教育改革所取得的系列成果起到了推波助瀾的作用，并由此培養(yǎng)和造就了一批開拓型的創(chuàng)新型人才�？ㄎ牡鲜矊嶒炇以谟�國實驗物理中的地位與作用得到進一步的加強。在福勒擔任數(shù)學物理博士生導師的18年間，他先后培養(yǎng)了六十多位成績斐然的研究生。其中貢獻特別突出的，除了上述的天體物理學家錢德拉塞卡以外，還有量子物理學家狄拉克(P. Dirac)和凝聚態(tài)物理學家莫脫(N．Mott)，前者因創(chuàng)立原子理論的新形式，并以波動力學準確地預測了正電子的存在，而分享了1933年度的諾貝爾物理學獎金；后者因對磁學和無序系統(tǒng)的電子結構理論所作的根本性貢獻，而摘取了1977年度的諾貝爾物理學獎的桂冠。福勒的這些弟子，后來能在現(xiàn)代物理學的各個分支領域中取得如此卓越的成就，與他們的恩師福勒當年的言傳身教與幫助是分不開的。在20世紀初這個全球物理學界風起云涌的年代，福勒為英國劍橋大學科學事業(yè)的重振雄風，立下了汗馬功勞。