短暫而輝煌的科學人生 盧瑟福之婿拉爾夫-福勒

第一次世界大戰結束後，在英國劍橋大學有一批經過戰爭洗禮與磨練的科學家，為了將劍橋的數學傳統從日趨完善與成熟的牛頓體系中拯救出來，他們又重新活躍在物理學發展的前沿陣地。一方面為當時的相對論和量子力學能夠順利地傳入英國，而不遺餘力地宣傳和推廣這些嶄新的物理學思想；另一方面又圍繞著現代物理學的這兩大碩果，腳踏實地地進行了潛身研究和刻苦攻關，並且各自均取得了一系列顯赫的成果——或理論創新、或重大發現、或重要的技術發明。終於使劍橋大學這所擁有700年悠久歷史的科學中心，衝破了經典力學的思想牢籠，給新物理學的發展注入了青春的活力，並帶來了一派欣欣向榮的新氣象。

在這些科學精英中，並不為人熟知的拉爾夫·福勒(Ralph Howard Fowler，1889～1944)其實是最傑出的代表之一。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範及其在數學物理、理論物理與實驗物理等領域所作出的巨大貢獻。

英國物理學家拉爾夫·福勒（圖片來自網路）

1、才華出眾，飽受戰亂

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。由於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後，13歲時進入溫特斯特中學就讀了6年，並以優異的成績榮獲了該校授予的數學和自然科學獎金。

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

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

一戰結束後，福勒於1919年4月重返劍橋的三一學院。基於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)相識並成為至交好友，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學物理博士學位中唯一一位研究生導師。另外，由於他才華出眾，碩果累累，因此分別於1925年、1932年和1933年，先後當選為英國皇家學會特別會員、新創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，福勒曾於1936年被授予皇家獎章一枚。要不是上任前一刻突然發生中風，福勒還將於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。這次中風經治療後雖然很快恢復，但是對他日後的身體狀況卻埋下了禍根。

英國皇家學會（圖片來自網路）

在第二次世界大戰席捲全球的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。由於戰爭過於繁忙，福勒始終處於高度緊張與疲勞的工作狀態。這正如他所說「現在所有人要冒險，我也不例外。」

1941年，屢次將醫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。但在返回故土後，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絡員的雙重任務。1942年，福勒因為這種聯絡性的工作而被授予爵士。據與他共事的物理學家米爾恩(E. Milne)回憶，福勒從一戰前的純數學家轉變到二戰期間的物理學家、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、持之以恆、廣為涉獵、博學多才、成果豐富。主要體現在：

其一，在他早期所致力研究的純數學領域，曾於1913～1915年間發表了四篇論文；1920年出版了一本數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。後被一版再版，極具影響力，可謂是福勒在純數學研究方面的代表作。

其二，在一戰期間，出於戰事的需要，福勒將他的數學才能應用於物理學領域。他從改良與提高常規的軍用儀器和武器的性能以及精密度出發，進行了一系列的實驗，發表了大量文章。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，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，便於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生了很大的影響。也正是這一貢獻，福勒於1918年被授予英帝國勳章。在這裡特別值得一提的是，在一戰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繫實際的治學風範。

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，導致了他在系統地研究了各種不同類型的數學問題之後，最終將探索的目光轉向了數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，進入了科學創造的巔峰期，在此後的二十餘年中一發不可收拾。在這段歷史時期，福勒曾單獨或與他人合作，先後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於能量分配的文章，提出了計算統計積分的方法，即著名的達爾文-福勒(Darwin-Fowler)法。此法除了被廣泛應用於物理學的諸多分支領域之外，福勒又獨自將它發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，就他倆關於恆星光譜、溫度和壓力等問題的研究成果，發表了一系列的文章，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——《統計力學》。這本膾炙人口的集大成之作，體現了統計力學在現代物理學中的應用，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」，並認定這本書的出版「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《統計熱力學》於1939年出版發行。

1926年，當費米-狄拉克量子統計法剛一提出，福勒便立即將這一理論應用於研究宇宙中所存在的高密度物質狀態(後稱之為白矮星)。不僅證明了與白矮星的高密度相關的「簡併氣體壓力」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性的重大發現，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係，具有更高的學術價值。因為依據這個關係，可推得任何質量的恆星，在它們的晚年，都將以白矮星而告終。福勒的這種恆星演化過程的觀點，後經他當年的博士生錢德拉塞卡(S. Chandrasekhar)的進一步發展，提出了以其名字命名的質量極限，作為恆星演化結果的判據，亦即當恆星的質量在「錢德拉塞卡極限」(1.44個太陽質量)以下，恆星將以白矮星終結它的一生，而當質量超過此值時，恆星將最終變為中子星或「黑洞」。錢德拉塞卡也因在恆星結構和演化過程的研究中業績顯赫而榮膺了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，還為劍橋培養了一批高素質的創新型人才。

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，又惠及了後人。

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。一戰結束之後，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、鍥而不捨地進行了深入的研究。並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學從牛頓體系中解救出來，那麼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學物理的研究，並十分明確地確立了它在現代物理學中的地位，果斷地宣告了數學領域一直被籠罩的牛頓傳統已經過時，使他因此成為了劍橋數學物理的領航人。後經繼承者不斷地艱苦努力，直接導致了劍橋大學更多數學分支學科的相繼問世。如1959年劍橋大學應用數學與理論物理系的誕生，以及1964年純數學與數學統計學系的創建，就是兩個典型的例證。不僅使劍橋的數學恢復了以往的輝煌，重新立足於世界數學的最高之林，而且還使從牛頓體系中擺脫出來的劍橋數學，在現代物理學的發展中大放異彩。

福勒參與了兩次世界大戰，交戰雙方的互相慘殺和戰事的吃緊，給他的心靈和身體都帶來了嚴重的創傷，但是對他的學術研究生涯卻提供了一個機遇，即戰爭中的經歷使他更偏重於理論在實踐中的應用。儘管戰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繫實際的治學風範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範，對當時物理學界那些熱衷於「純數學構造」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學物理博士生導師，他對於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，乃至劍橋大學數學物理和實驗物理專業其他學位層次的全體師生。這對於當時劍橋繼續鞏固深化、提高和發展於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，並由此培養和造就了一批開拓型的創新型人才。卡文迪什實驗室在英國實驗物理中的地位與作用得到進一步的加強。在福勒擔任數學物理博士生導師的18年間，他先後培養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)和凝聚態物理學家莫脫(N．Mott)，前者因創立原子理論的新形式，並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；後者因對磁學和無序系統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，後來能在現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雲湧的年代，福勒為英國劍橋大學科學事業的重振雄風，立下了汗馬功勞。

朱愛國、程民治 / 文

來源：《現代物理知識》第28卷第4期，原文題為「福勒：為20世紀新物理學在劍橋的發展屢建戰功」

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