谢玉铭肖像，出自《中国名人录》；1936年上海中国周刊出版的《中国领导人传记》。图源：维基百科导读：
1947年，兰姆测得氢原子能级偏离狄拉克理论的"兰姆位移"，由此获1955年诺贝尔物理学奖；这一发现更推动了量子电动力学革命，促成费曼等三人获1965年诺奖。
但很少有人知道，早在1934年，中国物理学家谢玉铭就与胡斯顿用光学方法观测到这一偏差，并推测源于电子与自身辐射场的相互作用。这项先驱工作却被埋没半个世纪，直到杨振宁等人重提才获正名。
谢冲｜撰文
燕京大学北京校友会｜来源
1934年2月15日，美国《物理评论》刊登了一篇题为《氢原子光谱Hα线的精细结构》的论文（Houston W V,Hsieh Y M.The Fine Structure of the Hα Line of Hydrogen. Physical Review, 1934, 45: 263-272），署名是加州理工学院的W.V.胡斯顿教授和来自中国燕京大学的访问教授谢玉铭。他们在文中写道：“我们的实验结果与狄拉克理论的偏差，可能来自电子与其自身辐射场的相互作用。”13年后，威利斯·兰姆（Willis Eugene Lamb 1913—2008）用微波技术测到了同一个物理效应，后来物理学界将这一效应命名为“兰姆位移”，兰姆以此获得1955年诺贝尔物理学奖。1947年，汉斯·阿尔布雷希特·贝特（Hans Albrecht Bethe, 1906—2005）在质量重整化思路下对电子自能作了试探性计算，首次给出兰姆位移的理论解释，为量子电动力学（QED）的重整化理论开辟了道路，这一突破直接推动了费曼、施温格、朝永振一郎三人获得1965年诺贝尔物理学奖。但很少有人知道，这场20世纪物理学最伟大革命的关键实验前兆，早在1934年就由中国物理学家参与揭示。1986年，物理学史名著《第二次创造》（Crease R P, Mann C C. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. Macmillan, 1986）将1934年这篇论文称为“惊人的提议”。直到杨振宁偶然读到这本书，打电话问谢玉铭的女儿、复旦大学校长谢希德：“你父亲是不是做过氢光谱的实验？”杨振宁将这个故事写成一篇短文《一个真的故事》，发表在《物理》杂志1987年第三期，是中国国内最早系统介绍谢玉铭贡献的文献，直接推动了后续物理学史界对该工作的重新评估。
杨振宁：《一个真的故事》手稿
本文将从这场跨越半个世纪的物理学故事出发，讲清谢玉铭与兰姆位移的前世今生，还原一位中国物理学家的先驱贡献。
1955年12月10日，瑞典斯德哥尔摩音乐厅，威利斯·兰姆从瑞典国王手中接过诺贝尔物理学奖奖章。颁奖词写道：兰姆教授因发现氢光谱精细结构的异常，库什教授因精确测定电子的反常磁矩，推动了量子电动力学的建立。
从左至右：化学奖得主文森特·迪维尼奥、物理学奖得主威利斯·兰姆与波利卡普·库什、生理学或医学奖得主雨果·特奥雷尔，以及文学奖得主哈尔多尔·拉克斯内斯，在1955年12月10日斯德哥尔摩诺贝尔颁奖典礼结束后，正端详各自的获奖证书（照片来源：诺贝尔官网）兰姆获奖的核心是“兰姆位移”：他用微波共振法测到，氢原子中的两个能级并不像狄拉克（Paul Dirac）相对论量子力学预言的那样简并（简并，即degenerate，在量子力学里的意思是：两个不同的量子态，具有完全相同的能量。通俗地讲，就像两把一模一样的尺子，本来应该量出同样的长度，但实际测量却发现它们有细微差别），而是存在约1057MHz的能量差。这个微小的偏差，直接戳破了当时最完美的物理理论之一——狄拉克方程的天花板，迫使物理学家重新审视“电子和光到底如何相互作用”这个根本问题。早在13年前的1934年，就有一组科学家用光学方法观测到了这个偏差，并且给出了接近正确的物理解释。这组科学家就是加州理工学院的W.V.胡斯顿教授和中国物理学家谢玉铭教授。当时的学界并没有意识到这个发现的价值：同期加州理工学院Spedding教授和康奈尔大学Gibbs教授的测量结果和胡斯顿-谢玉铭的结果不一致，加上第二次世界大战爆发，相关研究被搁置。更关键的原因是，当时狄拉克是理论物理界的绝对权威：狄拉克在1928年提出相对论量子力学方程，还于1933年获诺贝尔物理学奖，他的氢原子精细结构结果是当时学界的标准。面对胡斯顿-谢玉铭的实验偏差，主流学界几乎本能地将差异归咎于实验误差——何况同期另外两组实验（Spedding组、Gibbs组）的结果和胡斯顿-谢玉铭的不一致，Spedding组测得能级差比狄拉克理论小，Gibbs组则显示无显著差异，而胡斯顿-谢玉铭组明确观测到正向偏差——这种数据打架让学界更倾向于归咎于实验误差，鲜有人敢往理论本身存在漏洞的方向想。直到1947年兰姆用更精准的微波技术重新发现这个效应，学界才意识到，胡斯顿和谢玉铭在1934年看到的，正是后来被称为“兰姆位移”的同一个物理现象。为什么一个足以改变物理学进程的工作，会被埋没近半个世纪？为什么它的主角之一是一位中国物理学家？我们需要把时钟拨回到1932年的加州理工学院。我爷爷谢玉铭1895年出生于福建石狮，1913年考入通州协和大学，自1921年起在燕京大学物理系任教。1923年，他获得洛克菲勒奖学金赴美留学，在哥伦比亚大学获得硕士学位后，进入芝加哥大学物理系攻读博士，师从1907年诺贝尔物理学奖得主阿尔伯特·迈克耳逊（Albert Michelson）——那位用干涉仪精确测量光速、奠定现代光学精密测量基础的物理学家。1926年，谢玉铭以《多光束干涉仪的研究》为题完成博士论文，回到燕京大学物理系任教，后来接任系主任。他对干涉仪的熟悉，为他后来的氢光谱研究埋下了伏笔。1932年，谢玉铭获得燕京大学休假资助，赴美国加州理工学院担任客座教授。此时的加州理工已经是世界物理学研究的中心之一：1923年诺奖得主罗伯特·密立根（Robert Millikan）任校长兼物理系主任，日后成为量子力学大师的罗伯特·奥本海默（J.Robert Oppenheimer，就是电影《奥本海默》中那位主持原子弹研发的曼哈顿计划首席科学家）、卡尔·安德森（Carl D.Anderson，发现正电子粒子并荣获1936年诺贝尔物理学奖）等物理大师也在这里任教。1931年，加州理工学院物理系教师合影。前排左4为威廉•胡斯顿、左5为罗伯特•密立根、左6为爱因斯坦。密立根交叉抱臂，翘二郎腿，气场十足；爱因斯坦则略显拘谨，身体向右倾，似乎怕碰到密立根，有一种寄人篱下感觉。但实际上，密立根非常希望爱因斯坦留在加州理工学院工作。爱因斯坦从1931年到1933年在加州理工学院连续度过了三个冬天之后，他最终还是选择了普林斯顿高等研究院。1932年7月22日，谢玉铭与妻子张舜英从上海启程，搭乘“胡佛总统”号（SS President Hoover）远洋邮轮前往美国。经过约三周的航行，于8月12日在洛杉矶威尔明顿登陆。他们于8月25日抵达此行目的地——帕萨迪纳的加州理工学院，并暂居在南威尔逊大道167号。
1932年7月22日，谢玉铭与妻子张舜英从上海启程，搭乘“胡佛总统”号谢玉铭的合作者胡斯顿同样深耕光谱精密测量，两人都曾在芝加哥大学物理系求学，受教于迈克耳逊。1932年他们在加州理工学院合作开展了氢原子Hα线精细结构的研究。胡斯顿后来成为莱斯大学（Rice University）校长。
厦门大学物理系原主任吴伯僖教授（1926—2022，谢玉铭在厦大教的学生）在《20世纪中国知名科学家学术成就概览`物理学卷》第一分册中写道：“胡斯顿与谢玉铭进行氢光谱精细结构实验的原始目的有二：一是验证狄拉克关于电子能级的理论；二是测量与光谱精细结构关系密切的重要常数α。α称为精细结构常数，是A. Sommerfeld在1916年首先提出的，在量子电动力学里又称耦合常数。1928年，狄拉克提出一个方程式，描述电子的波动性、电荷、自旋、磁矩以及随着速度而变动的质量。狄拉克理论可精确地算出电子的能级，它还预言能级2²S₁/₂与2²P₁/₂重合（简并化）。为了验证狄拉克理论的正确性，20世纪30年代开始，许多实验物理学家进行氢原子光谱实验，但一直到20世纪40年代初尚不能完全肯定狄拉克理论的正确性。1933年胡斯顿与谢玉铭利用法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Pérot interferometer）对氢原子Balmer线精细结构进行的实验，显示实验结果与根据狄拉克理论计算的结果并不相符，他们认为是理论没考虑电子与其辐射场的相互作用造成的。谢玉铭与胡斯顿实验的第二个目的是测定在光谱学和量子电动力学等许多学科中均有重要意义的精细结构常数α。α是量纲一常数（即数值固定、不随单位换算改变、且本身不带单位的常数），1930年前大部分实验结果认为它等于1/137。许多物理学家希望探讨，这量纲一的重要常数α的值为何是1/137，而不是其他值？他们认为，如果能揭开这个谜底，就可解决量子电动力学重整化等重大理论问题。天文学家A. S. Eddington甚至把α视为揭开宇宙结构之谜的钥匙。诺贝尔物理奖获得者费曼曾说：“这个数字自50多年前发现以来一直是个谜。所有优秀的理论物理学家都将这个数贴在墙上，为它大伤脑筋。它是物理学中最大的谜之一，一个该死的谜：一个魔数来到我们身边，可是没人能理解它。”胡斯顿与谢玉铭对氢原子的Balmer线进行光干涉实验。根据狄拉克理论可以计算出应该有怎样的精细光谱结构。然后根据谱线精细结构间的频率差与精细结构常数α的关系，反过来检验常数α。他们的结论是：“实验结果是可靠的，α值也不可能有那么大的修正。”费曼曾经说过，精细结构常数α，它就像一个宇宙密码，决定了电磁相互作用的强度，比如为什么电子绕原子核转不会掉进去，全靠这个常数的调节。谢玉铭每天都在紧张地工作，张舜英负责一日三餐，并帮助谢玉铭打印文件、冲洗实验照片。张舜英做的中餐非常好吃，很多加州理工的教授慕名前来品尝，包括冯·卡门教授（钱学森的博士导师）也来吃过饭。有的教授携夫人前来吃饭，张舜英就在餐后拿出她从中国带来的一些手工艺术品，卖给教授夫人。张舜英销售手工艺术品所得，完全覆盖了她来美国的船票费用。加州理工学院物理系主任、袁家骝与吴健雄结婚主婚人罗伯特·密立根教授常在周末于家中举办茶话会，这不仅是当地重要的社交场合，更是学术思想交流的非正式平台。作为客座教授的夫人，张舜英随谢玉铭参与其中。她后来在1990年4月5日给儿子谢希仁的信中饶有兴致地回忆，有一次在聚会上见到了阿尔伯特·爱因斯坦夫妇，并与爱因斯坦夫人作了简短交谈，这位夫人“英文有很重的口音”。这种高层次的学术社交，不仅极大地拓宽了个人视野，更让谢玉铭自然而深入地融入了加州理工学院的学术共同体之中，可谓“谈笑有鸿儒”。1933年夏，谢玉铭在加州理工学院为期一年的学术休假行将结束，命运为他安排了一场似曾相识的抉择——一如1925年在芝加哥大学面对学术追求与家庭变故的两难。此时他与胡斯顿合作的氢原子光谱研究正处在验证理论偏差的关键阶段，突破在即；而现实压力却接踵而至：燕京大学的薪金支持即将停止，北平家中又传来幼子谢希文中耳炎需紧急手术的消息。研究的关键期、经济的窘迫与父亲的责任，同时摆在了他的面前。在与加州理工物理系主任罗伯特·密立根及合作者胡斯顿深入商讨后，谢玉铭作出了重大决定：自费延长一年在美研究时间，以全力推进这项意义深远的工作。1933年7月17日，已搬至帕萨迪纳南卡塔利娜大道344号公寓的谢玉铭，致信燕京大学副校长、驻纽约办事处负责人祁天锡（Nathaniel Gist Gee），详陈自己的决定与近况。他在信中提及，密立根已就自己的工作致信燕京大学校长司徒雷登，为续假一年之事作了沟通。这封极具分量的推荐信不仅是对谢玉铭研究能力的权威背书，也为他在断绝薪金支持的情况下争取校方理解提供了有力支撑。谢玉铭在信中继续报告研究进展：前期使用液态空气（-192°C）冷却放电管的实验已获得重要进展，初步报告将于月底或八月初发表；后续将采用本实验室新近可制备的液态氢（-252°C）进行冷却，以求进一步突破。由于液态氢具有易爆特性，后续实验或将转移至物理实验室屋顶进行，让液态氢在空气中自由蒸发以规避危险。与此同时，妻子张舜英对此给予了充分的理解与支持。为应对家中困境并支持丈夫的研究，她已于1933年6月先行启程回国，照料病中的孩子，并负担起维持全家生计的责任。谢玉铭1933年7月17日写给祁天锡的信，信中他提到密立根为续假一事致信司徒雷登。这封信是研究谢玉铭自费延长学术休假的关键史料，现存于耶鲁大学图书馆燕京大学档案1934年2月15日，《物理评论》第45卷刊出了胡斯顿和谢玉铭的长篇论文。在论文的讨论部分，他们写下了两段被后世称为“惊人提议”的文字： “这个差异如此之大，它不可能是构成α的几个常数的测量误差所引起的，我们不能不得出这样的结论：我们所用的理论不足以解释实验结果。” “产生这个差异的原因，可能是计算能级时，没有考虑电子和它的辐射场的相互作用。”这里的电子和它的辐射场的相互作用，就是后来量子电动力学中电子自能的雏形——电子会不断发射和吸收虚光子，这种相互作用会微调电子的能级，导致2²S₁/₂与2²P₁/₂不再简并。这就像一个人不断抛出小球又接住，看似没变化，但其实消耗了能量——这种自我互动会改变电子的能级。这一超前的洞见，直到13年后才被著名的“兰姆位移”实验所证实。此时的谢玉铭不会想到，这篇凝聚了他一年心血的论文，会在抽屉里沉睡13年；更不会想到，为了完成它，他曾放下北平家中患中耳炎的幼子，自费延长研究时间——而这个选择，最终让他站在了量子电动力学革命的风口，却又与历史聚光灯擦肩而过。根据《第二次创造》，胡斯顿事后回忆，他和谢玉铭的研究方向的提示来自两个人：时任加州理工理论物理教授的奥本海默，以及1933年访美的尼尔斯·玻尔（Niels Henrik David Bohr，获得1922年诺贝尔物理学奖，哥本哈根学派创始人）。1933年秋玻尔赴美巡回讲学至帕萨迪纳，在加州理工学院的研讨会上，胡斯顿把Hα那4%偏差的数据摊开讨论，奥本海默与玻尔当场指出：狄拉克方程没处理电子–自身辐射场的自能问题，这在当时没人算得出来。但胡斯顿和谢玉铭没有停留在理论不完善的泛泛而谈，而是直接把这种相互作用和实验观测到的偏差联系了起来——这正是后来兰姆位移的核心逻辑。作为实验的主要操作者，谢玉铭凭借对法布里-珀罗干涉仪的娴熟掌握，确保了数据的可靠性——他曾师从迈克耳逊研究多光束干涉仪，这种技术积累让实验的精度远超同期其他团队。1933年，谢玉铭和张舜英在加州理工参加学术社交活动时与友人的合影。左1为加州理工空气动力学教授克拉克·密立根（Clark Millikan），系加州理工学院校长罗伯特·密立根之子如果胡斯顿和谢玉铭的工作在当时就被重视，量子电动力学的诞生可能会提前十几年，但历史的走向总是充满意外。更大的打击来自战争。1939年第二次世界大战爆发，兰姆等一批物理学家投身战时雷达研发，氢光谱的研究彻底停滞。胡斯顿转向其他领域，谢玉铭则于1934年底回国，继续在燕京大学物理系任教。1937年七七事变后，谢家全家逃难南下，谢玉铭历任湖南大学物理系主任、厦门大学教务长，在抗战的烽火中坚持物理教学，再也没有机会回到氢光谱的研究中。这段时间里，胡斯顿和谢玉铭的论文被逐渐遗忘。直到1947年，战争结束两年后，兰姆在战时研发的微波技术基础上，做了一个决定性的实验。兰姆的实验完全避开了光学测量的复杂性：他用微波直接驱动氢原子n=2能级的跃迁，不需要解析复杂的光谱线型，直接测到了2²S₁/₂与2²P₁/₂的能量差为1057MHz（约4.4×10⁻⁶ eV）。这个结果干净、明确，没有任何歧义——“兰姆位移”从此成为物理学界的共识。直到1947年兰姆用更精准的微波技术重新发现这个效应，学界才意识到，胡斯顿和谢玉铭在1934年看到的，正是后来被称为兰姆位移的同一个物理现象。此时距离胡斯顿和谢玉铭的论文发表，已经过去了13年。《华北日报》1934年3月23日对谢玉铭在美取得的突破性研究成果作了报道。《平西报》也作了报道。
1986年，美国物理学史学家罗伯特·克雷斯和查尔斯·曼出版了《第二次创造：二十世纪物理学革命的缔造者》，书中用整整一节介绍了胡斯顿和谢玉铭1934年的工作，称其为“惊人的提议”，认为他们是最早发现兰姆位移的科学家。杨振宁读到这本书时，立刻注意到了“Y.M. Hsieh”名字——他想起谢希德曾经提过父亲的名字是谢玉铭。胡斯顿和谢玉铭的工作我从来没有听说过。看了《第二次创造》中对他们工作的推崇以后，我想到谢也许是现任复旦大学校长谢希德教授的父亲谢玉铭先生。我打电话问谢希德，她说“是的”。我兴奋地告诉了她书中的故事，并且问，你知不知道你父亲那时的工作很好，比兰姆的有名的工作早了十几年，而且兰姆的结果证明你父亲的实验是正确的？谢希德回答：我从来不知道。当时爸爸只告诉我，在从事很重要的实验。
谢玉铭的学生褚圣麟1931年毕业于燕京大学物理系，后来长期担任北京大学物理系主任，是新中国物理教育的奠基人之一。他和吴自勤合写的《谢玉铭教授事略》中记载：1932年至1934年，谢先生赴美任加州理工学院客座教授，在此期间从事氢原子光谱精细结构的研究，发表了多篇高水平论文，其中与胡斯顿合作的Hα线精细结构测量工作，是当时该领域最精确的实验之一。加州理工学院物理系1934年教师名单，包括密立根、胡斯顿、奥本海默、谢玉铭、孟昭英等。谢玉铭位列客座教授，与胡斯顿、奥本海默等同列。这份名单印证了谢玉铭当时在学术圈的身份，也为后续工作被埋没增添了历史唏嘘——他本该是这张“顶级学者名单”上更耀眼的名字1990年11月，《今日物理》第43卷第11期刊登了莱斯大学物理学家伊恩·达克（Ian M. Duck）等人署名的读者来信《Shifting Credit for Seeing Lamb Shift》（pp.118–120），正式将“首先用光学方法观测到兰姆位移前兆”的首功归于胡斯顿与谢玉铭，这是主流物理学界首次公开为这项工作正名。同年，丹麦科学史家赫尔奇·克拉夫（Helge S. Kragh）在《狄拉克：科学传记》（Dirac: A Scientific Biography, Cambridge University Press, 1990）中独立给出了相同的归属判断，两份证据形成互证。早在1986年，《第二次创造》里就提过这项工作的“惊人预见”，但直到1990年的这次公开更正，主流物理学界才终于正式认回这份迟到了半个多世纪的功劳。事实上，在1955年12月12日的诺贝尔讲座上，兰姆本人在回顾氢光谱精细结构的研究史时就明确指出：“许多氢光谱精细结构研究都未能给出明确结论，但我们现在知道，胡斯顿的工作所指示的偏差，本应被认真对待（We now know that the work of Houston indicated a discrepancy which should have been taken seriously）。”同日颁奖词中也提到：“某些研究已经暗示理论并非完全正确，并猜测存在与兰姆后来发现相似的偏差”。这意味着，在兰姆本人和诺贝尔委员会的官方叙事中，20世纪30年代光学测量的异常从未被完全遗忘——它只是等待着一个更干净、更无可辩驳的实验来“激活”其历史意义。谢玉铭的工作被埋没，既有时代的偶然，也有科学史的必然。首先是技术路径的代差。胡斯顿和谢玉铭用的是光学干涉法，需要通过复杂的光谱线型拟合才能得到能级分裂的结果，受限于仪器的分辨率，误差相对较大。而兰姆用的微波共振法直接测量能级跃迁，精度更高、结果更干净，自然更容易被学界接受。当兰姆1947年公布结果时，学界已经不再关注1930年代的光学测量数据。其次是同期数据的混乱。1930年代三组实验的结果不一致，让学界对光学测量的可靠性产生了怀疑。而兰姆的实验是“独一份”的干净结果，没有其他组的争议，自然成为公认的“首次发现”。更重要的是科学史的中心-边缘偏见。20世纪上半叶，物理学的主流话语权集中在欧美，非欧美国家的科学家的工作很容易被忽视。南方科技大学社会科学中心胡大年教授在2026年第8卷第5期《自然综述·物理》（Nature Reviews Physics）发表的评论文章《US–China collaboration as a catalyst for the early development of quantum physics》（《中美合作：早期量子物理发展的催化剂》）中，系统重评了20世纪20至40年代被西方主流物理学史叙事长期忽视的中国物理学家贡献。文章将谢玉铭与赵忠尧并列为其中的代表性先驱：谢玉铭与胡斯顿对氢光谱精细结构的精密测量所揭示的异常，实为著名的兰姆位移的先声，暴露了狄拉克理论的不足；赵忠尧1930年率先发表的精确实验结果，则为正负电子对的产生与湮灭现象奠定了坚实基础，也帮助确立了当时备受争议的狄拉克理论 。胡大年指出，这类贡献之所以被埋没，本质上源于科学史书写中的“中心—边缘”偏见——来自非西方科学中心地区研究者的工作，常常被忽视甚至被侵占；“承认这些被遗忘的贡献，不仅纠正了历史记录，也突显了建立一个真正包容的全球科学共同体的必要性”。抛开这些外部因素，谢玉铭的工作本身的含金量毋庸置疑：他是第一个敢于跳出狄拉克理论完美无缺的思维定式，把实验偏差归因于电子与辐射场相互作用的科学家。这种尊重实验数据、敢于挑战权威的科学精神，比一项具体的实验结果更珍贵。谢玉铭的故事告诉我们：科学进步从来不是少数天才的灵光一现，而是无数科学家接力探索的结果。那些被埋没的先驱者，他们的贡献不应该被忘记。
鸣谢：南方科技大学胡大年教授审核了本文，并提出了宝贵的修改意见，特此致谢！关于Houston姓氏发音的特别说明："Houston’s name is pronounced 'Hoo-stun,' not ‘Hew-stun'."（见Robert P. Crease and Charles C. Mann. The Second Creation: makers of the revolution in twentieth-century physics. (New York: MacMillan, 1986): 433.）因此，本文将其中文姓氏翻译为胡斯顿。本文在2026年9月15日首发于《燕京大学北京校友会》，《赛先生》获授权转载。
谢冲约 18 分钟