让你当学二代，不是让你给量子物理学家牵线搭桥

学术 2024-07-31 17:01 北京

1927年，第五届索尔维会议召开，这是物理学史上的一次盛会。对于熟悉物理学史的人来说，照片中的许多面孔即使稍有模糊也能被迅速辨认。但有一些人，似乎不是那么闻名。后排右二的拉尔夫·福勒（Ralph Howard Fowler）就是其中之一。从照片上来看，福勒甚至看起来像是多出来的，但是这个独自位于“第四排”的人物，对于物理学史的影响却丝毫不亚于前排“大佬”们。

▲第五届索尔维会议，福勒在右侧角落，灰色西装

标准开局：从富家子弟到优秀科学家

从伦敦到剑桥有多种交通方式可以选择，半小时一趟的城际列车是许多人的最爱。沿途有一个不知名的小站——罗伊登，每天仅有不到300人在此乘降。在英国历史上，这是一个名不见经传的村庄，直到1889年福勒的出生，才让它在历史上“留下一笔”。

▲西英格兰线，一端伦敦一端剑桥，如今是一条通勤线路

福勒是标准的“富N代”，父亲高中就读贵族学校，后就读于牛津大学新学院，毕业后进入法律会与金融界，母亲也来自富庶的商人家族。不过这样的家世并未让福勒的人生变得轻松。福勒的父母为让子女们得到尽可能完美的教育，每个假期都安排的满满当当。13岁那年，福勒进入温彻斯特学院，与哈代、汤因比等人成为校友。作为英国最负盛名的公学，福勒此时可谓是半只脚踏入了牛津、剑桥的大门。很快，福勒发现了自己在数学与自然科学方面的天赋。1908年，19岁的福勒进入三一学院学习数学。

在剑桥学习数学需要在三到四年中通过三门数学考试，每门考试考四次，每次三小时。好在哈代在第二年改革了这一考试，将三门改为两门。1911年，福勒通过第二部分考试，拿到了学士学位。毕业后，在哈代的影响下，福勒继续从事数学研究，并于1913年拿到了瑞利奖，1914年成为三一学院的研究员。

▲2023年第二部分试卷一第一题，确定这些方程是否有确定解

1915年底，阿奇博尔德·希尔（Archibald Hill）受邀为军队开发一种确立飞机高度的仪器，此时在战场上受伤的福勒因其数学才能被召进这一小组。在希尔的指导下，福勒感受到了数学计算应用于真实物理世界的乐趣，并选择将兴趣转向到数学物理方面。一战结束后，福勒仍然致力于空气动力学的研究，另一方面，在希尔的照拂下，福勒成为了团队的副主任，负责团队大部分的实际运行工作。在这里，福勒展现了他在科学合作以及待人接物方面的天赋，当时的同事也是后来福勒讣告作者米尔恩（Edward Arthur Milne）认为“他有一种投入自己于他人利益中的能力”，当人们带着问题与福勒讨论后，他总能从提问者忽视的地方展开讨论，让他们活力满满地离开。

▲Archibald Vivian Hill（1886-1977）阿奇博尔德·希尔

卢瑟福：从好友到岳父

1919年，福勒从军队回到三一学院，进入卡文迪许实验室。福勒一直认为希尔是改变自己命运的关键人物，但如果从整个物理学史来看，卢瑟福对其人生，乃至整个物理学史的影响更为深远。

熟悉奥本海默早年生活的人都知道他当年在卡文迪许实验室的痛苦经历，这种痛苦的直接来源便是卢瑟福是一个实验主义者，对抽象的数学理论不甚耐烦，而奥本海默恰恰相反。现在福勒来到了卡文迪许，他又恰巧以数学见长，甚至在1919年之后，福勒再也没做过物理实验。以常理来看，那必是与卢瑟福互看对方不顺眼，并且有一方面还会陷入精神内耗（反正不可能是卢瑟福这一方），就像后来的奥本海默一样。然而，两人却没有针尖对麦芒，而是异“性”相吸……米尔恩认为：“卢瑟福坚忍不拔且才华横溢的个性吸引了福勒，而福勒惊人的多才多艺以及能够全神贯注于他人提出的问题的能力也吸引了卢瑟福。”1921年，卢瑟福甚至将自己唯一的小女儿艾琳·玛丽（Eileen Mary，1901-1930）嫁给了福勒，福勒这下从“富二代”变成了“学二代”，成为与一代宗师卢瑟福最亲近的朋友之一。

▲1928年，福勒与妻子艾琳·玛丽。

1920年，回到三一学院不久，福勒就开始研究量子问题。由于卢瑟福与玻尔的关系，福勒很容易就与玻尔建立了亲密的联系。1923年，福勒向玻尔征询《量子理论》的复印版，玻尔不仅寄来复印版，还写上了自己的理解。通过通信以及访问哥本哈根，福勒密切跟踪量子理论新进展，事实上成为了剑桥量子理论传播的主导推动者。除此之外，由于剑桥大学的规定，理论物理学家都在数学系，与卡文迪许实验室关系不大，而福勒与卢瑟福的关系，也让福勒成为剑桥理论物理与实验物理方面联系的重要纽带。

也许你会认为，福勒过多的人际交往描述可能会淹没福勒的科学方面的成就。我们需要花点篇幅来介绍一下福勒的研究贡献。自从转到理论物理之后，福勒的兴趣非常广泛，包括量子理论、统计力学、气体动力学、磁学、核物理、天体物理学和物理化学等。仅从科学的角度而言，福勒的主要贡献主要包括福勒-达尔文法与白矮星物质分布的研究。

▲福勒留下的照片不多，这是为数不多的半身照

1922年，福勒与C.G达尔文（Charles Galton Darwin，查尔斯·达尔文之孙）合作，发了用平均概率推导分布函数的方法，并将其扩展到处理高温下电离气体的平衡状态。当时的物理学家对应用物理化学方法来分离电子和原子仍有些怀疑，福勒用统计力学的方法证明了公式和计算的有效性、填补了这一领域的空白。在此之后，福勒应用这些方法进行量子化学方面的研究，几乎指导了包括兰纳-琼斯（John Lennard-Jones）在内所有的英国量子化学先驱。

在同一年，福勒与米尔恩开始在天体物理学方面进行合作研究，包括恒星吸收谱线，恒星电离理论等。福勒一生最原创的理论便来自于天体物理学。1926年，福勒根据量子统计法，证明了白矮星是由高密度简并态的气体组成的，白矮星也会毁灭。后来，他的学生钱德拉赛卡在他的理论上继续发展，发展出了黑洞理论。福勒因此也成为了现代天体物理学的奠基人。

即使在这些研究中，福勒的社交天赋也促使研究能够快速进行。一般情况下，论文最初想法通常是别人的，但福勒能够很快消化并发展这些想法，从而推动研究快速前进，福勒因此成为一项研究的全面合作伙伴。米尔恩这样形容与福勒合作感受：“他把科学研究变成了一件光荣的快乐的事情，并把与他合作看作是世界上最美好的事情。他是一个伟大的享受者，他使别人也享受其中。”

▲福勒30篇论文（非全部）中的23位合作者

在那个波澜壮阔的科学革命时代，福勒或许意识到自己的天赋不足以支撑自己与那些天才同台竞技。自己的优势在于广泛的科学兴趣、较高的社交天赋以及庞大科学家网络关系，因此可以以另一种方式推动科学的前进。这种方式俗称为“高人指点”。

从狄拉克到杨振宁，福勒的学术“网络”

1922年，福勒成为剑桥新设立的数学物理博士学位中唯一一位研究生导师，这成为他指导学生的开端。福勒的第一个学生是古根海姆（Edward Armand Guggenheim），同时也是他重要的合作伙伴。1925年，福勒与古根海姆合作，将电离理论应用于恒星内部，1939年，古根海姆参与了福勒《统计热力学》的出版，其中有大量既往的合作成果。这种与学生保持良好的合作关系的师生关系贯彻了福勒的导师生涯。

同时，作为剑桥当时量子力学与数学物理的代表人物，福勒很快就得到了年轻人的青睐。从1927年起，福勒每年都要招收4名以上的博士生，1932年更是一次性招收了9名。这使得福勒在大多数时间里，至少有10位博士生在他的指导下进行研究。面对如此众多的学生，福勒深知自己不可能亲力亲为地指导，但他又无法接受放任自流的指导方式。此时福勒丰富的学术兴趣以及学术网络再次成为他的助力，他选择因人而异地为学生选择课题，并在他们需要时给予鼓励以及职业生涯支持。狄拉克便是这种个性化指导方式的典型受益者。

▲福勒登记在册的博士生名单，F.R.S为皇家学会院士，O.M.为功绩勋章（同时最多25人），N.P.为诺贝尔奖，Kt.为爵士。

1924年，狄拉克成为福勒的博士生。在此之前，狄拉克先是学习了电机工程，又因为找不过工作选择免费在布里斯托大学继续学习数学，期间对相对论产生了浓厚的兴趣。等到狄拉克来到剑桥时，他已经熟练掌握相对论及其背后抽象的数学工具，然而福勒却让他接触原子理论，并把玻尔的理论介绍给他。

1925年，海森堡在剑桥卡皮查俱乐部开展了一场关于矩阵力学的演讲，狄拉克因为休假没有参加，事后福勒把海森堡的论文寄给狄拉克，这成为狄拉克发展量子力学基本数学架构的起点。从那时起，狄拉克的研究便如日中天，势不可挡。1926年博士毕业后，福勒又把他推荐到哥本哈根，等到1927年时，狄拉克已经因为众多开创性的工作被邀请参加第五届索尔维会议，拍照的时候坐在第二排C位，爱因斯坦的右后方。

▲狄拉克与爱因斯坦的相对位置

对狄拉克来说，相对论虽然是初恋，但量子力学才是最终归宿。将科学家与他们适合的理论联系在一起成为了福勒最乐意做的事情，他成为了这些科学家的伯乐，也成为了科学家与理论之间的“月老”。在之后的时光中，福勒也将这种指导扩展到剑桥物理的方方面面，比如将量子理论推介到卡皮查俱乐部中，又或者在奥本海默迷茫之时建议他向狄拉克学习量子力学。

这种指导取得了非常好的成效，自1922年到1940年，福勒共计指导了64名博士生，这其中有15位成为了皇家学会院士，1位成为皇家学会外籍院士，3位获得诺贝尔物理学奖。在学术任职上，有两位成为剑桥大学的学院院长，至少两位成为学校副校长，还有一位成为皇家学会主席。

但实际上这些学生的成就远不至于此，福勒这种指导还影响到了中国物理的发展。1934年，向往量子力学的王竹溪想要跟随狄拉克进行量子力学研究，然而狄拉克无意收徒，也不擅长指导学生。因此，当时的周培源等人希望王竹溪前往福勒处学习量子力学。福勒最终接纳了王竹溪，但让他从事统计力学方面的工作。回国后的王竹溪在西南联大从事物理教学，1942年，为了写硕士论文，杨振宁敲开了王竹溪的房门。在王竹溪的指导下，杨振宁写了一篇关于统计力学的论文，这成为之后几十年杨振宁研究的主要方向之一。

而杨振宁的另一个研究方向——对称性也与福勒有些关系。1948年，福勒的儿媳（Rosemary Brown）与儿子（Peter Fowler）在实验室发现了τ子的痕迹，这是一种与θ子自旋、质量、寿命、电荷等完全相同但衰变方式不一样的粒子。1956年4月，科学家关于这种奇怪的现象展开了一场学术会议，有人曾小心翼翼地提出，有没有一种可能是宇称不守恒。几个月后，与会的两位年轻人告诉世界，的确是不守恒的！

▲1936年，李国鼎、王竹溪、张文裕、钱临照4人在英国结伴骑行

科学联络人

王竹溪剑桥在求学时，福勒因为过于繁忙并没有直接指导他，多数时候由另一位导师罗伯茨指导（John Keith Roberts）。福勒无法长期亲自指导学生，除了因为他指导的学生众多之外，还有一个重要原因便是他作为科学联络人的生活。

借助于庞大的关系网络，福勒将自己认为适合的人联系在一起。除了通过玻尔让狄拉克和海森堡相互联系外，福勒还通过监督或者合作的方式影响了爱丁顿、钱德拉赛卡、米尔恩、伯莎·斯韦尔斯（Bertha Swirles）等人。当然，将自己的学生、同事的成果与适当的学会、期刊交流更是福勒的日常工作，这不仅为周围的人提供了职业生涯的早期支持，也极大地扩展了福勒的朋友圈。1927年的第五届索尔维会议对大多数人来说都是一场物理盛宴，但是在福勒学生麦克雷（William Hunter McCrea）看来，这不过是展现了他的交际范围。

▲1930年，福勒与爱丁顿、卢瑟福以及G. I.泰勒^[1]在打高尔夫球

1938年，鉴于福勒在协调以及人际关系方面的能力，他接替布拉格成为国家物理实验室的主任^[2]，后者则接替卢瑟福执掌卡文迪许实验室。不过福勒因为中风在上任之前辞去了这一职务并在家静养，但随之而来的战争又将福勒请出山。他先是参加了剑桥的疏散工作，又被借调到军械委员会参加各种咨询活动。1940年，因为他广泛的科学家网络，福勒被选中在英国战争相关部门与加拿大相关部门之间建立科学联系，目的之一就是“让科学家在政府面前参战”。

我们无法具体了解福勒在加拿大做了什么工作，只知道加拿大国家研究委员会高度评价了福勒的工作，并对英国能在关键时刻派遣福勒表示感谢。被派到加拿大几个月之后，福勒又被改派到美国。其实，福勒与美国科学界的关系更为密切，早年就在美国几所高校担任讲师职位，他不能亲自指导王竹溪的原因之一便是经常在美国讲课。而现在，福勒参与到了美国物理学家的多个讨论中，特别是利用他的知识和影响力促进和加速了核研究的相关工作。1942年，福勒回到英国并被授予爵士勋章，同年，被福勒指点过的奥本海默成为曼哈顿计划秘密实验室的负责人。

也是在这一年，福勒再次中风，最终在两年后去世。努力地将不同的科学家相互联系，让科学家们进入适合他们的领域，这几乎成为了福勒人生的主旋律。因此对于福勒这一生，麦克雷评价为：“正确的时间正确的地点创造的奇迹，实际上是正确的超人。”而米尔恩的评价则更为直接：人中之杰！

注解

[1]泰勒的表亲便是杨振宁的师姐寒春

[2]要记得福勒除了一战那段日子之外从未做过物理实验

参考文献

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