叶企孙和他的哈佛同学在量子力学诞生前夜

莱曼挂在嘴边的一句话是：物理学是一门实验性的学科。把“实验”提升到了物理学研究和教学工作的“信仰”的高度，他甚至认为，理论物理不过是实验物理的附属品。莱曼的观念其实也是那个时期美国主流物理学家的观念。原因在于美国物理学研究兴起时正是经典物理学的鼎盛时期，一开始就形成了牢固的机械自然观——现代物理科学的目标是对宇宙所有现象的机械解释。这也就不难理解，哈佛的物理教授们为何对新兴的量子物理普遍采取回避的态度。

▲图2 哈佛大学杰弗逊物理实验室

然而，研究生们的思想要活跃得多。叶企孙的几位师兄弟对当时蓬勃发展的量子物理非常着迷，机缘巧合，后来成为有世界影响的理论物理学家，并以出色工作改变了哈佛大学物理系的面貌，也改变了20世纪初年美国物理学在国际上不入流的窘境。

叶企孙在美国本土最早开设的量子物理课堂上与这些出色的哈佛同学曾同台竞技，且成绩不俗。但基于国情和指导思想不同，叶企孙坚持走哈佛大学传统的实验物理道路，回国后，与其他几位前辈物理学家一起，高举实验物理大旗，使中国物理学的早期发展建立在坚实的实验物理基础之上。

回过头来看，叶企孙和他的哈佛同学后来在各自国家的物理学舞台上都演绎了一段波澜壮阔的历史剧，他们之所以拿着不同的剧本是基于两国物理学发展处于不同的历史阶段。两国同学这一段各具特色的学术经历的精彩程度是罕见的。

叶企孙留学期间在当时美国最好的实验物理学家团队的工作经历、曾与美国最顶尖的理论物理学家同堂学艺且成绩上乘、作为美国物理学振兴的一个见证人，由此所获得的激励、建立的学术自信、产生的雄心、得到的经验，在他后来推动中国物理学事业的发展中起到的作用是不能忽略的。

20世纪一二十年代，经典物理学遇到了根本性的挑战，量子物理学在欧洲如火如荼地发展。在这场迄今为止最猛烈的物理学风暴的裹挟下，哈佛物理系师生的状态，构成叶企孙留学教育的非常重要的学术背景。

20世纪60年代，美国物理学史家库恩（Thomas S. Kuhn, 1922-1996）等人在做量子力学口述史访谈时，曾反复追问肯布尔（Edwin C. Kemble，1889—1984，图3）——这位哈佛大学，乃至整个美国理论物理学的先驱者——在物理学的风暴即将来临时，美国物理学家有没有不安、不适的感觉，以及对量子物理的态度。

肯布尔是叶企孙的同门师兄，也是任课老师，他与中国物理学界的另一位前辈胡刚复（1892-1966，图4）可以算作同学。根据他的回忆，虽然哈佛物理系的每个人都在做研究，但当时他们从事的工作没有涉及物理学遇到的麻烦事。在1915—1917年，哈佛大学没有人对玻尔的原子理论在欧洲讨论的情况有基本了解^[1]。

当时，美国主流的物理学家都对量子物理采取回避的态度。杰弗逊物理实验室杜安（William Duane，1872-1935）教授的实例非常典型。1915年杜安与学生在实验中发现了杜安-亨特关系^[2]，eU＝hν＝hc /λmin。电子e经过电势U加速后与原子碰撞发出光子的频率有极大值，也即光波长有极小值λmin。这个关系非常容易根据量子理论予以解释，杜安本人也认为，“我们的实验结果为量子假说的基本原理提供了有力的证据”，他甚至利用这个关系式进行了普朗克常数h的测定，他和叶企孙等合作完成的h测定值^[3]曾被物理学界使用了很长一段时间。但是，“能量量子化”是杜安这一代美国物理学家难以接受的。他曾尝试绕过能量量子化假设，推导普朗克辐射公式。杜安是胡刚复的博士导师，叶企孙则选修过杜安的课程。

叶企孙的博士导师布里基曼（Percy W. Bridgman，1882-1961，1946诺贝尔物理学奖得主）被认为是哈佛教授群体中对量子观念敌意最小的人^[4]，但也仅此而已，他本人无意介入量子物理研究。

与教师队伍整体上的平静表现不同，叶企孙的几位美国师兄弟对新物理学表现出了很大的热情，其中，肯布尔、斯莱特是两个突出的代表。

▲图3  肯布尔（Edwin C. Kemble，1889—1984）

肯布尔1917年获得博士学位，与1918年完成博士论文，1919年被授博士学位的胡刚复可以算是同期同学。肯布尔后来成为美国的第一位量子物理学家、哈佛大学理论物理的鼻祖；而胡刚复尽管天赋上更贴近理论研究，但却高举实验物理大旗，成为将物理实验引入中国讲坛的第一人，改变了中国大学物理学教学空谈理论的旧面貌。这种历史演进结果让人印象深刻。

与胡刚复循规蹈矩地完成实验性博士论文不同，肯布尔对新兴的量子理论的兴趣难以抑制，正如他后来回忆的那样：任何有量子、有h的东西，都令他兴奋（[1]）。一个学生，单枪匹马挑战哈佛传统，与周围教授的想法和研究方向完全不同。对这种处境，肯布尔后来在采访中形象地描述：“我像一只孤独的狼，体型还很小”（[1]）。

当时哈佛大学并没有给博士生提供从事理论物理研究的选项，杰弗逊物理实验室此前从来没有接受过纯理论的博士论文，而且教授中也没有人对量子物理思想足够熟悉，可以指导这方面的论文。然而，经过导师布里基曼的努力，杰弗逊物理实验室几位知名教授在坚持原则和容忍试错方面还是达成了妥协——同意肯布尔的博士论文以理论物理为题，但前提是论文必须包括一个实验部分。1917年肯布尔获得博士学位，他也是美国自产的第一位理论物理博士。

▲珀西·布里奇曼（Percy Williams Bridgman，1882 -1961）

现在看，在肯布尔博士论文选题上网开一面，成就了哈佛大学第一位理论物理学家，并为后来哈佛大学理论物理中心的建立奠定了基础，这也可以被视作哈佛大学物理学发展的一个重要转折点。同时，肯布尔的经历也提供了一个因材施教的个案。

斯莱特（John Clarke Slater，1900-1976，图4）与叶企孙同年级、同导师，两人兴趣爱好也有一些相近之处：不擅长体育，对建筑有兴趣，喜欢读历史和人物传记，巧的是，两人卒年竟然也相同。斯莱特在量子力学领域的成就使他在年仅31岁时便当选国家科学院院士，这几乎是史无前例的。他在提升美国理论物理学的国际地位方面发挥了关键作用，被认为是继吉布斯（Willard Gibbs，1839-1903）之后的第一人^[5]。这个斯莱特就是量子力学诞生前夕轰动一时的BKS（玻尔、克莱姆、斯莱特）模型中的那个S。斯莱特因BKS模型暴得大名，但也是因为这个模型使他对玻尔心生不满，对玻尔的敬重锐减。

▲图5  斯莱特（John Clarke Slater，1900-1976）

斯莱特的个案是值得注意的，他在杰弗逊实验室的学术体系下跟随实验物理学家做博士论文，本应顺理成章地成长为实验物理学家，为什么会转向理论物理？他自己是这样说的：在理论物理领域，我会比周围绝大多数人做得更好，而在实验物理领域，大家都能做 ^[6]。后来得诺贝尔奖的范·弗莱克（John H. Van Vleck，1899-1980）与他同宿舍，曾自叙：我在哈佛大学读了一个学期的研究生后，意识到最适合自己的工作是物理理论研究。他于是成为肯布尔的第一个博士生，当时肯布尔是美国唯一有资格指导量子物理纯理论研究的人。两位室友的选择其实与当时量子物理学发展的那种激动人心的状况、与肯布尔在系里建立的量子物理研究小组的活动有很大关系。这一时期，物理系每周一次讨论班的主要内容是新兴的量子理论，肯布尔多次做量子物理专题报告。几位年轻人密切跟踪德国物理杂志、德国物理年鉴、英国哲学杂志关于量子物理的前沿进展，做到了与时俱进。

▲范·弗莱克（John H. Van Vleck，1899-1980）

斯莱特毕业时已经在量子物理领域有很好的造诣。他获得博士学位后曾先后去哥本哈根和剑桥大学研修，他在接受库恩的量子力学访谈时曾说，哥本哈根和剑桥并不比哈佛更前沿和活跃。自己在哈佛的感觉如同在剑桥或哥本哈根一样处于物理学的研究中心，哈佛甚至比哥本哈根更与时俱进、更活跃。但对于斯莱特描述的哈佛，库恩马上表示质疑：从其他人那里得到的印象，尽管当时哈佛不能说死气沉沉，因为有很多非常好的基础工作在开展，但我不觉得一般人真的如此与时俱进。经库恩质疑，斯莱特也承认，他描述的状态可能是他自己的状态，或者说是他与肯布尔、范·弗莱克等人组成的量子物理研究小组成员的状态，而不一定是物理系整体的面貌（[6]）。斯莱特的回忆对我们了解叶企孙完成博士学位论文时的学术环境提供了很好的参考资料。

第一次世界大战结束后，肯布尔从战时工作回归学术，哈佛大学向他发出了召唤。接到哈佛大学的聘书，肯布尔对薪酬之低感到吃惊，第一反应是拒绝。为肯布尔开出很低的薪酬，反映系里教授对理论物理的重视程度、对肯布尔的期望值并不太高，这可能也是传统价值观的体现。这时，布里基曼站又站了出来对肯布尔作苦苦挽留，布里基曼不希望哈佛大学失去肯布尔这个难得的人才。在布里基曼的推动下，物理系为肯布尔量身定制了一个计划，授命他在哈佛大学建立一个理论物理中心。

哈佛大学档案馆保存着一封布里基曼致肯布尔的4页纸的长信，布里基曼从哈佛荣誉，乃至民族荣誉与个人事业前景相结合的高度，为肯布尔描绘了一幅宏伟蓝图，肯布尔被说服了。

肯布尔受聘后，很快在哈佛大学建立了一个量子物理研究小组，成员包括他的第一个研究生范·弗莱克、博士后研究生马利肯（Robert S. Mulliken，1896 -1986），以及斯莱特等。他们主要用量子理论来阐释分子结构。分子结构在上世纪20年代成为美国新兴的量子物理学的研究重点。范·弗莱克于1977年获得了诺贝尔物理学奖，我国物理学家王守竞获得博士学位后曾跟随范·弗莱克做博士后研究，期间做出了很重要的工作^[7]。马利肯也因分子同位素效应和分子轨道理论的研究获1966年诺贝尔化学奖。而斯莱特后来也成为国际知名理论物理学家，他从1930年起任麻省理工学院（MIT）物理系主任，并在这个位置任职31年，把MIT物理系建成了全国最负盛名的物理系之一，为美国培养了一大批理论物理学家。与叶企孙之经营清华大学物理系可相互映衬。肯布尔在哈佛大学建立的量子物理研究小组，为理论物理在美国的发展起到了奠基性的作用，吹响了美国物理学振兴的号角。

▲马利肯（Robert S. Mulliken，1896 -1986）

20世纪20年代中期以后叶企孙的几位同学或师兄弟已经成长为世界一流的物理学家，哈佛大学物理系也成为一个一流的物理学研究机构。范·弗莱克后来曾自豪地说，虽然量子力学的狂欢不由我们开始，但我们的年轻理论家们很快就加入了其中^[8]。到了20世纪30年代，美国已经成为物理学强国。

我们检索叶企孙在哈佛大学的选课情况发现，他对量子物理和相对论物理曾有心关注，在课程学习上也取得了好的成绩，打下了扎实的理论基础。但他为什么没有像他的同年级同学斯莱特、范·弗莱克一样转向对年轻人有很大吸引力的量子物理研究呢？我们分析有几个原因，其一，他从小养成的务实精神使他更倾向于脚踏实地的实验工作；其二，哈佛的信仰——“物理学是一门实验性的学科”——深入人心，当时哈佛的传统和主流也是实验物理，一个远道而来的“取经者”的首要目标自然是获取经典；其三，实验物理工作更适合中国物理学事业起步阶段的发展的需要。当然，叶企孙也并没有像肯布尔、斯莱特这些一门心思做理论的师兄弟一样有充足的数学准备。

叶企孙回国后主持清华大学物理系，强调基础课、强调物理实验，反对设立“高调及虚空”的理论课程，不鼓励学生出国留学选择理论物理方向，并不是他对理论物理了解不多；我们认为，正是他对当时理论物理的状态，对从事理论物理研究工作所需要的学术准备、所具备的天赋，对中国物理学的基础有深入的了解，为使自己的学生能最大限度的发挥作用，保证中国物理学研究从无到有变化过程中能够打好基础，健康发展，才在那个特定的年代,不鼓励自己的学生出国留学学习理论物理。

由于肯布尔是第一个在美国大学开设量子物理课程的教师，所以叶企孙应该是第一个接受现代理论物理教育的留美中国学生。叶企孙后来成为对中国物理学事业发展贡献最大的物理学家之一除了他的人格魅力外，与他良好的物理学基础和理论素养不无关系。

（作者：胡升华  中国科学技术大学科技史与科技考古系。更详细的内容可参见：胡升华.叶企孙在哈佛大学的留学经历[J].自然辩证法通讯,2024,46(08): 110-120.DOI:10.15994/j.1000-0763.2024.08.014.）