短暂而辉煌的科学人生｜卢瑟福之婿拉尔夫•福勒

 

在这些科学精英中，并不为人熟知的拉尔夫·福勒(Ralph Howard Fowler，1889～1944)其实是最杰出的代表之一。本文介绍了他短暂而辉煌的科学人生，让人们一睹他昔日的科学风范及其在数学物理、理论物理与实验物理等领域所作出的巨大贡献。 

 

1、才华出众，饱受战乱

 

福勒1889年11月17日出生在英国的埃塞克斯郡罗伊敦)，是家中的长子，家境十分殷实富足。由于受其父运动天赋的影响，不仅使他终生酷爱高尔夫运动，而且造就了他在整个学生时代，一直是学校板球队和足球队出色的运动员。儿童时代的福勒，在相继完成了家庭的早期教育和在预备学校求学的学业后，13岁时进入温特斯特中学就读了6年，并以优异的成绩荣获了该校授予的数学和自然科学奖金。

 

1906年12月，福勒赢得了剑桥三一学院的主修奖学金，两年后进入三一学院学习，1911年取得了学士学位。尔后，他便开始了纯数学的研究，1915年他又获得硕士学位。就在福勒读研究生期间，由于他具有高超的数学技巧和敏锐而深邃的洞察力，数学成绩一直独占鳌头，致使他分别于1913年和1914年先后登上了瑞利奖(Rayleigh Prize)和三一学院奖学金的颁奖台。   

 

1914年10月间，第一次世界大战的爆发，彻底打乱了剑桥安定平和的学习与研究环境，福勒因此授命于皇家海军炮兵队。在战争期间，不光他本人肩部严重挂彩造成了肺部感染，而且他的弟弟在法国索姆(Somme)战役中不幸阵亡，他的两位学生时代的挚友也被战死。所有这一切，使福勒深切地体会到了战争的残酷。   

 

一战结束后，福勒于1919年4月重返剑桥的三一学院。基于同高尔夫球结下了不解之缘的共同爱好，他不但很快与时任卡文迪什实验室主任的卢瑟福(E. Rutherford)相识并成为至交好友，而且结交了更多的人。在剑桥的岁月里，每周的休闲时间，他都要与卢瑟福、阿斯顿(F. Aston)、达尔文(H. Darwin)、泰勒(G. Taylor)等人，聚合在一起尽情地玩一次高尔夫球。1921年，福勒与卢瑟福的独女艾琳(Eileen)喜结连理。   

 

1922年福勒成为剑桥大学新增设的数学物理博士学位中唯一一位研究生导师。另外，由于他才华出众，硕果累累，因此分别于1925年、1932年和1933年，先后当选为英国皇家学会特别会员、新创建的热力学物理的讲座教授和温特斯特的学会会员。不仅如此，福勒曾于1936年被授予皇家奖章一枚。要不是上任前一刻突然发生中风，福勒还将于1938年接替布拉格(W. Bragg)的职位，即担任国家物理实验室的主任。这次中风经治疗后虽然很快恢复，但是对他日后的身体状况却埋下了祸根。

 

在第二次世界大战席卷全球的1939年，福勒被授命立即恢复在军火部的工作。在此期间，他曾作为英方空军的主要科学代表赴加拿大和美国，主要商讨如何促成这三国之间的军事联盟，怎样才能为英国被围困的军队获得重要的军事援助，以及如何推进英美两国核研究的进程等有关事宜。由于战争过于繁忙，福勒始终处于高度紧张与疲劳的工作状态。这正如他所说“现在所有人要冒险，我也不例外。”

 

1941年，屡次将医生的严重警告置若罔闻的福勒，因健康状况日见衰退与恶化不得不回到英国。但在返回故土后，他却依然担任着国家研究理事会(National Research Counci)的科学顾问和英国联络员的双重任务。1942年，福勒因为这种联络性的工作而被授予爵士。据与他共事的物理学家米尔恩(E. Milne)回忆，福勒从一战前的纯数学家转变到二战期间的物理学家、工程师和行政官员，他都当仁不让。不仅工作得心应手、业绩卓著，而且在这种角色的转换中，为福勒在科学实际应用上的能力积累了很大的财富。   

 

1944年7月28日，在二战的炮火与混乱的时局中，福勒离开了人世，享年仅55周岁。 

 

 

2、广为涉猎，硕果累累

 

福勒的科学人生虽然短暂，但他勤奋好学、持之以恒、广为涉猎、博学多才、成果丰富。主要体现在：   

 

其一，在他早期所致力研究的纯数学领域，曾于1913～1915年间发表了四篇论文；1920年出版了一本数学专题研究的单行本，这本名为《平面曲线的初等微分方程》的小册子，简明扼要、短小精悍。后被一版再版，极具影响力，可谓是福勒在纯数学研究方面的代表作。   

 

其二，在一战期间，出于战事的需要，福勒将他的数学才能应用于物理学领域。他从改良与提高常规的军用仪器和武器的性能以及精密度出发，进行了一系列的实验，发表了大量文章。例如，在他和别人合作的三篇论文中，其中的一篇研究了声波和纯音警报器，同时还考虑了气流对谐波的影响；另外的两篇文章则是论述了刚射出枪口的子弹在有角度振动的情况下的力学系统，这是空气动力学对飞行子弹的应用。福勒在这两篇文章中，还列出了与飞行子弹相关的全部力学理论和实验的结果，便于普通军事官员的理解。福勒等人的这一研究成果，甚至对当时美国和加拿大的腔外弹道学研究产生了很大的影响。也正是这一贡献，福勒于1918年被授予英帝国勋章。在这里特别值得一提的是，在一战期间自身的负伤和同胞兄弟等人的不幸阵亡，虽然给福勒带来了巨大的精神痛苦，但也铸就了他理论联系实际的治学风范。   

 

其三，1919年福勒回到了剑桥，加之他与其岳父卢瑟福等著名的实验物理学家、天体物理学家的亲密接触，导致了他在系统地研究了各种不同类型的数学问题之后，最终将探索的目光转向了数学物理中的前沿问题。福勒也就因此从上个世纪20年代初开始，进入了科学创造的巅峰期，在此后的二十余年中一发不可收拾。在这段历史时期，福勒曾单独或与他人合作，先后取得了多项重要的研究成果：

 

■ 1922年与C·G·达尔文一起共同完成了一篇关于能量分配的文章，提出了计算统计积分的方法，即著名的达尔文-福勒(Darwin-Fowler)法。此法除了被广泛应用于物理学的诸多分支领域之外，福勒又独自将它发展为研究物理化学的方法。

 

■ 20年代以来，福勒通过与米尔恩的共同努力，就他俩关于恒星光谱、温度和压力等问题的研究成果，发表了一系列的文章，这使福勒荣获了1923～1924年度剑桥大学的亚当斯奖(Adams Price)。1929年福勒又将这些文章组合在一起，出版了一本学术专著——《统计力学》。这本脍炙人口的集大成之作，体现了统计力学在现代物理学中的应用，是一部“最为实用、完整和学术的著作之一”，享有“卓越非凡和意义深远的”崇高荣誉，因为它是“在‘平衡态物质性质理论’中几乎堪比百科全书”。难怪哥本哈根物理学派的领袖、1922年度诺贝尔奖得主玻尔(N. Bohr)声称：“正盼望从书中学到更多的东西”，并认定这本书的出版“是一件了不起的工作，肯定会受到所有物理学家的最大欢迎。”

 

■ 福勒同古根海姆(E. Guggenheim)合著的《统计热力学》于1939年出版发行。

 

■ 1926年，当费米-狄拉克量子统计法刚一提出，福勒便立即将这一理论应用于研究宇宙中所存在的高密度物质状态(后称之为白矮星)。不仅证明了与白矮星的高密度相关的“简并气体压力”确实足以抵抗引力收缩，而且还证明了在白矮星那样的压力与密度条件下，星体的能量的确比地球上通常的物质所具有的能量大很多。福勒的这一有生以来最具原创性的重大发现，是当时刚诞生的量子力学的一个合理外推。另外他还得到了一些至关重要的结论，其中特别是白矮星的密度压力关系，具有更高的学术价值。因为依据这个关系，可推得任何质量的恒星，在它们的晚年，都将以白矮星而告终。福勒的这种恒星演化过程的观点，后经他当年的博士生钱德拉塞卡(S. Chandrasekhar)的进一步发展，提出了以其名字命名的质量极限，作为恒星演化结果的判据，亦即当恒星的质量在“钱德拉塞卡极限”(1.44个太阳质量)以下，恒星将以白矮星终结它的一生，而当质量超过此值时，恒星将最终变为中子星或“黑洞”。钱德拉塞卡也因在恒星结构和演化过程的研究中业绩显赫而荣膺了1983年度的诺贝尔物理学奖金。   

 

■ 福勒还在物理化学、凝聚态物理学和实验物理学的前沿领域，以及量子理论、量子化学等诸多方面，都有所建树；他以学术报告或讲座等形式，对其他各种新兴理论在剑桥的传播也功不可没；与此同时，当年作为博士生导师的福勒，还为剑桥培养了一批高素质的创新型人才。 

 

3、短暂人生，桃李满园

 

福勒作为“20世纪初剑桥大学数学物理的弄潮儿”，他的科学人生虽然短暂，但却绚丽多姿，既振兴了当时英国的科学与教育事业，又惠及了后人。   

 

福勒面对当年量子理论在剑桥的传播很不顺畅，甚至受到一些物理学权威如瑞利(L. Rayleigh)和金斯(J. Jeans)的排斥，感到心急如焚。一战结束之后，他审时度势、忠贞不渝地坚守在物理学的前沿领域，呕心沥血、任劳任怨、锲而不舍地进行了深入的研究。并以非凡的科学洞察力迅速地意识到：如果不及时地将昔日名声鹊起的剑桥数学从牛顿体系中解救出来，那么它将很快变得黯然失色。为此，福勒毅然决然地在剑桥开启了数学物理的研究，并十分明确地确立了它在现代物理学中的地位，果断地宣告了数学领域一直被笼罩的牛顿传统已经过时，使他因此成为了剑桥数学物理的领航人。后经继承者不断地艰苦努力，直接导致了剑桥大学更多数学分支学科的相继问世。如1959年剑桥大学应用数学与理论物理系的诞生，以及1964年纯数学与数学统计学系的创建，就是两个典型的例证。不仅使剑桥的数学恢复了以往的辉煌，重新立足于世界数学的最高之林，而且还使从牛顿体系中摆脱出来的剑桥数学，在现代物理学的发展中大放异彩。   

 

福勒参与了两次世界大战，交战双方的互相惨杀和战事的吃紧，给他的心灵和身体都带来了严重的创伤，但是对他的学术研究生涯却提供了一个机遇，即战争中的经历使他更偏重于理论在实践中的应用。尽管战争的影响会使福勒的学术研究在其深度和独立性上不够突出，但是福勒的这种理论联系实际的治学风范和广博的学识却得到卢瑟福和玻尔等物理学大师的青睐和重视，“使他成为了理论与实验的中间人。”福勒这种既重视理论研究又不忽视实验研究的风范，对当时物理学界那些热衷于“纯数学构造”而坠入远离实验的“黑洞”的科学探索者，也是一个极好警示。   

 

福勒作为当时剑桥独一无二的数学物理博士生导师，他对于20世纪各种新兴学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，乃至剑桥大学数学物理和实验物理专业其他学位层次的全体师生。这对于当时剑桥继续巩固深化、提高和发展于19世纪末高等教育改革所取得的系列成果起到了推波助澜的作用，并由此培养和造就了一批开拓型的创新型人才。卡文迪什实验室在英国实验物理中的地位与作用得到进一步的加强。在福勒担任数学物理博士生导师的18年间，他先后培养了六十多位成绩斐然的研究生。其中贡献特别突出的，除了上述的天体物理学家钱德拉塞卡以外，还有量子物理学家狄拉克(P. Dirac)和凝聚态物理学家莫脱(N．Mott)，前者因创立原子理论的新形式，并以波动力学准确地预测了正电子的存在，而分享了1933年度的诺贝尔物理学奖金；后者因对磁学和无序系统的电子结构理论所作的根本性贡献，而摘取了1977年度的诺贝尔物理学奖的桂冠。福勒的这些弟子，后来能在现代物理学的各个分支领域中取得如此卓越的成就，与他们的恩师福勒当年的言传身教与帮助是分不开的。在20世纪初这个全球物理学界风起云涌的年代，福勒为英国剑桥大学科学事业的重振雄风，立下了汗马功劳。