赛先生

西南联大的人才培养和杨振宁先生的学术起步

青年时期的杨振宁
导读: “我在西南联大7年,对我一生最重要的影响,是我对整个物理学的判断,已有我的taste。” ——杨振宁

朱邦芬 |撰文 选自《物理》2023年第4、第5期 | 来源
在抗日战争的艰难环境中,由清华大学、北京大学、南开大学联合组成国立西南联合大学(以下简称西南联大)。西南联大的本科教学和研究生教学均由联大统一组织。杨振宁先生的学士学位由西南联大授予,学士论文导师是北京大学物理系吴大猷教授;硕士学位由清华大学授予,导师是清华大学物理系王竹溪教授。杨先生在许多场合多次提及西南联大的教育对他的影响。在《杨振宁文集》中,他写到:“西南联大是中国最好的大学之一。我在那里受到了良好的大学本科教育,也是在那里受到了同样良好的研究生教育,直至1944年取得硕士学位。” “我在西南联大7年,对我一生最重要的影响,是我对整个物理学的判断,已有我的taste。”[1] (注:taste中文译成品味或爱憎,杨先生对此两译名均不甚满意。以下,我有时用品味,有时直接英文。) 2017年11月1日在纪念西南联大建校80周年时,杨先生又说:“感谢西南联大,它是奠定我一切成就的基础。” 图1《杨振宁的三篇学位论文》一书封面 本书已在赛先生书店上架,欢迎点击图片购买。 1938—1946年期间,西南联大就读学生8000有余,毕业学生3000多人,在条件简陋、生活艰苦的情形下,西南联大培育了一大批杰出人才,包括2位诺贝尔奖获得者——杨振宁、李政道,4位国家最高科技奖获得者——黄昆、刘东生、叶笃正、郑哲敏,6位“两弹一星”功勋奖章获得者——郭永怀、陈芳允、屠守锷、朱光亚、邓稼先、王希季,数十位中国科学院和中国工程院院士,以及更多的中国各个领域的开创者和领军人物。 西南联大为什么育人成功?原因涉及很多方面,譬如:优中选优、出类拔萃的学生,国内超一流的师资,优良的学风,教授治校的体制,睿智的学校领导人,特别是“教育救国、科学救国”的强烈救亡意识和“刚毅坚卓”的精神与动力,第二次世界大战胜利及中华人民共和国成立以后百废待兴、急需人才的客观环境,等等。这些均已有很多研究。然而就杰出人才培育诸环节中最重要的一个环节——学生主动获取知识、科研训练和毕业论文——而言,特别是通过科研训练培育天才学生的taste,从而为其成为世界级杰出人才的风格形成打下基础这方面,虽有一些很好的回忆文章,但深入细致的研究还比较少。《杨振宁的三篇学位论文》一书收集了杨振宁先生从大学本科到博士的三篇学位论文——西南联大学士毕业论文、清华大学硕士学位论文和芝加哥大学博士学位论文,其中前两篇学位论文都直接与西南联大的培养有关。更为难得的是,杨先生专门为此撰写了评注,提供了他的三份成绩单(注:本科及硕士成绩单复印件是在1992年杨振宁先生70寿辰时,清华大学时任校长张孝文代表清华大学赠送给杨振宁先生的,芝加哥大学应杨先生要求不久前提供了他博士期间的学习成绩单),并与我们多次深入交谈和通信,解答我们的疑问。杨振宁先生的西南联合大学本科成绩单和清华大学研究院硕士成绩单,原件保存在清华大学档案馆。承蒙清华大学档案馆大力协助,在庆贺杨振宁先生百岁寿辰之际,为该书慷慨提供馆藏成绩单的高清晰照片,使得复印件看不清楚的细节首次得以面世。这样,这本书为大学教师、学生和管理人员,为教育研究工作者,特别是为关心中国杰出科学人才培养的各方面人士,提供了一位大师在大学成长的典型案例。 本文仅就西南联大物理系育人的理念和实践提供一个背景介绍,阐述西南联大的教育为杨振宁先生以后学术上的飞跃做了些什么样的准备;与此同时,对杨振宁先生三篇学位论文的背景和内容作一概要介绍。 1 西南联大物理系育人理念和实践 比较西南联大物理系的本科生和研究生的培养体制与20世纪30年代清华大学物理系的学生培养体制,可以发现两者十分相似。西南联大的三位常委,因蒋梦麟、张伯苓均在重庆任职,而清华梅贻琦长期在昆明,是实际上的校务主持人。联大物理系的师资队伍中,属于清华的超过一半(例如,1940年联大物理系教授,属于清华教授有叶企孙、吴有训、周培源、赵忠尧、霍秉权、王竹溪、任之恭、孟昭英等8人,北大物理系教授有饶毓泰、朱物华、吴大猷、郑华炽等4人,南开物理系有教授张文裕1人),此外还有与物理关系密切的清华金属研究所和无线电研究所的范绪筠、余瑞璜、叶楷等教授,再加上清华物理学的教学脱胎于美国,而西南联大物理系大多数教授有留美的经历,因此研究杨振宁先生在西南联大所受教育的理念和许多做法,可以追溯到早期的清华大学物理系的人才培养理念。 1926年由叶企孙创建、抗战前由叶企孙和吴有训两位先生主持的清华大学物理系,其人才培养理念主要反映在以下这两段文字: 1927年,在《清华物理学系发展之计划》一文中,叶企孙先生提出:“我们的课程方针及训练方针,是要学生想得透;是要学生对于工具方面预备得根底很好;是要学生逐渐的同我们一同想,一同做;是要学生个个有自动研究的能力;个个在物理学里边有一种专门的范围;在他们专业范围内,他应该比先生还懂得多,想得透。倘若不如此,科学如何能进步?”[2] 1931年、1934年和1936年,叶企孙在《物理学系概况》中三次写到:“在教课方面,本系只授学生以基本知识,使能于毕业后,或从事于研究,或从事于应用,或从事于中等教育,各得门径,以求上进。科目之分配,则理论与实验并重,重质而不重量。每班专修物理学者,其人数务求限制之,使不超过约十四人,其用意在不使青年徒废其光阴于彼所不能学者。”[3] 从叶先生上述两段有关培养学生的话,结合其实践,我们可以把老清华物理系和西南联大物理系教书育人的理念概括为以下四个要点。
1.1 在课程设置和教学内容上“只授学生以基本知识” 20世纪20年代末至30年代中,中国的高等教育有比较大的发展,大学数量增多,许多大学新开设物理系,然而物理师资力量普遍较弱,物理教学还没有纳入正规,“科目过于繁多”,教材“华而不实”“流于空泛”,且缺乏教学实验。老清华物理系教学上“只授学生以基本知识”,返璞归真,反而有利于学生个性化培养,使各类学生各得其所,不仅有助于学习一般的同学打下扎实基础,增强其自信心,还可以使优秀学生有更多的时间和精力去主动学习和主动研究,变接受教师传授知识过渡到自己主动获取知识,这点对于天赋优异的学生尤为重要。 联大本科教学与老清华相同,学制为四年,实行学分制,要求修满132学分。课程分为三类:全校共同必修课、系所规定的必修课(包含限选课)和选修课。此外还有不计入总学分而要求必须及格的三门课:体育、党义和军训。继承老清华重视体育的传统,体育课每学期都要上,如果某个学期体育不及格,将可能因补修而推迟毕业。 按照梅贻琦先生的理念,本科教育应以“通识为本,专识为末”“大学期内,通专虽应兼顾,而重心所寄,应在通而不在专”。七七事变以前,清华师生曾就大学通识教育的地位和重要性发生过不同意见的公开争论,最后妥协的结果是,本科通识教育主要在大学一年级开展,文、理、法三个学院的一年级课程设置都一样,而工学院大一课程设置略有不同。联大实行的“通识教育”与老清华相同。从杨振宁本科成绩单可以看到,联大理学院一年级“通识教育”的5门公共必修课分别是:(1)国文(两学期共6学分,其中读本4学分,作文2学分);(2)英文(两学期共6学分,其中读本3学时/周,作文2学时/周);(3)中国历史或西洋历史(杨振宁选了中国历史,两学期6学分);(4)微积分、逻辑或高等数学(杨振宁选了微积分,两学期8学分);(5)普通物理、普通化学、普通生物、普通地质学(物理系要求本系学生大一必修普通物理课,两学期8学分,每周一次2—3小时实验,不另计学分)。联大还要求学生在大二或高年级从经济学概论、政治学概论和社会学概论3门课中任选一门作为公共必修课,杨振宁选修了经济学概论(6学分)。这样,杨振宁在联大第一年上了40学分的课。

图2 杨振宁的西南联合大学本科成绩单(清华大学档案馆馆藏) 联大学生从大二年级起选修第二外国语等公共必修课(德文或法文,杨振宁大二修了两学期德文,6学分)。从大二开始,杨振宁修完物理系规定的必修和限选的专业课程有:力学(6学分),电学(6学分),热学(6学分),光学(6学分),近代物理(6学分),无线电原理(8学分),微子论(即气体运动理论,3学分),普通化学(6学分),高等物理实验一(电磁学实验,3学分),高等物理实验二(光学实验,1.5学分),无线电实验(3学分),近代物理实验(1学分),普通化学实验(2学分)。连同大一的普通物理(包括实验)和微积分,杨振宁在本科阶段所上的专业必修课共计有10门理论课和6门实验课,共计73.5学分。

图3 杨振宁的清华大学研究院硕士研究生成绩单(清华大学档案馆馆藏) 杨振宁在联大还选修了4门研究生课,此外算学系的课程包括高等微积分(8学分)和微分方程论(3学分);物理系的选修课有物性论(3学分)。大三他还选修了德文二(两学期,6学分)和英文二(两学期,6学分),选修课共计41学分,其中专业选修课29学分。 杨振宁四年本科总学分是144.5学分,其中专业课102.5学分;大一和大三两学年都上了40学分的课,大二是37学分,大四由于撰写毕业论文,上课学分是27.5。杨先生所修的总学分数超过联大规定的132学分,此外,他还完成了学士毕业论文。

图4 杨振宁的芝加哥大学博士研究生成绩单(杨振宁先生提供) 确实,当年老清华和联大物理系所规定的必修课程体现了“只授学生以基本知识”的理念,都属于物理学最基本的课程,数量比较少而且程度也比较浅,大致与美国大学物理系的本科教学相仿,没有今天国内大学多数物理系本科生必修的“四大力学”,与今天清华大学物理系所规定要修完的学分数相比要低一些。然而,这只是最低标准。对于像杨振宁这样学有余力的优秀学生,清华和联大物理系本科教学远远不限于此,含金量并不低。 (1)虽然课堂上所讲授的内容比较简单,采用的教材比较简明,但许多物理和数学教师同时推荐1—2本有特色、难度较大的参考书,鼓励有兴趣的优秀学生进一步课余去自学。例如,杨振宁大二时的“电学”是吴有训教的,所选用的教科书是L. Page和N. I. Adams编著的Principles of Electricity,比较浅显,但吴有训同时还推荐J. Jeans的The Mathematical Theory of Electricity and Magnetism给优秀同学自学。 (2)虽然联大物理系只授本科学生以基本知识,但鼓励优秀学生在三年级或四年级选学研究生课程。杨振宁在本科阶段选修了4门研究生课程:大三上选修陈省身先生讲授的“微分几何”(3学分),大四上选修周培源先生讲授的“流体力学”(3学分),大四下选修王竹溪先生讲授的“统计力学”(3学分),马仕俊先生讲授的“理论物理”(两学期共6学分)。王竹溪的课把杨振宁引入到他一生最钟爱的领域之一——统计力学,马仕俊的课把杨振宁带到场论的最新前沿。总的来说,“只授学生以基本知识”并没有妨碍西南联大优秀学生主动学习更多更深的知识,而且这些优秀学生通过自主学习而掌握更高深的内容,为他们未来的独立研究打下很好的基础。 (3)由于必修课程相对比较容易,很多学生有时间和精力旁听其他院系的课程,这非常有利于学生形成跨学科的知识结构,而这些并不反映在成绩单上。例如,杨振宁旁听过数学系许宝騄先生的“数理统计”,这门课要学两个学期,杨振宁旁听了一个学期,其中一半时间学习了矩阵论,为他牢固掌握量子力学打下十分坚实的数学基础;还有一半时间学习了测度论。回忆在西南联大求学时的老师,除了吴大猷和王竹溪两位导师,杨振宁认为许宝騄和马仕俊是“两位对我特别有重要影响的老师”,而这两位老师上的课都不是要求杨振宁本科阶段必修的。杨振宁还花了一个夏天时间自学了E. T. Whittaker和G. N. Watson的A Course of Modern Analysis,做了大量习题,熟练掌握了各种特殊函数。这些数学课程,加上陈省身先生的“微分几何”和“微分方程论”课程,再加上杨振宁自小受到的数学熏陶,使得他的数学基础丝毫不亚于数学系学生。
1.2 理论与实验并重 中国传统教育重书本知识而轻实践,而奠定近代科学的基石——科学实验,直到一个世纪前才在中国学校作为一门课程诞生。物理学是实验科学,叶企孙、吴有训、饶毓泰等老前辈清楚认识到物理实验教学在培养科学人才中所起的不可替代的作用。老清华物理系本科实验有4个特点:学时安排多,实验课开设的种类多,对实验课的要求很严格,实验课由名师担任。为了使学生的动手能力和实验技能得到切实的提高,学校为低年级学生开设木工及金工训练,“实验物理的学习要从使用螺丝刀开始”(吴有训语),“我们物理系是不给学生用好仪器做实验的”(叶企孙语)[2]。这样,同学从实验课程收获的,远超过在助教安排好的实验桌上做一些测量工作所得到的。老清华物理系还通过课外科研和毕业论文环节培养高年级学生的实验本领,此外还设有工场,招聘和培养高级实验技师,带领学生自制仪器,培养了学生的实际科研能力。例如,1935年熊大缜在大学四年级研制出中国第一台红外照相机,在清华气象台拍摄了十分清晰的北京西山夜景,成为我国历史上第一张红外照片。 七七事变后,三校仓促内迁,虽然清华物理系在抗战前曾南运一批仪器,以后辗转运到昆明,但设备损坏丢失甚多,而有的大学实验仪器丧失殆尽,一时间实验课程难以开设。1938年,利用中华教育文化基金会董事会补助的理工设备费10万元,联大物理系从上海和国外购得一批仪器设备,经越南海防和滇越铁路陆续运至昆明。利用这些设备,1939年,西南联大物理系按萨本栋所著的《普通物理学实验》开设了为期一学年每周一次的普通物理实验,以后还陆续开设电磁学实验,光学实验,无线电实验和近代物理实验(6个实验),基本恢复了战前清华物理系的实验课程。杨振宁在大学四年学习期间,每学期都有一门实验课程。除“力学”和“微子论”两门课外,其他各门物理课程均设实验课程,在抗战十分困难的环境中,十分难得。有一段时间,日本飞机经常空袭昆明,有的实验室每次做完实验,就把贵重仪器放进半埋在地下的50加仑的大汽油桶中,到下次做实验时再取出,以保证实验教学的正常进行。有的实验室(如无线电实验室),将仪器疏散到位于大普吉村的清华无线电研究所,需要时再从乡间取来。 杨振宁的许多老师都是一流实验物理学家,如教“普通物理”的赵忠尧、教“电学”“近代物理”“X射线及电子(研究生课程)”的吴有训、教“光学”“光之电磁论(研究生课程)”的饶毓泰、教“热学”的叶企孙、教“物性论”“原子核物理及放射性(研究生课程)”的张文裕、教“无线电原理”的任之恭和孟昭英。这些从事实验物理学研究的老师以及老清华物理系重视实验教学的传统的熏陶引起了杨振宁对实验物理的浓厚兴趣。虽然西南联大由于实验仪器和经费匮乏,很难开展真正的实验物理研究,但物理系学生可以花较多时间在实验室中重现物理学先贤们的发现,并认识到实验在物理研究中的重要地位。这些经历使得杨振宁始终重视实验研究在物理学发展中的极端重要性,并始终保持对实验物理的兴趣——即使他在实验方面不具有特殊才能。曾任美国布鲁克海文国家实验室主任的实验物理学家萨奥斯说过:“杨振宁是一位极具数学头脑的人,然而由于早期的学历,他对实验细节非常有兴趣。他喜欢和实验学家们交谈,对于优美的实验极为欣赏。”这番话表明了西南联大物理系重视实验的教育对于杨振宁成长所起的积极作用。
1.3 重质不重量 对于老清华物理系强调的“重质不重量”,西南联大在昆明异常艰难困苦的环境中仍予以保持。 (1)课程由名师讲授。西南联大物理系的教师大多毕业于欧美一流大学研究院,均为当年国内一时之选。教师讲课不是单纯传授知识,而是在讲课时经常融入最新的科研进展和自己的体会,阐明科学大师的研究思路,也更注重启发学生思考。联大物理系荟萃三校教师精华,师资多且强,一门课程几位教授均可开设,每位教授能开多门课程,不少课程是由从事该学科研究的专家讲授的。给杨振宁授课的都是名师,科研与教学俱为上乘。除前面所述给杨振宁上物理课的实验物理学家外,还有许多杰出的理论物理学家给杨振宁上物理课,如周培源教“力学”“流体力学(研究生课程)”“相对论原理(研究生课程)”,吴大猷讲授“理论物理(研究生课程)”,王竹溪讲授“量子力学(研究生课程)”“统计力学(研究生课程)”。教杨振宁数学课的教师也都是数学名师,如姜立夫的“微积分”,曾远荣的“高等微积分”,陈省身的“微分几何”“微分方程论”,许宝騄的“数理统计”。此外,他的人文社会科学课程的教师也都是国内数一数二的大师,如讲授中文课的朱自清、闻一多、罗常培、王力,教英文的叶公超,教经济学的陈岱孙,等等。学生从良师那里获得的东西中,不仅仅是知识或技能,最重要的是“思维风格”。杨振宁先生曾说,“一个做学问的人,除了学习知识外,还要有taste。一个人要有大的成就,就要有相当清楚的taste”。影响taste的一个重要因素是“一个人在刚接触物理学的时候,他所接触的方向及其思考方法”。杨先生中小学没有上过物理课,而教他大学物理课的都是国内出类拔萃的名师,这对他形成自己独特的taste以至未来的研究风格而言,无疑极其幸运。 特别要指出的是,当时有一批青年教授——陈省身、王竹溪、马仕俊、许宝騄等,刚从欧洲获得博士学位回来,他们受到的训练、研究水准、对前沿的了解,总体上比西南联大资深教师更深入,可以认为这批青年教授已经接近当时国际学科研究的前沿,而他们所讲授的课程也具有很高水准,把杨振宁直接带到了学科的最前沿,即使与同期国外一流大学物理系开设的研究生课程相比,也一点都不逊色。1945年杨振宁到芝加哥大学物理系,他的物理和数学水平,明显地高出他的同学一大截。正如杨振宁回忆:“那几年我在昆明学到的物理已能达到当时世界水平。譬如说,我那时念的场论比我后来在芝加哥大学念的场论要高深,而当时美国最好的物理系就在芝加哥大学。” “直到今天我还保留着王(竹溪)先生讲量子力学的笔记,它仍然是很有用的参考文献。笔记本的纸张很粗糙,没有漂白,很容易脆裂。每一次看到它,就会使我想起那艰难的岁月。”[1] 根据杨振宁的同窗好友黄昆回忆,虽然他名义上是硕士毕业,但实际水准,特别是量子力学的深入程度,已远远超过了他的英国同学,达到了博士后研究人员的水平。因而黄昆到英国“二战”后“最兴盛的理论学院”——布列斯托尔大学——读博士,觉得自己“基本知识增加很有限”。黄昆能够完全独立地开展研究工作,并在一年半时间内就完成博士论文,显然与他在西南联大所打下的基础密切相关。 (2)教与学的高标准严要求。虽然只授以学生基本知识,但联大教师教学认真,对学生要求严格,平时作业多,考试多,因此淘汰率比较高。正如杨先生回忆:“总体来说我们的课程很有系统,准备充分,内容很有深度。”联大规定,公共必修课和物理系规定的必修课和限选课必须成绩合格;不及格者,不得补考,“必须重读”。杨振宁在西南联大是有名的学习成绩优异的学生,他大学四年的学分积高达91.29分,然而他成绩单上仍有个别课程成绩不高。例如,他在大四第二学期选修王竹溪讲授的研究生课程“统计力学”,成绩只有67分,这表明联大教师对学生的严格要求,绝不“放水”。 (3)人才培养质量重于数量。联大物理系十分注意限定招收学生人数,把培养学生的质量放在首位。从1938年至1946年的9年中,联大物理系总共毕业本科生130人,一般每年毕业十余人。不仅限定本科生数量,研究生更是如此。在昆明期间,物理系一共招收研究生新生12人,其中清华研究院9人,北大研究院3人;即使招生最多的1941年和1942年,每年也只有4人,有的年份甚至为零。此外,清华还有2位复学的老研究生——钱伟长和谢毓章[2]。整个联大期间,物理学科在学研究生总共只有14人,而毕业研究生只有区区7位。这中间虽然有环境不安宁、部分研究生在学期间肄业、出国留学等因素,但联大限定招生数量和严把质量关是最主要的原因。
1.4 要学生个个有自动研究的能力 西南联大物理系之所以培养了一大批优秀人才,其中一个关键点是“要学生个个有自动研究的能力”。尽管并非所有联大物理系本科生毕业以后都从事物理学研究,然而,旨在培养学生个个有自动研究能力的理念,使得学生在学习知识和探究知识过程中对接受新知识养成思考和分析的习惯,对探索未知领域产生浓烈的兴趣,进而使学生获得终身受益的探究能力和科学素养。这些对学生的未来成才十分重要。 吴大猷先生在回忆早期中国物理发展的文章中曾写到:“我们该用怎样的标准来评估一个机构或是一些人对中国物理发展的贡献呢?主要是根据他们在若干年之内,是否有建立传统,包括人、设备与稳定的气氛等三方面;他们在几年内又能够吸引多少学生或是激励、唤起(inspire)多少个学生继续作物理研究工作。”[4] 培育学生自动研究的能力,对于建立传统,对于吸引、激励、唤起学生继续做科学研究,无疑是最主要的一个渠道。 像杨振宁这样的天才学生,通过研究物理过程中的积极主动思考和实践,形成了自己对于物理的taste。杨振宁回忆:“想起在中国的大学生活,对西南联大的良好学习风气的回忆总使我感动不已。联大的生活为我提供了学习和成长的机会。我在物理学里的taste主要是在该大学度过的6年时间里(1938—1944)培养起来的。”[1] 杨振宁“对物理学中某些方面的偏爱”,如对称性在物理学中所起的支配作用,多粒子系统的统计力学,就是他在昆明岁月里自主学习和自主研究中形成,并成为他一生最钟爱和最主要的两个研究领域。 为培育学生具有自动研究的能力,老清华和联大物理系有以下一些成功的做法。 (1)给予学生自主的空间和充分的自由。清华物理系1933年毕业的傅承义院士曾回忆:“那时,我们并没有多少必修课,也没有做习题的压力,可以说是自由得很。大部分时间都是用来自学,凭着自己的兴趣钻研老师指定的参考书。”[2] 联大继承了这种自由传统。当人们问起“为什么西南联大当时的条件那么艰苦,却培养了那么多人才?”许多联大学生的回答往往是两个字——自由。 中国教育历来重视因材施教,但对于优秀学生,因材施教的传统做法是让他们“学得早一点,学得深一点,学得多一点”。但是,这样的因材施教存在一个基本缺点:对于优秀学生和学得一般的学生,同样的课程和大纲只有难易程度的差别,传授知识方式都是老师教学生学,而没有获取知识方式上的差别。杨振宁先生指出,“80分以下的学生,在一个训导为主的教育体制下,成功的可能性比较大;90分以上的学生,主要应该给他们启发性的鼓励,给自主的空间,让他们的主观能动性发挥得更好”。跟老清华物理系相比,联大战时特殊的环境,使得优秀学生有更充分的自由和更多的时间讨论和探索感兴趣的问题。杨振宁和黄昆、张守廉——驰名联大的“三剑客”,一段时间内,从教室到寝室整天形影不离,课余大量时间“泡”在茶馆里切磋学问,畅谈学术人生。杨振宁说:“根据我读书和教书得到的经验,与同学讨论是深入学习的极好机会。多半同学都认为,从讨论得到的比老师那里学到的知识还要多,因为与同学辩论可以不断追问,深度不一样。”这样的场景在联大绝不是个例。同学间自由自在的讨论、辩论乃至追问,是联大涌现出大批优秀研究人才的关键之一。我们现在一些重点大学把必修课压得太多,学时安排得太紧,给优秀学生自主学习和自主钻研的空间很少,学生没有时间去“胡思乱想”,善于解题但不善于提出问题,这可能也是近些年来我国很少出现世界级的杰出科学人才的一个原因。 (2)努力创造科学研究的条件。在20世纪30年代,清华物理系拥有仪器约值11万银圆,图书室有物理方面的书籍千余册,国外成套的期刊及现刊十多种,再加上学校图书馆的书籍及杂志,以致从哈佛和麻省理工学院(MIT)留学归来的任之恭认为清华“物理系的图书馆要比哈佛大学的更加完善一些”。[5]南迁昆明后图书损失极大,但杨振宁仍能在图书馆找到吉布斯发表在一个很少有人听说过的美国康乃狄克杂志上的文章。在仪器设备资源极其匮乏的困难环境里,本着“知其不可为而为之”的精神,联大物理系师生仍想方设法做一些科学研究。在实验研究方面,主要有赵忠尧用由北平带出来的50毫克镭进行中子放射性元素实验;吴大猷用由北平带出的光谱仪棱镜等,构建木架制的临时性柱形(三棱镜)光谱仪,研究晶体拉曼光谱;还有一些物理系教师和学生利用与清华金属研究所和无线电研究所的密切关系开展研究,其中有的研究在国际上相当有影响,如:余瑞璜40年代提出X射线衍射数据分析的新综合法和由相对强度决定绝对强度的方法,仅1942年一年内独立在英国《自然》(Nature)周刊发表论文2篇;范绪筠研究固体物理的一些基本问题,被国际上广泛引用。[2] (3)拥有一批热爱科学研究的教师。要培养学生具有自动研究能力,教师必须对研究有浓厚兴趣。七七事变以前,清华物理系教师们都有自己的科研课题,而且是当时物理学的前沿热点问题,工作十分勤奋。例如,赵忠尧教授和助教傅承义在铅砖围着的实验台上用自制盖革计数器研究伽马射线,学生们都学会了制造和使用盖革计数器,而这在当时是研究放射性的必要工具。到昆明以后,鉴于实验研究需要较多的仪器设备和经费,西南联大物理系的研究主要以理论研究为主,如:周培源关于广义相对论和湍流的理论研究;王竹溪除了在统计力学领域的系统研究,还与汤佩松合作在生物物理领域最早运用热力学化学势来分析细胞内外水分的运动;马仕俊关于介子和量子场论的研究;吴大猷的英文专著《多原子分子结构及其振动光谱》(Vibrational Spectra and Structure of Polyatomic Molecules)在很长时间内是本领域的重要参考书[6]。这批热爱科研的教师的身教激励了学生热爱科学研究,成为他们的榜样。 (4)鼓励高年级学生开展科学研究。通过开展科学研究,可以使高年级大学生特别是研究生,在他们所从事的物理学特定专业范围内“比先生还懂得多,想得透”。在西南联大时期,物理系教师独自或指导学生在国内国外学术期刊共发表了108篇论文,此外还有多篇没有发表的论文,其中相当一部分是研究生和高年级本科生参与的。在十分艰难的战争时期,中国物理学会的全国年会仍然分区进行,1942年中国物理学会第10届年会上,大学四年级的杨振宁参加了昆明地区的分会,和其他几位研究生报告了自己的研究成果。 2 杨振宁的三篇学位论文 大学本科生在校的主要任务是学习,学有余力的学生可以尝试做点研究,而大学学士学位论文是本科生在结束一个学习阶段时的综合性学习和研究训练,旨在使学生学会运用所学知识进行一些探究,为进一步的学习和研究打基础。研究生在学阶段则不仅要进一步掌握学科前沿知识,还要开始把重点转移到创造知识上。学习知识和创造知识两个环节,既有联系,又有实质性的差别。本科毕业论文一般是导师给一个研究题目,然后学生在导师指导下一步一步地学做研究;而博士研究生一般在导师所指定的研究领域中学做有创意的研究,特别是优秀研究生要学会自己寻找研究题目,最后实现具有独立研究能力的目标。博士毕业论文反映了博士生的研究能力,特别是研究工作的创造性和独立性。对于有潜质的优秀博士,其论文选题往往具有相当的自主性。硕士学位论文介于两者之间:优秀的硕士学位论文完全可与博士学位论文媲美,而平庸的硕士学位论文甚至还不如优秀的学士学位论文。 通常,就培育学生研究能力、品味和风格而言,导师起很重要的作用。导师的研究领域、学术品味、思维风格和洞察力,往往给学生带来深远的影响,甚至影响学生未来的贡献。杨振宁很幸运也很特殊:在学术起步阶段遇到吴大猷和王竹溪两位良师,分别指引他进入到他一生发生浓厚兴趣的物理学两个前沿领域,而这两个领域都是刚开始不久的新兴领域。吴先生指引他进入对称原理研究领域,王先生把他带入统计力学领域,而杨振宁一生最重要的研究就是围绕对称原理和统计物理展开的。可以说,西南联大为杨振宁未来的学术腾飞奠定了极好的学术基础。
2.1 学士学位论文 1929—1937年,清华大学物理系要求四年级学生撰写毕业论文一篇(相当于3—4学分),否则不能获得学士学位。“七七事变”后,不同于战前清华对学士论文要求,限于研究条件,联大物理系规定本科毕业论文非必修,而由学生自选[6]。杨振宁选择了做学士毕业论文,论文题目是“Group Theory and the Vibration of Polyatomic Molecules”,指导教师是吴大猷教授。杨先生提供的这篇学士论文是用打字机打在一种质地很差、很薄、很容易破碎的纸上,有些字现在已看不太清楚了,公式和希腊字母都是杨振宁手写的。杨振宁的学士论文,除了学校保存一份、本人保留一份外,吴先生也保留了杨振宁的论文30余年,后来听杨振宁告诉他,自己的一份已丢失,于是吴先生就把自己保存的那份给了杨先生。 2.1.1 论文题目选择 对于学位论文而言,论文题目的选择十分关键。学士学位论文的题目一般由导师布置。由于论文通常安排在大学四年级最后一个学期,需要在比较短的规定时间内完成,而此时学生往往还要上课;另外,选题还要有一定的新意,即使还不能发表在学术期刊上,但至少要在某几点或某一方面是以前没人做过的。因此,论文导师需要在了解学生能力的基础上,在自己所熟悉的研究领域给学生出合适的题目。当然,学生也可以自己选择毕业论文的题目。如果学生自己选题,要想得到导师的指导,题目应与导师的研究领域有较密切的联系。因而,不管学生自己选还是老师给题目,学生选择论文导师往往意味着自觉地或不自觉地选择了自己论文的研究领域,而其影响往往可能比想象的更为长远。 作为西南联大一名最优秀的大四学生,杨振宁的学士学位论文的题目是这样确定的。根据吴大猷先生回忆,1941年,在他所教的古典力学、量子力学班中,“有杨振宁、黄昆、张守廉、黄授书、李荫远和其他十余人,遇见这样的‘群英会’,是使教师最快乐的事,但教这样的一班人,是很不容易的事。除了我比他们多知先知一点外,他们的能力是比我高的。”“在古典力学课将结束时,我出了十余个课题,任各人选一题做一篇。杨振宁选的是用群论方法于多原子分子的振动的问题。杨自力地读群论,读我给他的参考文章,写了一篇论文”。(注:在西南联大的相关教学资料中,1941—1942学年里,吴大猷只教过“量子力学及原子光谱”,没有吴先生回忆的“古典力学”,杨振宁成绩单上也没有这门课的记录。)西南联大期间,吴先生在极端艰苦的环境下撰写了一本书名为Vibrational Spectra and Structure of Polyatomic Molecules的英文学术专著。这本书出版后很快成为国际上多原子分子结构和振动光谱领域的权威著作。杨振宁的学士论文涉及吴先生最擅长的研究领域。另一方面,群论是杨振宁父亲杨武之所擅长的,30年代他曾在清华数学系讲授过群论这门课程,陈省身、华罗庚都曾听过。而杨振宁自己还在念高中时,“就从父亲那里接触到了群论的初阶,也常常被父亲书架上一本斯派赛(A. Speiser)的关于有限群的书中的美丽的插图所迷住”。 杨振宁先生回忆道:“(吴大猷)给了我一本Reviews of Modern Physics (《现代物理评论》),叫我去研究其中一篇文章,看看有什么心得。这篇文章讨论的是分子光谱学和群论的关系。我把这篇文章拿回家给父亲看,他虽不是念物理的,却很了解群论。他给了我狄克逊(Dickson)所写的一本小书,叫做Modern Algebraic Theories (《近代代数理论》)。狄克逊是我父亲在芝加哥大学的老师,这本书写得非常合我的口味。因为它很精简,没有废话,在二十页之间就把群论中‘表示理论’非常美妙地完全讲清楚了。” 2.1.2 用群论于多原子分子振动谱 多原子分子的振动,是指分子中每个原子围绕其平衡位置所做的微小振动。原子在平衡位置受力互相抵消,而偏离平衡位置时受到其他原子施加的作用力之和是微振动的驱动力。一阶近似下,作用力正比于原子偏离平衡位置的相对位移,以及弹性力常数(即势函数对位移的二阶导数)。每个原子的位移有三个分量,即三个运动自由度,由N个原子组成的分子,一共有3N个运动自由度。对于每个原子位移分量,可以写出一个由3N个位移分量组成的线性齐次方程,这样的方程一共有3N个。3N个线性齐次方程组存在非平庸解的条件是其系数矩阵行列式为零,由此可得到分子的本征振动频率和本征振动模式。在电脑和数值计算程序包广泛使用的今天,只要矩阵维度不太大,求解这样的久期方程不是一件困难的事。然而,八、九十年以前,计算条件的限制使得求解多原子分子振动频率和简正模式不是一件容易的事。另一方面,多原子分子的平衡位置一般都具有某种对称性(如空间旋转特定角度,镜面反射,中心反演,等等),利用点群对称性和群论的表示理论,可以大大降低久期方程的维度,由此比较容易求得多原子分子振动频率;还可以直截了当地观察到简正模式的对称性。吴先生给杨振宁的参考文献Group Theory and the Vibrations of Polyatomic Molecules (注:杨振宁学士论文题目与之差别只在用vibration而不是复数。),刊登在一本1936年出版的《现代物理评论》杂志上(Rev. Mod. Phys.,1936,8(4):317—346),作者是美国哥伦比亚大学化学系的Jenny E. Rosenthal 和 G. M. Murphy。这篇参考文献共30页,其中约2/3篇幅是从群的定义开始介绍群论的最基本知识,可见当年物理学界对群论是相当不熟悉的;甚至还有不少人公开表示讨厌群论,例如大物理学家泡利(W. E. Pauli)甚至称之为“群祸”。在吴先生指导下,杨振宁选择用群论方法研究多原子分子的振动谱。杨武之提供的《近代代数理论》这本书和吴大猷提供的《现代物理评论》这篇评述论文构成了杨振宁学士论文的学术背景。 如果只考虑分子内部原子间的相对运动,则应该去掉代表分子整体平移的3个自由度和整体空间转动的3个自由度,因此N原子分子的振动剩下3N-6个内部振动的自由度,这需要用3N-6个“独立约化坐标”(或称“内部对称坐标”或“几何对称坐标”)来描述。通常,用初等方法,去掉整体平动和转动的自由度,得到与位能对称性相合的内部对称坐标,是相当不容易的。 杨振宁的学士学位论文显示出,他具有令人惊讶的成熟的数学技巧、极佳的数学推演和证明能力,即使现在一些相当优秀的本科毕业生,如果没有上过群论课,也不易完全掌握杨先生的学士论文。事实上,杨先生告诉笔者,在做论文中他并没有与吴先生讨论过。除了杨振宁的天赋和父亲偶尔的指点外,通过旁听许宝騄先生的课程而掌握矩阵理论,通过自学而完全掌握群论的“表示理论”,这些自主学习是这篇论文中所体现出来的“令人惊讶的成熟的数学技巧”的原因。这篇论文也显示出杨振宁重视数学、善于将数学和物理结合的理论物理学家的特色。 2.1.3 杨振宁学士论文的后续影响 通过准备学士论文,杨振宁学通了群论,体会到群论对称性的美妙,自此他对物理中“很妙”的各种不变性产生了极大的兴趣,导致他进入了对称与不变性(invariance),或叫做“对称原理”的研究领域。这对他以后的研究有决定性的影响。对称原理,即“对称决定相互作用”,是杨振宁一生最主要的研究领域,占他所有研究工作的2/3,包括他与米尔斯(R. L. Mills)提出的非阿贝尔规范场理论,以及与李政道合作发现的弱相互作用中宇称不守恒定律。杨振宁学士论文对他产生的长远影响不仅影响了他选择的未来的研究领域,还影响到他的学术品味和学术风格的形成。
2.2 硕士学位论文 2.2.1 清华研究院培育研究生概况 1942年秋天,杨振宁考进清华大学研究院理科研究所物理学部攻读硕士研究生,导师是清华大学物理系的王竹溪教授。那时,考入联大的本科生都算作联大学籍,而研究生学籍则依导师所在学校分属于清华大学、北京大学、南开大学三个大学的研究院,虽然所有课程学习和考试仍然在一起进行。研究生入学考试一般都是基础课程,如1939年清华大学研究院理科研究所物理学部考试科目共5门:国文、英文(作文及翻译)、微积分及微分方程、力学及电磁学、热力学及光学。那年报名三人,录取了一个人。 清华研究院成立初始,就对研究生严格要求。按当时规定,研究生学制是两年,要获得硕士学位,必须满足以下要求:(1)修满24学分的课程,而取得学分的最低成绩是70分,否则必须重修而没有补考之说;(2)通过毕业初试;(3)通过论文考试。毕业成绩的计算方法为:课程平均学分积占25%,毕业初试成绩占25%,论文考试成绩占50%,满分为100分。只有历年学分平均成绩、毕业论文及毕业初试三者皆及格者,才给予研究院研究期满考试及格之证书,并授予硕士学位。由于对研究生要求严格,抗战环境艰苦,再加上一些研究生在学期间肄业出国留学,整个西南联大期间物理学研究生只有7人毕业,其中黄昆属于北大研究院,谢毓章、黄授书、杨振宁、张守廉、应崇福和杨约翰6人都属于清华研究院[6]。 除了本科阶段修过的4门研究生课外,杨振宁在研究生院第一年修了5门研究生课(共24学分),分别是王竹溪讲授的“量子力学”(一学年6学分),吴有训讲授的“X射线及电子”(一学年6学分),饶毓泰讲授的“光之电磁论”(一学期3学分),周培源讲授的“相对论原理”(一学期3学分),以及张文裕讲授的“原子核物理及放射性”(一学年6学分)。根据规定,研究生学年平均成绩如果不满65分,则要被退学。 西南联大期间,本科生必修课程所指定的教材大多是美国大学通用的,比较浅显;而教杨振宁研究生课的王竹溪、马仕俊等都是从英国留学回来不久,所用教材均为当时世界上程度最深的,给他打下了很好的基础。杨振宁研一平均学分积为89.125。此外,研究生第二外语考试必须通过,杨先生二外选的是德文。 毕业初试有点像研究生“资格考试”,但限定范围且仅口试。毕业初试须在完成毕业论文以前举行,成绩以百分制计算:70分以上为及格;60分以上、不到70分,可以申请补考。考试范围由各学部分别对每一位研究生作具体规定,杨振宁毕业初试科目为量子力学、统计力学及电力学三门,而他的同学张守廉(导师周培源)则考量子力学、相对论及流体力学。毕业初试由多名教授组成的考试委员会主持。张守廉、杨振宁两人的毕业初试同时进行,由同一个考试委员会主持。赵忠尧先生为邀请毕业初试的考试委员专门向清华大学教务长潘光旦先生写了如下报告。 敬启者: 物理系研究生张守廉、杨振宁二君业已经过德文考试,成绩及格。兹定于五月十二日(星期五)下午二至五时在西仓坡四号举行第一次考试,考试委员拟聘请严慕光先生(玉龙堆十六号)、郑华炽先生、杨武之先生、叶企孙先生、吴正之先生、王竹溪先生及忠尧担任。张守廉君考试科目为量子力学、相对论及流体力学,杨振宁君为量子力学、统计力学及电力学。特此奉请贵处函邀各考试委员,并转办事处预备地点并届时略备茶点,为盼。专此即请 潘教务长大鉴 赵忠尧敬启 杨振宁毕业初试得89分。 毕业论文须先经研究导师认可,再由论文考试委员会主持答辩,决定是否通过答辩,并给出论文成绩。按规定,多名教授组成的考试委员会还必须有经教育部核准的校外人员参加。杨振宁论文考试委员包括吴有训(吴正之)、叶企孙、王竹溪、马仕俊、赵忠尧以及北平研究院物理研究所钱临照、黄子卿诸先生。图1是以梅贻琦校长名义发出的杨振宁毕业论文考试委员会邀请函,相当正式。杨振宁的硕士论文题目为:(一) The Dependence of Lattice Constants and Interaction Energy on the Degree of Order;(二) A Generalization of Quasi-Chemical Method in the Statistical Theory of Superlattice。 杨振宁论文考试得88分。他的研究生三项成绩按权重平均后的总分是88.28分,这是一个非常高的分数。根据清华研究院规定,研究生年度成绩在75分以上的就可以获得奖学金;如果毕业生的学分成绩、毕业初试成绩及论文成绩,均在80分以上,并获得所在学部推荐,可以由评议会特组审查委员会按照总成绩择优派遣留学,每年至多不得超过10名,每学部每年至多不超过2名。杨振宁的成绩完全够择优留学。当然,由于他又考取了清华庚款留美公费生,不需要通过评议会派遣留学。 2.2.2 超晶格统计理论探究 杨振宁的硕士导师是王竹溪教授,硕士论文题目是《超晶格统计理论探究》。王竹溪先生于1933年清华物理系毕业后跟随周培源先生读研究生,1935年在庚子赔款留英奖学金资助下去英国剑桥师从富勒(R. H. Fowler)教授,1938年获得博士学位回到昆明任清华大学教授,专长是统计力学和热力学。杨振宁之所以选择王竹溪先生当他的研究生导师,一是因为王竹溪留英刚回来曾在联大就“相变”问题做过系列讲座,杨振宁积极去听了,虽然似懂非懂,但印象深刻,感觉“很妙”;二是王竹溪先生数学功底很深,很重视数学论证和物理规律的结合,这点很合杨振宁的taste。在西南联大,王先生曾讲授过“普通物理” “动力学” “电动力学” “量子力学” “统计力学” “微子论” “热学” 等多门课程,其中杨振宁选修过王先生教授的研究生课程“量子力学”和“统计力学”。王先生教学十分认真,学生中流传的一条重要经验是“谁要想学习理论物理学,一个最有效的办法是借阅王竹溪教授的笔记本看”。 金属合金由两种以上金属原子构成,按照原子排列是否有序,可把合金分为有序合金和无序合金。对于金属合金来说,最常见的无序是组分无序,即一种金属原子占据另一种金属原子的晶格位置。有序合金可以形成超结构,或称超晶格。一般而言,温度较高时,合金中不同金属原子的排列倾向于无序,而低温时比较有序,例如铜金合金的晶格结构在有序时是四面体结构,而在无序时为面心立方结构,这样随温度升高,金属合金将经历由有序到无序的相变,相变时比热发生突变。20世纪30—40年代,金属合金的有序无序及其相变是统计物理学家和固体物理学家感兴趣的一个问题。富勒教授是该领域一位主要研究者,他的两位中国学生——王竹溪和张宗燧都开展过这方面的研究,而杨振宁关注这个问题的研究则是由王竹溪先生所引导。 杨振宁关于超晶格统计理论研究的硕士论文是由两篇研究论文组成:第一篇论文发表在《中国物理学报》(Chinese Journal of Physics)1),标题为“Variation of Interaction Energy with Change of Lattice Constants and Change of Degreeof Order” (Chinese J. Phys.,1944,5(2):138—149);第二篇论文发表在美国《化学物理杂志》(The Journal of Chemical Physics)上,题为“A Generalization of the Quasi-Chemical Method in the Statistical Theory of Superlattices” (J. Chem. Phys.,1945,13(2):66—76),该文是杨振宁发表在国外的第一篇物理学研究论文,文章的收稿日期是1944年11月17日,杨振宁寄出时间应该不会晚于1944年10月。在昆明期间杨振宁一共发表了5篇学术论文,其中发表在国外的论文2篇,另一篇为数学论文“On the Uniqueness of Young’s Differentials” (Bull. Amer. Math. Soc.,1944,50(6):373—375),这是杨振宁的第一篇国际论文。 铜原子和金原子组成的二元合金在热平衡时的位型由自由能极小决定,而自由能主要由原子的相互作用能和位型熵决定,其中相互作用能与有序度、晶格常数和原子排列有关。序一般可分为长程序和短程序;无序发生时,长程序首先被破缺,而某种程度的短程序仍然可保留。当时研究合金相互作用能和位型熵常用的方法有布拉格—威廉斯 (Bragg—Williams)理论和贝特(Bethe)理论:前者不考虑短程序,而后者弥补了前者的缺点。杨振宁硕士期间第一项研究是用Bethe理论研究铜金合金的有序—无序问题,虽然以前已有人用Bethe理论研究了铜金合金的相互作用能,但在研究熵的时候却没有考虑短程序,杨振宁认识并解决了两者之间的不自洽性,从而计算得到的相变温度时的突变比热与实验符合得很好。 杨振宁第二项研究是将富勒和古根海姆(E. A. Guggenheim)提出的准化学方法做了进一步推广和发展。富勒和古根海姆将二元合金AB中各种可能配对的最近邻原子(包括错位)连同其相互作用能看成若干种“分子”,将合金看成分子的集合,从而由所谓的准化学方法,求解合金的一些物性。和Bragg—Williams方法、Bethe等方法一样,准化学方法也属于平均场近似,其自由能求解都涉及复杂的积分和计算。杨振宁在硕士论文中不仅把准化学方法推广到更大的原子团簇,可以一阶一阶地做高阶近似,并明显比其他不同版本的平均场理论要好;更重要的是,杨振宁发现一个勒让德(Legendre)变换,可以直接计算自由能而避免了数学复杂性。这是一个很大的实质性的改进。杨振宁还运用这个方法研究了更复杂的Cu3Au面心立方结构。 1944年杨振宁考取清华庚款留美奖学金。按当年规定,留学生出国前有“留待时间”,需要在国内至少工作一年,杨振宁于1945年8月赴美之前在联大附中教数学,期间除了学习,还就二元合金的有序—无序转变问题完成了两篇论文:C. N. Yang. The Critical Temperature and Discontinuity of Specific Heat of A Superlattice (Chinese J. Phys.,1945,6(1):59—66);C. N. Yang and Y. Y. Li (李荫远). General Theory of the Quasi-Chemical Method in the Statistical Theory of Superlattice (Chinese J. Phys.,1947,7(2):59—71)。 2.2.3 杨振宁硕士论文的后续影响 在王竹溪先生的引导下,通过硕士论文,杨振宁进入了统计力学研究领域。统计力学是杨振宁一生中另一个最主要的研究领域,大约占他所有研究工作的1/3。他的13项最重要的物理学贡献中,4项属于统计力学,包括相变理论、玻色子多体理论、杨—巴克斯特(Yang—Baxter)方程、一维δ函数排斥势中的玻色子在有限温度下的严格解[7]。2003年杨振宁全时回到清华任教,随着冷原子实验物理的兴起,耄耋之年的杨先生又集中在统计物理领域两个物理结构直接简单的模型(稀薄玻色硬球系统和一维具有δ函数排斥作用的多粒子系统)开展了卓有成效的研究,取得了多项重要成果。 杨振宁硕士论文的第二项研究成果,被他收入在1982年出版的Selected Papers With Commentary(1945—1980),并列为文选的第一篇论文。在该篇文章的评注《忆我在中国的大学生活》中,杨振宁回忆他在西南联大艰苦生活的同时,特别提及“我在物理学里的taste主要是在该大学度过的6年时间里(1938—1944)培养起来的”[1]。西南联大时期的学习对杨振宁产生了深远的影响,影响他所选择的未来研究领域,特别是影响他的研究品味和未来学术风格的形成,例如他对数学之美的欣赏和对物理之美的追求。
2.3 博士学位论文 2.3.1 博士论文题目的选择 在清华留美公费资助下,1946年初杨振宁注册成为芝加哥大学物理系的博士生。芝加哥大学物理系是当时美国最好的物理系,杨振宁于1948年6月就获得博士学位,并随后被留下当教员(instructor)。然而他的博士阶段并非一帆风顺。 杨振宁“去芝加哥的主要原因是想跟恩里科·费米(Enrico Fermi,1901—1954)写一篇实验方面的博士论文”。一方面,当时杨振宁觉得实验能力对于中国的发展更加需要;另一方面,他最欣赏三位物理学家(爱因斯坦、狄拉克、费米)的研究风格[8],而只有费米兼做理论和实验,也只有费米有可能接受他当学生。可是,芝加哥大学核物理研究所1946年还没有破土动工,费米只能去阿尔贡(Argonne)实验室的反应堆做实验,而由于保密原因,杨振宁不能进阿尔贡。因而费米推荐他先跟特勒(E. Teller)做理论工作。特勒是美国的“氢弹之父”,他的新想法非常多,对于核物理学、凝聚态物理学、宇宙射线等问题都非常有兴趣。特勒建议他用托马斯—费米—狄拉克 (Thomas—Fermi—Dirac)模型与维格纳—塞茨 (Wigner—Seitz)近似方法计算Be与BeO的K-电子湮没几率问题,杨振宁很快算出结果,并做报告获得好评。但是他对自己所用近似方法得到结果的可靠性没有把握,始终没有写成文章发表[9]。杨振宁渐渐发现,他所喜欢的研究方法与特勒的不一样,于是开始自己找理论研究题目。 1946年秋天,费米又介绍杨振宁去做核实验物理学家艾里孙(S. K. Allison)教授的研究生,参与建造一台40万电子伏的考克饶夫特—瓦尔顿(Cockroft—Walton)加速器。可是杨振宁的动手能力较差,同学们很佩服他的理论知识,却一致笑他在实验室里的笨手笨脚,流传“Where there is Bang,there is Yang!” 正如杨振宁在他的一篇介绍自己学习和研究经历的文章中所写,“博士生为找题目感到沮丧是极普遍的现象”[10]。1947年,尽管杨振宁在《物理评论》( Physical Review )已发表来美后的第一篇论文,“关于量子化的时空”(On Quantized Space-Time),但是他在给好友黄昆的一封长信中曾用“disillusioned”(幻灭)来描述自己的心情[11]。杨振宁学习一直极其优秀,自视甚高,又很努力,但是发现自己不擅长做实验,而做理论自己找的4个研究题目都一时没有取得成果。他当时产生兴趣的理论题目包括:(1)1944年昂萨格(L. Onsager)关于伊辛(Ising)模型的文章;(2)1931年贝特(H. Bethe)关于自旋波的文章;(3)1941年泡利关于场论的综合报告;(4)1943年后关于核物理中各种反应的角分布的研究。受王竹溪先生的影响,前两个题目属于统计力学领域;受吴大猷先生的影响,后两个题目与对称性分析有关。当时,前三个题目芝加哥大学没人有兴趣,他独自一人在图书馆中研读,弄清来龙去脉,每一项都花了几个星期的努力,都以无果而告终。“只有第4项是特勒极感兴趣的研究。当时这方面的理论论文很多,可是都不够严谨,我花了几个星期用群论分析‘物理规律旋转不变’ (invariance of physical laws under space rotation)的意义,得出了几个漂亮的定理,写成一篇短文。特勒很喜欢这篇文稿。”[9] 1948年春天,特勒主动来找杨振宁说:“你不必坚持一定写出一篇实验论文。你已写了理论论文,那么就用一篇理论论文来做毕业论文吧。我可以做你的导师。”杨振宁“想了两天,决定接受他的建议。作了这个决定以后,我如释重负”。以此为基础,构成杨振宁的博士论文。 2.3.2 核反应和符合测量中的角分布 以往在计算核反应产物的角分布与涉及β射线和γ射线过程中角关联时,经过繁杂计算后经常遇到许多项互相抵消的情况。有人猜想这里面有与具体作用机理无关、普适的原理在起作用。杨振宁在博士论文中证明了这点,基于物理过程在空间旋转和中心反演不变,他推导了一般的定理,并详细分析了若干具体物理过程,包括β衰变中电子和中微子的角关联,核放射β射线和γ射线的角关联,以及相继两束γ射线的角关联[10]。 杨振宁一开始的论文只有区区几页,特勒觉得作为博士论文,它太短了。杨振宁补充了半整数角动量(即考虑粒子的自旋)和考虑高速粒子的相对论效应,文章增加了几页,然而特勒还是嫌论文不够详尽,有些不高兴。最终杨振宁的博士论文扩充到十余页。文章简洁,不含一点渣滓,这正是杨振宁的风格之一,反映了作者思路明晰、逻辑性强,一气呵成的特点。 杨振宁在1948年6月获得博士学位,而《物理评论》收到这篇研究论文投稿是在1948年6月9日,于同年10月1日正式发表。文章发表后,其中给出的定理受到核物理界的广泛注意。 2.3.3 杨振宁博士期间研究工作的后续影响 杨振宁在两年半时间内获得了博士学位。鉴于他的数学和物理基础在去芝加哥大学以前就明显高于一般博士的水准,他在这两年半期间主要是全力以赴从事研究,他的收获也极其丰硕。 对称原理代表20世纪下半叶物理学发展的主流,也是20世纪理论物理三大主旋律之一。杨振宁的博士论文是他进入对称与不变性领域的第一篇文章,紧接着发表的关于π0的自旋的工作是他在此领域中第二篇文章,文章中仔细分析了场论中不变性的群论表示。“这两篇文章使我一跃成为用群论与场论分析对称的专家,那时此领域才刚刚开始。”[9]能在一个领域刚开始时进入该领域,对于一个年轻科学研究工作者而言是极幸运的。 3 几点感想 杨振宁从1938年秋考入西南联大,到1948年夏获得芝加哥大学博士学位,历时10年。这10年学校生活为他以后的学术腾飞奠定了扎实的基础,也给了我们许多启示,感受颇深。 (1)学术大师主要地不是老师在课堂上教出来的,关键是要为有潜质的天才学生营造一个好“环境”,以利于他们脱颖而出。 抗战时期的西南联大,物质条件异常艰苦,然而杰出人才辈出,这里最重要的是它是一个好的广义的学校“环境”。总结叶企孙先生创建的老清华物理系和西南联大物理系的成功实践和理念,一个好的学校环境可以包括六点要素:优秀学生荟萃以及他们之间的相互作用;良好的学风;优秀的教师以及教师对学生尽心培育;学生有自主学习和研究的空间;国际视野;较好的软件和硬件条件。除最后一点,西南联大符合各个要素,对优秀学子而言确实是个好的学校环境。此外,抗战期间,亡国的危机时刻更加激发学生的使命感和责任感;而西南联大远在昆明,远离政治中心,学生相对而言更有自由。这些也为杨振宁成为大师提供了“沃土”。 (2)一流大师在培育一流杰出人才方面起特别重要的作用,除“传授知识,培养能力,塑造价值观”外,一流大师对学生学术品味和学术风格的形成,特别是指引学生选择未来有发展前景的研究领域,有不可替代的作用。 对杨振宁一生最有学术影响的导师有吴大猷、王竹溪、费米、特勒等4位教授。吴大猷引导杨振宁进入对称性原理领域,王竹溪引导杨振宁进入统计力学领域,特别是在这两个领域刚开始发展的时候引入,成为杨振宁一生主要研究和取得重要成果的领域。杨振宁从特勒那里不仅学到很多丰富的原创性想法,而且杨振宁的博士论文题目来自特勒物理直觉的启发:角分布和对称性及群论有关。更重要的是,特勒把杨振宁从执着于做一个实验物理学家,转变为做一位理论物理学家。 杨先生曾写到:“在每一个有创造性活动的领域里,一个人的taste,加上他的能力、脾气和机遇,决定了它的风格,而这种风格反过来又决定他的贡献。”杨振宁曾把自己的研究风格归结为(D+E+F)/3,其中D代表Dirac,E代表Einstein,F代表Fermi。在西南联大7年,他没有机会见到这三位大物理学家,而是从阅读他们的文章中欣赏他们的研究风格,即具有把一个物理概念,一种理论结构,或一个物理现象的本质提炼出来的能力,并且都能够准确地把握住其精髓。虽然杨振宁从阅读文章中猜想并欣赏这三位大物理学家的风格,而后真正与大师接触,他觉得自己的感觉大致是正确的。我曾在一篇文章中概括杨先生的学术风格为:对数学之美的欣赏和对物理之美的追求并存;独立;简洁[12]。这的确与他这十年的研究经历有关,特别是费米对他的影响。 (3)研究生阶段没有取得成果的研究也是宝贵的财富。 博士期间杨振宁有很长一段时间是自己在探索研究方向,遇到一些挫折,其实这是博士阶段最有价值的经历。判断博士论文能否通过和博士学位是否授予,最重要的一个判据是具备独立研究的能力。所谓独立研究能力,关键是自己找到有学术价值并可行的研究课题。这通常是不断探索、不断碰壁的过程,而这正是博士阶段最有价值的锻炼。 杨振宁在艾里孙实验室一年多时间,并不算成功。但是这段经历并不是白费时间,对他也是一笔宝贵的财富,使他“从中了解到实验工作者的价值观与理论工作者不同,这一点影响了我以后的许多工作,最显著的是1956年宇称可能不守恒的文章与1964年CP不守恒的唯象分析 (phenomenologic alanalysis)”。[9] 博士期间,杨振宁自己独立选择了4个题目,都是极有学术价值的课题,虽然短时内没有获得满意结果,遇到了一些挫折,但后来都先后开花结果了。 例如,对于Ising模型,1949年11月,他在普林斯顿偶遇路丁格(J. M. Luttinger),听说考夫曼(B.Kaufman)已经简化了昂萨格的方法。由于杨振宁在芝加哥大学曾花了数星期研究昂萨格1944年的文章,做了必要的准备工作,“很容易就掌握了昂萨格—考夫曼方法的要点”,最后吸收了新方法,就开花结果了。这个“兴趣!准备工作!突破口”的过程,杨振宁认为是“多半研究工作必经的三部曲”。[10]
图6 杨振宁1947年Gauge Invariance and Interaction 手稿首页 又如,杨振宁在芝加哥读博时期对把外尔(H. Weyl)电磁学之规范不变性进一步推广到其他相互作用(泡利有名的综述报告中提及)十分有兴趣,1947年他写了3页题为Gauge Invariance and Interaction的手稿(图6)。类比用矢量势描述、保持电荷守恒的电磁场方程,杨振宁试图导出用Bµ描述的、保持同位旋守恒的规范场方程,但后来总是导出一个越来越复杂的公式,迫使他不得不暂时搁置下来。他几次三番觉得这个想法很妙,但总是得不到满意的结果。正如杨先生在《杨振宁的三篇学位论文》一书前言中提及,一直到1953—1954年他在访问布鲁克海文国家实验室期间,与同一办公室的米尔斯一起进行讨论,突然想到尝试在场强Fµν上加一个二项式,变成
从而一举奠定了杨—米尔斯(Yang—Mills)场的基础,成为标准模型的基石。
随着困难一一获得解决,对于选择研究课题,杨振宁的自信心越来越强。他总结出“要找与现象有直接简单关系的题目,或与物理基本结构有直接简单关系的题目”,他还认为“把问题扩大往往会引导出好的新发展方向”,他多次以自身的经历告诫学生“最好在领域开始时进入一个新领域”。这既是他的经验也是他的研究风格之一。
本文原载于:朱邦芬,阮东(编). 杨振宁的三篇学位论文. 北京:清华大学出版社,2020. pp. 154—173。《物理》转载时文字略有修改。《赛先生》转载自《物理》。 作者简介: 朱邦芬,清华大学物理系、高等研究院教授,中国科学院院士。 参考文献: [1] 杨振宁. 杨振宁文集. 上海:华东师范大学出版社,1998 [2] 朱邦芬 . 清华物理 80 年 . 北京:清华大学出版社,2006 [3] 叶企孙 . 物理学系概况//清华大学史料选编 . 北京:清华大学出版社,1991.p.396. 这段文字初载于 1931 年 9 月《清华消夏周刊迎新专号》,稍作修改后又载于 1934 年 6 月和 1936 年 6 月的《清华周刊 向导专号》 [4] 吴大猷. 物理,2005,34(4):233 [5] 任之恭 . 中国科技史料,1998,19(1):43 [6] 西南联合大学北京校友会 . 国立西南联合大学校史 . 北京:北京大学出版社,2006 [7] 施郁.物理,2014,43(1):57 [8] Max Dresden. 试论物理学中的风格和品味 . 见:丘成桐,刘兆玄 编 . 甘幼 译 . 杨振宁——20 世纪一位伟大的物理学家 .桂林:广西师范大学出版社,1993 [9] 杨振宁.物理,2012,41(1):1 [10] 杨建邺 . 杨振宁传 . 上海:生活·读书·新知三联书店,2011 [11] 朱邦芬.物理,2009,38(8):575 [12] 朱邦芬.物理,2022,51(1):47
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