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中国第一代物理学家求学仰仗庚子赔款

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核心提示:上世纪二十年代,在美的华人物理学博士增加到了18位,其中至少有6个是庚款留学生。

中国最初的一批物理学家大多曾在美国求学。

2004年,造诣颇深的科学史学者董光璧教授在向一群国际听众致辞时,总结了上世纪中国物理学的发展,并指出美国是使中国物理学家与学界受益最多的国家。七位“最有创造力的华人物理学家”的学术背景支持了董光璧的这种说法。

二十世纪最具创造力的华人科学家

在这七人中有五人在美国获得了博士学位,而其中周培源、吴大猷、杨振宁和李政道四人均曾为普林斯顿高等研究院(IAS)成员,这表明了美国对中国物理学界发展的决定性影响和 IAS 在其中的重要作用。我对二十世纪上半叶留美的华人物理学家进行了初步调研,进一步支持了董光璧的论断。

夏元瑮(1883~1944)是为数不多的中国第一代物理家之一,他很可能是其中第一个从美国的大学毕业的。夏元瑮曾在广东省政府的资助下就读于耶鲁大学。1907 年毕业后,他进入柏林大学跟随 Max Planck、Heinrich Rubens 继续深造,1912 年回到中国。随后他在北京大学任六年理科学长(相当于后来的理学院院长)。值得注意的是,1919 年回到柏林并通过普朗克介绍见到爱因斯坦(Einstein)前,夏元瑮并没有接受爱因斯坦的相对论。夏元瑮早期对相对论的抵触大约是受到了他在耶鲁大学的教授 Herny Bumstead 的影响。然而在1919~1921年间师从爱因斯坦后,夏元瑮成为了一名热情的相对论拥护者。他在中国做了大量演讲,发表了许多文章,阐释并推崇爱因斯坦的理论。1921年,他首度将爱因斯坦唯一的畅销书《狭义与广义的相对论浅说》(Relativity: The Special and General Theories)翻译成中文。

夏元瑮对中国上世纪 20 年代初的“相对论热”贡献良多。他的耶鲁校友张大椿(1883~1978)1909 毕业于电气工程专业,1913 年加入北京大学理学部,并于 1920 年任物理系主任。这二人留美期间都仅获得了Ph.B.学位(Bachelor of Philisophy,相当于本科学位,译者注)。

李耀邦(1884-约1940)是留美华人中取得物理学博士学位的第一人,他师从 Robert Millikan,于 1915 年从芝加哥大学毕业。然而归国仅两年后,他便于 1917 年放弃了自己的学术生涯。Millikan 的另一位华人学生是颜任光(1888~1968),1918 年他以一篇哲学而非物理学的论文获得了博士学位。他 1920 年加入北京大学物理系,随后接替张大椿成为系主任。颜任光是中国通过实验进行物理教学的先驱和倡导者。在访问剑桥大学卡文迪许实验室一年(1924~25)后,他确信实验仪器的缺乏是中国物理学发展的巨大障碍,因此他离开了北大,在上海创办了中国第一个制造科学仪器的工厂。1910~1919 年间,仅有两名华人学生获得了美国的物理学博士学位。这第二位就是首批庚子赔款留学生之一胡刚复。

1908 年,美国政府同意将庚子赔款的超额部分归还给中国(第一笔归还款:11000000 美元),条件是将其用来资助中国学生留美学习,这也就是庚子赔款(也称拳乱赔款,下简称庚款)奖学金的起源。第一批庚款留学生 1909 年启程前往美国。在接下来的几十年中,这笔新的基金对中国科学和技术的发展产生了深远的影响。上世纪二十年代,在美的华人物理学博士增加到了 18 位,其中至少有 6 个是庚款留学生。

这 18 人中就有饶毓泰、叶企孙和吴有训。毕业于清华大学的叶企孙也是一名庚款留学生。后来这三人与胡刚复一同被认为是中国物理学的四大元老和导师(详细信息见下表)。为了纪念他们的贡献,中国物理学会在 1988 年设立了四个以他们的名字命名的奖项。

值得注意的是,他们四位均为实验物理学家。事实上,在 1928 年两位中国理论物理学家王守竞(1905~1984)和周培源(1902~1993)分别在哥伦比亚大学和加州理工学院获得博士学位前,中国根本没有理论物理学家。这二人均毕业于由退还的庚子赔款建造的清华大学,而后于 1924 年接受庚款奖学金留学美国。王守竞是同龄人中不可多得的天才,当他的大部分同学要从大二或大三读起,他直接进入了哈佛大学的研究生院。

王守竞于 1925 年获得康奈尔大学理学硕士学位(Master of Science),随后于 1926 年获得哈佛大学文学硕士学位(Masterof Arts)后转入哥伦比亚大学,在那他同几个好友和研究生同学加入了由 I. I. Rabi 组建的小组,学习当时学校里尚无人讲授的新量子力学。1927 年 12 月,王守竞提交了他的毕业论文《新量子力学下的常态氢分子问题》,整个哥大没有人能指导他。不过他仍然在 1928 年 6 月获得了博士学位,并成为美国最早专门以量子力学为论文题目获得博士学位的五人之一。值得注意的是,王守竞是其中唯一一个没有指导教师的!作为一个外国人,他甚至获得了 1928~1929 年度的国家研究奖金,使得他回国前得以到威斯康星大学和 J. H. Van Vleck 共事。在1929~1933 年间,王守竞先后在浙江大学与北京大学执教。

然而,由于日本自 1931 年起对中国威胁不断增强,王守竞决定离开学术领域,并接受政府的任命,领导建造机器的国家项目。后来他成为了中国的重工业之父。

周培源是王守竞在清华的同学与好友,他先在芝加哥大学用两年的时间成功地取得了本科和硕士学位,而后于 1927 年初前往加州帕萨迪纳。在加州理工学院,周培源与 H. Bateman、B. Podolsky 和 E. T. Bell 共事,并在 Bell 的指导下完成了有关爱因斯坦引力理论的学位论文,只比王守竞晚一天拿到了博士学位。他 1928 年夏拜访过哈佛、普林斯顿和康奈尔的物理学家后,于秋天前往欧洲,到哥本哈根拜访了 Niels Bohr,在莱比锡与 Werner Heisenberg(和 I. I. Rabi一起)、在苏黎世与 Wolfgang Pauli 做博士后,直到1929年回到清华大学。在这以后的 23 年里,周培源是清华理论物理学的唯一带头人。但面对日本的侵略,周培源于1937 年末将研究课题从广义相对论与宇宙学转为湍流方向,期望研发出可应用于国防的科技成果以报效祖国。分别专攻量子力学和相对论的王守竞与周培源,本应成为中国理论物理学的一对理想的带头人,但可惜,均迫于日本侵华的压力而放弃了自己前景美好的研究项目。

尽管如此,周培源作为一名尽职尽责的导师,他任教于清华期间培养了很多优秀的理论物理学家,其中王竹溪、张宗燧、彭桓武、林家翘和胡宁尤为出众。

王竹溪从剑桥大学归国后,在昆明指导了杨振宁的硕士论文,并激发了杨对统计物理学毕生的兴趣。Paul Dirac 在将张宗燧带到 IAS 前曾邀请他于 1946~1947 年到剑桥大学讲授量子场论;几十年后,杨振宁称赞张宗燧为“一代物理学大师”。彭桓武与 Max Born 合作密切,并在 1945 年接替 Walter Heitler 任都柏林高等研究院的助理教授,这大概是第一个获得欧洲教授职位的中国人。林家翘成为了著名的应用数学家,并在麻省理工学院任学院教授,他曾在1972~1974年任工业与应用数学协会的主席,并于 1979 年跻身美国物理学会流体动力学奖项的第一批获奖者。胡宁在 Paul Epstein 的引荐下于 1943 年秋从加州理工学院来到 IAS 与 Pauli 共事,而 Pauli 对他的激励使胡宁成为了首个“利用EIH处理引力辐射问题”的人。

周培源和他的学生胡宁、张宗燧是第一批有幸在 IAS 工作的华人物理学家。在1949年以前,先后有六名华人物理学家在 IAS 工作。

六位 IAS 首批华人物理学家

1915到1949年间,从颁发给中国学生的博士学位数量上看,这五所美国高校(密歇根大学、芝加哥大学、哈佛大学、麻省理工学院、加州理工学院)堪称“中国物理学家的摇篮”。其中最突出的是至少培养了 12 个华人物理学博士的密歇根大学。

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1949年前于密歇根大学获得物理学博士学位的十二位华人

在这十二个密歇根大学博士生中,八位是首批中国女物理学家。这八位中国女性均获得了 Barbour 奖学金,且除了顾静嶶外,均毕业于国内的留美预备学校。王明贞和王承书是 George Uhlenbeck 的学生与合作者,她们为统计物理学做出了重要贡献;王承书后来建立并领导了中国第一支针对受控热核反应的研究团队。吴大猷和赵广增均由中国基金会资助,该基金会是管理第二笔庚款还款的中美联合委员会。朱光亚在中国战争期间师从吴大猷,并在后来成为中国核武器计划与生产的主要组织者之一。这个密歇根小组在 1950 年前也与 IAS 有过交集:王承书曾两次访问 IAS,而马仕俊和杨振宁是吴大猷在中国的学生。

这个简短的调查展示出美国对于中国早期物理学家普遍且深远的影响。这些项目的背后有庚款奖学金和国内的留美预备学校两大推动力。如今对前者已已经被研究得很透彻,但后者仍然被严重忽视,有待人们揭开它在历史上的神秘面纱。

作者 Danian Hu(普林斯顿大学高等研究院历史研究学院)

译者 秦子雯

审校 乔羽 谭坤

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