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黄昆:固体物理学泰斗
发表日期:2008-03-03   来源:中文天下   发布人:sunny
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  从“黄散射”到“黄方程”,从“黄—里斯因子”丶“玻恩和黄”到“黄—朱模型”,他在固体物理学发展史上建树了一座座丰碑。

  “玻恩和黄”(Born and Huang),是诺贝尔奖获得者德国物理学家马克斯·玻恩和中国物理学家黄昆合著的《晶格动力理论》一书的简称,在固体物理学界尽人皆知。40多年来,这本著作被世界各地的物理学研究者推崇备至,奉若“圣经”一般。而黄昆于1951年在北京完成这部经典之作时,才刚满32岁,可谓大器早成。

黄昆

  黄昆1919年出生于北京。在燕京大学物理系完成大学学业,1942年以优异的成绩考入昆明西南联大,师从中国现代物理学奠基人之一吴大猷教授,并得到了许多名师的教导。他像当时一大群有志青年一样,在困苦的生活环境中探求救国强民之道,孜孜不倦地追索科学的真谛。

  1945年,黄昆赴英国布列斯托大学深造。他的导师,固体物理学大师丶诺贝尔奖获得者莫特爵士的治学风格对黄昆产生了重大影响,使他形成了专注于具体问题的严谨学风。日后,这种治学风格又“散射”给他一代又一代的弟子。

  黄昆到英国后写的第一篇论文是《稀固溶体的X光漫散射》,他从理论上预言了与晶体中杂质相关的X光漫散射,并在六十年代获得了实验证实。这一理论成为研究固体中杂质状态的有力手段,被国际上称为“黄散射”。 1948年1月,年仅28岁的黄昆获得哲学博士学位证书。

  此后,黄昆在英国利物浦大学进行三年的博士后研究,在那里完成了三项他自认为毕生最有影响的科学工作,这三项工作的成果后来都以他的名字命名。他的研究,对推动固体物理的发展起了重要作用。

  其中一项工作是由黄昆和他的研究助手丶以后的夫人艾夫·里斯合作拓展的多声子跃迁理论,以“黄—里斯因子”而著称于世。在利物浦大学工作期间,黄昆的勤奋和敏锐,深深地吸引了里斯,而她对专业知识的精通丶工作的勤恳以及她的美丽温柔也给黄昆留下难以磨灭的印象。1950年,他们共同署名发表了《F中心的光吸收和非辐射跃迁理论》,这一开拓性的科研成果,得到国际同行的高度评价,被称为“黄—里斯理论”。与此同时,他们的爱情之树也开出了绚丽的花朵。

  另外两项工作是描述晶体中光学位移丶宏观电场与电极化三者关系的“黄方程”,和由此引申的电磁波与晶格振动的耦合,即后来被称为极化激元的重要概念。

  1951年底,黄昆满腔热诚地回到自己深爱的祖国,在北京大学物理系任教授。他不仅是一位杰出的科学家,也是一位优秀的教育家,他对新中国高等院校物理专业的发展做出了卓越的贡献。在普通物理丶半导体物理以及固体物理等课程的教学建设方面,黄昆做出了一系列奠基性的工作,并为国家培养了一大批优秀的科技人才。

  50年代初期,中国的大学正进行院系调整,国家急待建立起新的教育体系,以适应经济建设的迫切需要。黄昆认识到为新中国培养一支科技队伍的重要性,于是,他和虞福春丶褚圣麟等教授一起,本着“学习苏联,参考英美”的精神,努力建设具有中国特色的普通物理教学体系。他们强调立论要严谨丶物理图象要清晰,讲授要深入浅出,为基础课教学树立了范例。直到现在,北大理科基础课的教学还因袭着他们的讲课传统。

  黄昆是中国半导体事业的开拓者之一。1955年,黄昆参加了国家“12年科学技术长远发展规划”的制定工作,他具体参加制定半导体发展规划,为这个重点项目的发展提出了许多切实可行的建议和措施。后来,他与谢希德教授合作,将他们讲课的讲义整理修订成《半导体物理》一书。这本既注重结合实际,又系统阐述半导体物理基本原理的教材,成了中国培养半导体人才的基本理论著作。为了更多更快地培养中国半导体事业的专业人员,1956年暑期,北京大学丶复旦大学丶南京大学丶厦门大学和吉林大学五校,在北京大学联合开办我国第一个半导体专业系,黄昆任主任丶谢希德为副主任。在他们的领导下,五校师生团结协作,先后开设了固体物理丶半导体物理丶半导体实验丶半导体材料丶晶体管电路丶半导体器件等全面的半导体专业课程,为中国培养了第一批半导体人才,这些人才继而成为全国各地半导体事业发展的领袖。随后,全国许多高校纷纷仿效成立了半导体专业,还建立了研究所和生产半导体材料和器件的车间,使中国半导体学科和半导体技术很快独立自主地发展起来。

  1977年11月,黄昆出任中国科学院半导体研究所所长。他为研究所带来了重视基础研究的新学风,培养了一个理论与实验并重丶学术气氛活跃的半导体物理研究群体,他本人也迎来了科学研究的第二春。针对国际上在多声子无辐射跃迁理论中出现的疑难问题,黄昆于1983年证明了“在消除康登近似带来的不自恰性后,理论界两种似乎互不相关的处理方法——即绝热近似与静态耦合——其实是等价的”;他与朱邦芬教授提出的计算超晶格光学声子模式的模型及类体模的解析表达式,被国际物理学界广泛接受,并被称之为“黄—朱模型”。

  黄昆 36岁时当选为中国科学院最年轻的学部委员,1980年被选为瑞典皇家科学院的外籍院士,1985年当选为第三世界科学院院士。2000年11月,香港科技大学授予黄昆名誉博士学位。

  一个个脚印,一座座丰碑。黄昆以他的成就,推动了固体物理学的进步。他的贡献属于全人类。

黄昆

  黄昆院士在世界学术界赫赫有名,真正说得上是重量级科学家,然而国内普通民众绝大多数对他一无所知。笔者也仅仅是从这次国家科学技术奖励大会后,才耳闻黄老的大名及其卓越功勋的。2002年2月7日上午,经过近一个星期的预约,笔者终于有机会访问固体物理学泰斗黄昆先生。

  这位功勋卓著的大腕级科学家,看起来是一位普普通通丶十分平易近人的慈祥老人。办公室不大,陈设简单,几个人在一块儿办公。他的办公桌上除去老花镜以及一个已经掉了瓷的白搪瓷水杯外,满满地堆的都是学术著作。书柜里,卢嘉锡为他题写的“业绩辉煌硕果累累”及周光召题写的“科学先驱”几个大字,在并不宽敞的办公室极为抢眼,似乎一下子让室内开阔丶灿烂起来。

  写出“圣经”般的牛津经典

  春天使万物萌生,使耕播者有所期望。中国的科学事业春意盎然,进入又一个黄金期。2月1日,人民大会堂大礼堂里气氛隆重而热烈。雄壮的国歌声中,国家科学技术奖励大会正式召开。黄昆院士获得了2001年度最高科学技术奖。

  “科技奖的设立,更加突出地表现了国家对科技的高度重视,体现了尊重人才丶鼓励创新的良好政治氛围。奖励虽说是给我个人授予的,但是其意义是在于广泛地激励科技工作者,我相信将会大力推进科技进步与创新,也有利于优秀科技人才的脱颖而出。”谈起获奖,黄昆那平静的口气掩饰不了内心的喜悦,然而他认为在这些年里获过的许多荣誉中,最令他引为自豪的并不是这次最高科技奖,“屡次获奖,在我心目中,1995年获的陈嘉庚物理奖在我思想上特别看重。因为这个奖的评选委员会是学部常委,是同行给的,为此,我特别看重,别的奖我不太了解。这次获奖,当然高兴,毕竟是国家最高奖,但获奖也给我添了不少麻烦,要占用我好多时间与精力,比如像你们记者访问,我无可奈何。”话语中,笔者似乎看到了一位平实而不失诚恳的老人那直言不讳丶纯朴务实的学者风范。

  “按我自己的评价,这次得以获奖的工作中,我在33岁以前开始进行的工作占了大部分,60岁以后的情形是一方面。”的确,黄昆院士早年开创的一些工作在学科发展中的影响已经得到确立,以后开展的研究仍旧得益于早期的工作。从“黄漫散射”到“黄方程”丶“黄-里斯理论”,从1945年到1951年,在英国求学丶工作的五六年间,黄昆焕发出蓬勃的生命力,接连取得创新性的重大成果。

  “现在想来,我在科学研究的方向选择上是非常幸运的。选择莫特做导师,也就选择了将固体物理做为自己的研究方向,这门学科当时才刚刚形成。”采访中,固体物理学一代宗师黄昆一再表示自己适时地把握了成才的机遇,“其实,早在西南联大时有一位英国教授给联大捐赠了一大批英国出版的科学书籍,我对这批书很感兴趣,引起我注意的是莫特先生的几本书,使我感到他的学识之渊博丶研究领域之丰富。基于此,我到了布里斯托大学做了莫特的研究生。”

  黄昆的一生和诺贝尔奖大师紧密相连,从英国布里斯托大学到爱丁堡大学,再到利物浦大学,从诺贝尔奖获得者莫特教授到玻恩教授,黄昆的第一个“黄金时代”到来了。物理学大师玻恩是量子力学的创始人,也是晶体原子运动系统理论的开创者,早在第二次世界大战期间,玻恩就打算从量子力学最一般原理出发,写一部关于晶格动力学的专著,但战后因忙于他事且年事已高,此事一度搁置。1947年5月中旬,黄昆来到了爱丁堡大学玻恩教授处短期工作,工作中玻恩发现黄昆熟悉这门学科,且有深邃见解,便将完成用量子力学阐述晶格动力学理论的《晶格动力学》专著的重任交给了黄昆,同时交给他的还有玻恩的一些残缺不全的旧手稿……

  “我觉得这是个发挥聪明才智的极好机会,乐于从命。”黄昆从1948年开始,在4年时间内不仅以严谨的论述和非常清晰的物理图像对这个固体物理学中的最基本领域进行了系统的总结,而且还以一系列创造性的工作发展和完善了这个领域。“写这样的书非同儿戏,有一段时间,我同玻恩教授为要不要在点阵动力学的系统推导之前加上基本导论性的三章发生了争论……后来,他让步表示同意我的想法。”谁也没想到,黄昆当初写进的内容在1960年激光发现以后,一一被实验证实。由此,奠定了他在固体物理学领域的权威地位。让人深感惊讶的是,玻恩这位诺贝尔奖获得者也不得不伸出了大拇指,他在给爱因斯坦的信中说:“书稿内容现在已经完全超越了我的理论,我能懂得年轻的黄昆以我们两人的名义所写的东西,就很高兴了。”

  这部书问世后,多次再版并一再重印,且被译成多国文字。在将近半个世纪后,牛津大学出版社把它列入了“牛津经典物理著作丛书”,并有国外专家称“我把黄昆的书像圣经一样放在我的书桌上”。

  如饥似渴吮吸物理学精华

  1937年,黄昆经保送进入燕京大学物理系。

  在抗日战争的艰苦岁月里,燕大是沦陷区少有的一块“自由”学习园地。能够在那湖光塔影的宁静环境里学习,自然是一生难忘的日子。给他印象最深的是一些老师,正是这些老师的引导与点拨,为他今后的学习丶工作丶研究打下了良好的根基。

  继而,黄昆考取西南联合大学物理系研究生,师从著名物理学家吴大猷。在这里,黄昆如饥似渴地吮吸着物理知识的精华,他不但听许多物理系高年级课程,还选学数学系多门课程,感觉得益不少,大开眼界。在这里,学术讨论风气盛行,使得从小便酷爱争论的黄昆有了一个争辩的天地。喝茶中,谈天说地,争论不休。正是通过学术讨论与课外无数次辩论,黄昆同杨振宁丶张守廉等真正地认识了彼此,从此结下了长达半个多世纪的深厚友谊。

  “一生于我影响最大的人是杨振宁,尽管那时相处的时间比较短,但对我影响很大。我跟杨振宁在西南联大的时候,是我生活最愉快丶最高兴的日子,是生活最丰富的时期。”今天在科学界享有盛名的黄昆,依然忘怀不了在西南联大的时光。那时的黄昆和杨振宁都二十出头,同住一屋,都喜欢纵论天下,互相顶牛;而黄昆往往将话题引向极端,引发无休止的争论。有一次,为弄明白量子力学中“测量”的含义,他们的争论从茶馆喝茶的时候开始,持续讨论到晚上,一直到回宿舍还在进行,熄灯后上了床争论没有结果,过了好久又爬起来,点亮蜡烛,翻开权威资料来解决争论。时隔数十年后,诺贝尔奖得主杨振宁对黄昆的认真仍然念念不忘,“我一生中最重要的一年,不是在美国做研究,而是当时和黄昆同处一舍的日子。正是那些争论,使我找到了科研的感觉。”两人真是心有戚戚焉,颇有同感。

  “杨振宁是我很好的朋友,我觉得他很有天赋,聪明过人,课堂上一些我认为非常艰深的理论,他很快就能轻松地掌握。在日常交往中,那些知识成了我们随时讨论的话题,交往中我受到了感染。”黄昆在言及科学家最需要什么样的素质时,认为光有兴趣不行,还得有一定的能力,需要一定的科学基础,“联大时,我相当迷信天才。现在倒认为这种看法不能过分强调———我年轻时在国外一起学习工作过的人有几个得了诺贝尔奖,他们就并非一定有特别的能力。”

  第二春天从花甲开始

  1976年10月,祸国殃民的“四人帮”终于被扫进了历史的垃圾堆。“打不倒”的邓小平又一次执掌国家党政大权。第二年秋,黄昆在小平同志的亲切关怀下,重新出现在人们的视线里,回到阔别已经26年的科研一线,回到自己热爱的科学家园,来到中科院半导体所担任所长,开始了科研的第二个春天。“自教学岗位转到科研岗位,这无疑又是一次客观形势的变化。到了研究所不做研究工作说不过去,这对年近60的我来讲,又是一个新的要求。”诚然,在人生旅途中,难免会发生这样或那样的变迁,只要以积极的态度去适应,便可做出业绩,实现自身的价值。

  在国际物理界沉寂近30年后,黄昆又重新活跃起来了,他开始了自己研究生涯中的第二个“黄金时代”。正如国际著名固体物理学家卡多纳所描述:“他好比现代的凤凰涅盘,从灰烬中飞起又成为世界领头的固体物理学家”。在黄昆所长的主持下,针对国际上在多声子无辐射跃迁理论中出现的疑难问题重新开展了研究,终于证明在消除康登近似带来的不自洽性后,绝热近似与静态耦合是等价的。科研取得了令人瞩目的成绩,“黄—朱模型”就是那个时代的代表性成果。这一模型的合作者朱邦芬教授曾有机会去国外长期学习工作,但是他没有去,他说:“在国内虽然生活清苦些,但能得到黄昆这样的导师指导,人生夫复何求。”半导体所建成了我国半导体超晶格国家重点实验室,开创了我国在材料科学和固体物理学中崭新领域的研究工作,这一新兴领域目前已经在世界上占据一席之地。

  最美莫过夕阳红

  工作一向异常勤奋的黄昆,年事已高,对研究工作有一种内在的紧迫感。如今,他每天坚持到办公室坐上半天,不停地写丶算丶思考,仍坚持和年轻人交流探讨。甚至在家中,在节假日,他还经常伏案工作。某一年的春节,有位同事登门拜年。黄老好不高兴,竟把自己在家中作的一些计算拿出来讨论……稀疏的银发,微微的驼背,无不显示出他的身体正在衰老。可是,永远不会衰老的是他那颗青春般执著的心及对科研不断创新的勇气!他还在工作着,他的心永远是年轻的!

  作为一位世界公认卓有成就的科学家丶一位我国固体物理学事业的开创者,黄昆院士从不知道成就上有“满足”二字,成功对他来说永远是另一个新的起点,他多年孜孜以求的创新经历为我们树立了典范。“物格无止境,理运有常时。”北京大学物理学院院内铭刻的这块字碑,便是国家基础研究重大项目首席科学家黄昆治学品质的最好注脚。在新旧世纪交替之际,一生和微观世界打交道的他,还牵头和其他5位院士一起大声疾呼:国家应当组织充分的人力丶财力和物力,抓住时机,紧急部署纳米技术的基础研究,它实质上是半导体微结构的发展与延伸,须以此抢占世界新科技的制高点。黄昆正是这样一次次以自己的创新精神与前瞻性的战略思想,及个人的勤奋与严谨,在固体物理学领域竖起了一座座丰碑,赢得了全世界的尊敬。

  除了诺贝尔奖,闻名海内外的中国物理学家黄昆几乎得到了所能得到的一切荣誉。面对许许多多巨大的荣誉和奖励,黄昆是如此的低调,“我是一个普通的科技工作者,没有什么神奇和惊人的地方。各方面给我荣誉不少,我不能位尊无功,俸高无劳。”

  
  
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