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彭桓武:物理天工总是鲜

2020-02-03 光明日报
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  学人小传

  彭桓武(1915-2007),湖北麻城人,1935年毕业于清华大学物理系,随后入清华大学研究院学习,1938年考取中英庚款留学生,1940年、1945年相继获爱丁堡大学哲学博士学位和科学博士学位。留欧期间曾在爱尔兰都柏林高等研究院从事科研工作,与玻恩、海特勒等物理学家合作,在固体物理、介子理论和量子场论等方面做出有国际影响的工作。1947年年底回国,历任云南大学、清华大学教授。曾任二机部九所研究员和副所长、皇冠最新新2官网高能物理研究所副所长、皇冠最新新2官网理论物理研究所首任所长。彭桓武回国初期致力于量子力学在中国的早期普及,随后在中国尖端武器的研究和理论设计方面作出重要贡献。晚年致力于物理学与其他交叉学科的发展。1945年与玻恩共同获英国爱丁堡皇家学会麦克杜噶-布里斯本奖。1948年当选为爱尔兰皇家学会会员,1955年当选为皇冠最新新2网址数理化学部委员。1982年获国家自然科学奖一等奖,1985年获国家科技进步奖特等奖,1995年获何梁何利基金科学与技术成就奖。1999年被授予“两弹一星”功勋奖章,2020年获中国核工业功勋奖章。

  10年前,中国人民革命军事博物馆收到了一份特殊的藏品——一枚金质奖章。这遵照了“两弹一星”元勋彭桓武先生的遗愿,由皇冠最新新2官网理论物理研究所将他的“两弹一星”功勋金质奖章赠予中国人民革命军事博物馆。如今,这枚“两弹一星”功勋奖章已经颁发20余周年了,让我们重温彭桓武先生一生中的几个重要阶段,全面了解他对新中国国防事业和理论物理发展所作出的重要贡献。

  世乱驱人全气节

  天殷嘱我重斯文

  1931年—1935年,彭桓武在清华大学学习。他主修物理,选修化学并旁听数学,受到吴有训、叶企孙、周培源和杨武之等先生的指导和帮助,打下了坚实的理学基础。本科毕业后,彭桓武进入清华大学研究院,在周培源先生的指导下开展相对论的研究,但因1937年“七七事变”爆发而中断学业。在云南大学短暂教书后,他于1938年考取了中英庚款留学生。

  1938年秋,彭桓武抵达英国爱丁堡大学,师从著名物理学家玻恩。玻恩是量子力学的创始人之一,获得了1954年诺贝尔物理学奖。考虑到自己之前的研究“皆偏于数学,只对技巧有所提高,而对理论物理尚未入门”,彭桓武在与玻恩初次见面时便提出“想要研究具体的物理问题,不想再搞广义相对论等难以捉摸的东西。”

  玻恩建议彭桓武计算金属的热振动频率。为了简化计算,彭桓武发展了自洽场的微扰方法并利用该方法计算由均匀形变引起的晶格势能变化和金属弹性模量。基于该工作,彭桓武于1941年获爱丁堡大学哲学博士学位。

  随后,彭桓武前往爱尔兰都柏林研究院,在量子力学另一创始人、1933年诺贝尔物理学奖获得者薛定谔的指导下做博士后研究。

  此时,彭桓武的研究兴趣转入介子理论。他与都柏林研究院助理教授海特勒、博士后同学哈密顿合作,应用“阻尼的量子理论”研究宇宙线介子。研究发现,新理论能够解释主要与介子相关的宇宙线现象,包括其产生、在大气层中的扩散、介子簇射和转换为中性介子。理论得到的介子密度随能量、高度、地磁纬度等变化情况与实验测量相一致。

  这便是著名的HHP理论,即以Hamilton、Heitler和Peng三位作者姓氏首字母命名。这项工作的最初动机是为辐射阻尼寻找证据,但在当时却因对宇宙线现象提供了连贯的图像和解释,引起著名理论物理学家丘、汤川秀树以及实验物理学家巴巴、鲍威尔、罗彻斯特等人的注意。

  1943年7月,彭桓武重返爱丁堡大学并担任卡耐基研究员。随后的两年间,他同玻恩合作,深入研究场的量子力学,系统分析了量子场论的性质,并在处理量子场论发散问题方面投入了很多精力。

  基于量子场论的发散困难及辐射反作用的严格论述,彭桓武于1945年获爱丁堡大学科学博士学位。同年,他与玻恩共同分享爱丁堡皇家学会的麦克杜噶—布里斯本奖(MakDougall Brisbane)。

  1944年,玻恩所著的《原子物理》第三版出版。玻恩在该书中引用了HHP理论,同时感谢彭桓武的帮助和核对附录证明部分,并赠送彭桓武一本亲笔签名的专著。彭桓武对这部专著非常珍视,虽异地几处,却一直保存完好。彭桓武去世后,遵照其遗嘱,该书现珍藏于皇冠最新新2官网理论物理研究所图书馆。

  1945年7月,海特勒升任都柏林研究院理论物理研究所高级教授,彭桓武接替海特勒任助理教授。这期间,他指导研究生莫勒特计算加速器人工产生介子的产生截面。

  留学欧洲的前七年,彭桓武从未休假,共发表18篇论文,其中3篇发表于英国《自然》杂志,其余各篇均发表于世界著名物理学期刊。

  在同国际一流物理学家们的合作中,彭桓武兼容并蓄,集各学派之所长进而形成了自己的风格。在爱丁堡大学,他学习玻恩的矩阵力学方法和严格的数学推演能力;在爱尔兰都柏林研究院薛定谔处,他掌握了波动力学方法及薛定谔的缜密思维能力;而与海特勒关于介子理论的合作,使他掌握了如何系统研究某一主题的方法。

  凭借杰出的理论物理研究能力,彭桓武获得玻恩和薛定谔的高度赞誉。在玻恩眼里,彭桓武是一位“天赋出众”、具有“神秘才干”、“单纯”又“杰出”的人。而薛定谔在与爱因斯坦的通信中写道:“简直不敢相信,这个年轻人学了这么多,知道那么多,理解这么快……”

  尽管彭桓武在学术上没有同薛定谔有过合作,但薛定谔对他的影响却很大。1985年,《薛定谔传》作者穆尔写信向彭桓武询问薛定谔对他的影响,彭桓武在回信中写道:“我同薛定谔教授曾在1941年—1943年、1945年—1947年两次共事。我非常感激同他友好且亲密的接触……大家公认听薛定谔教授的报告是一种享受,因为他报告时逻辑清晰同时具有很强的艺术感……薛定谔见解多样,同时是一位深刻的思想家,这不得不让人钦佩。”

  彭桓武初抵爱丁堡时曾写下诗句——“世乱驱人全气节,天殷嘱我重斯文”,这出自他对颠沛流离求学和留学生涯的万千感慨。当然,他深知建设祖国必然需要知识和人才这一颠扑不破的真理。所以,当彭桓武再次返回都柏林时,他认为自己已经具备独立研究的能力,便想争取早日回国。

  为此,彭桓武上夜校学俄语,计划从西伯利亚回国。为了得到回国船票,他请求狄拉克和布莱克特帮忙,但未能如愿。

  1947年年底,彭桓武终于得到由伦敦到香港的船票,辗转回国。事实上,早在1941年留英庚款三年资助期结束时,彭桓武便有意回国,甚至还学习游泳以备在大西洋中自救,但后来因太平洋战争爆发而搁置。

  集体集体集集体

  日新日新日日新

  彭桓武回国后,相继在云南大学、清华大学和北京大学物理系任教,研究方向转移到原子核领域。由于留欧期间通晓量子力学基本理论,他回国后积极普及量子力学。除1952年至1955年在北京大学物理系讲授量子力学外,还于1954年暑假在青岛由教育部举办的讲习班中为各大学培训了一批量子力学师资。

  此外,彭桓武还协助钱三强等人筹备组建皇冠最新新2官网近代物理研究所并担任理论组组长。钱三强与彭桓武是清华大学只差一级的校友,1939年结识于欧洲。彭桓武1947年回国前曾去巴黎看望钱三强、何泽慧夫妇。二人约定待钱三强回国后“一块好好干”。

  近代物理所成立初期,百废待兴。为了开展工作,研究所动员所里科学家去废品站捡一些可用作研究的旧金属。彭桓武有一次在天桥废品站寻找废品,却被公安人员怀疑为小偷或者破坏分子而带到派出所盘问,后来经钱三强解释后才得以释放。

  1955年年初,中共中央正式决定发展中国的核武器。中国核工业建设初期得到了苏联专家一定的帮助,1955年10月至1956年4月,彭桓武被派去苏联热工研究所学习反应堆设计理论。回国后,他的主要工作是培养中国原子能研究的青年人才。

  彭桓武善于挖掘年轻科研人员潜力,培养了周光召、黄祖洽、于敏等能力超强的年轻理论物理学家,助力中国成功研制原子弹,并在随后的短时间内成功研制氢弹。除在近代物理所同黄祖洽、金星南一起培养反应堆理论和计算数学的大学毕业生外,彭桓武还依照美国通用教科书,给二机部新招的各工科大学不同专业的毕业生补习核工原理等专业基础课。

  20世纪60年代初,苏联短时间内撤回援助专家,中国科学家必须自力更生研制原子弹。1961年4月初,彭桓武奉命被调到当时的二机部北京第九研究所(1964年改为二机部第九研究设计院),顶替撤走的苏联专家,负责核武器的理论攻关工作。

  此时,中国的原子弹研制一度陷入困境。理论计算表明,炸药爆炸后在内爆过程中产生的压力总是小于在原子弹设计初期苏联专家留下的教学模型框图。中国科学家历时一年多,经历9次烦琐计算,还是得不到与苏联专家一致的数据。

  彭桓武请他的学生、刚从苏联杜布纳联合原子核研究所回国的周光召复查之前的计算数据。周光召仔细检查9次计算结果后认为,计算没有问题,怀疑苏联专家数据的可靠性。他从炸药能量利用率着手,求出炸药所做出的最大功,从理论上证明用特征线法所做计算结果的正确性,从而证明苏联专家数据是不正确的,结束了近一年的争论,使得中国原子弹研制继续向前推进。

  1964年10月16日,中国成功爆炸第一颗原子弹。

  第一颗原子弹理论设计完成后,彭桓武迅速组织力量转向氢弹原理探索。从1964年年底开始,在彭桓武等人的主持下,邓稼先、周光召组织科技人员制定了关于突破氢弹原理的工作大纲。

  彭桓武还设计了三套氢弹研制方案,分别由周光召、黄祖洽和于敏负责。彭桓武回忆说,原则上三套氢弹研制方案都是合理可行的,黄祖洽负责的方案实际上是一个保底的方案。最后,于敏带领的研究小组率先实现了其中的一个氢弹设计原理。在明确氢弹设计原理之后,理论部科研人员很快地融合一起,完善氢弹理论模型并进行细致的物理设计。

  于是,在突破原子弹后的两年两个月的时间内,再次突破氢弹原理,取得中国核武器研制的又一个里程碑式成果。1967年6月17日,中国第一颗氢弹空投试验成功。

  原子弹和氢弹的成功研制,对新中国的发展具有重要的战略意义,既推进了国防现代化建设进程,带动国民经济发展,又巩固和提升了新中国的国际地位。彭桓武在理论设计和人才培养过程中发挥了不可替代的作用。

  周光召曾说,彭桓武是中国“核物理理论、中子物理理论以及核爆炸各层理论的奠基人,差不多所有这方面后来的工作者,都是他直接或间接的学生”。物理学家、1957年诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生在2001年给彭桓武的信中这样写道:“中国今日国力鼎盛与原子武器之发展有密切关系。先生在此方面之贡献我虽不知细节,但早知其重要性。”

  然而,对于个人贡献,彭桓武一直保持谦虚、低调。第一颗原子弹爆炸后,他难掩激动情绪,在罗布泊写下“不是工农兵协力,焉能数理化成功”的诗句。多年以后,彭桓武作为第一获奖人因“原子弹氢弹设计原理中的物理力学数学理论问题”获得国家自然科学一等奖。当九所的同志把唯一一枚奖章送给彭桓武时,他提议由九所保存,随即写下:“集体、集体、集集体;日新、日新、日日新。”

  这是彭桓武内心精神世界的真实写照。至今,这十四个字一直指引着中国科学界,甚至航天界的科学家们前进。

  生前慢待因忙乱

  去后勤思怎补偿

  对于中国科学事业的发展,彭桓武一直保持初心。而对于爱情,他也同样保持着真诚。当彭桓武第二次到达都柏林时,与当时指导的研究生莫勒特发展了真挚的爱情。不过,两个年轻人最终并没有选择在一起,而是为各自祖国科学的发展贡献一生。

  莫勒特积极推动恢复和提高战后法国的物理学研究水平,与丈夫德西特共同创立Les Houches暑期学校,成为法国乃至欧洲重要的学术交流阵地。为表彰莫勒特为法国科学发展所作的特殊贡献,1981年法国政府授予她国家功勋骑士勋章。

  彭桓武回国后单身多年。直到43岁时才经人介绍认识国务院机关幼儿园医生刘秉娴。刘秉娴父母去世早,从小与姐姐相依为命。她曾在烟台、青岛和上海的医院担任护士、护士长和医生,工作积极,1958年修十三陵水库时被评为劳动模范,还因工作出色被评为北京市优秀保育工作者。

  彭桓武被这位温婉大方、踏实肯干的山东姑娘吸引。二人于1958年年底结婚。婚后,刘秉娴勤俭持家,解除了彭桓武科研工作的后顾之忧。从此,彭桓武衣服整洁了,外出吃饭的次数少了。有了夫人的精心照料,他得以将全部精力放在发展新中国的原子能事业上。

  1972年,刘秉娴因患血栓闭塞性脉管炎在家休养,1977年又被诊断为肺癌晚期。临终前,刘秉娴为彭桓武父子赶做棉衣、单衣和短褂袖,还给丈夫写了一封“最后通牒”,实际是对彭桓武以及儿子彭远征生活习惯、待人接物等各方面的嘱托。

  1977年8月14日,刘秉娴怀着对亲人和生活的无比眷恋,永远闭上了眼睛。彭桓武将这一天的日历页撕下珍藏起来。夫人追悼会结束当晚,彭桓武陷入昏迷。七天七夜之后才苏醒。他特别自责之前将全部精力投入在工作上,在同夫人共同生活的十九年里,很少关爱她。夫人去世后,彭桓武常通过作诗来表达哀思。在彭桓武1996年所作的一首诗中,可以看出他对夫人的无尽思念和歉疚:“对影如痴诉断肠,别时已等聚时长。生前慢待因忙乱,去后勤思怎补偿。”

  直至晚年,彭桓武还经常一个人乘公交车去香山,那里曾是他和夫人携手同游之地,有着他们的美好回忆。刘秉娴去世后,彭桓武一直保留着她的骨灰和那封“最后通牒”。直到他2007年去世后,两人的骨灰共同撒在了香山植物园的一棵树下。

  淡泊名利

  提携后进

  彭桓武一生生活简朴,淡泊名利。留学欧洲时,他将节约下来的大部分奖学金用于购买与物理、化学相关的英文原版书籍。回国前,他又特意买新木箱将这些书籍打包,辗转香港、上海、昆明,最后到达北京。

  彭桓武去世后,将他的所有书籍(共九个书架,其中大部分是英文原版的理论著作)捐赠给皇冠最新新2官网理论物理研究所,这是一笔宝贵的财富。

  1995年,彭桓武获得何梁何利奖的“科学与技术成就奖”,奖金为100万元港币。他决定用这份奖金,设立“彭桓武纪念赠款”,全部分给那些曾经为尖端科学作出贡献、后因年龄和伤病没能获得足够重视和荣誉的同事,以表达他的敬意。

  中央电视台《大家》栏目主持人曾在访谈中提及这一百万奖金,认为它对普通人来说足可以过上舒适的生活,彭桓武立即回答:“对我来说没用,我生活足够了,加这一百万或不加这一百万(都一样),这一百万等于白搭。因为你一个人只能用那么多钱,你像我现在吃,大夫给我限制的,我只许吃这么多东西,一天只许吃一个鸡蛋,吃两个鸡蛋都不行,那个钱有什么用?”

  对于名誉和职务,彭桓武也很淡然。他曾担任三届全国人大代表和一届全国政协委员,但因从未提过案和从未发过言而自己给自己“革了职”。

  完成核武器理论研制后,彭桓武认为已经完成中国年轻一代核物理工作者的培养任务和使命,便主动申请回到理论物理研究工作。1972年,他先回到皇冠最新新2官网高能物理研究所工作。1978年皇冠最新新2官网理论物理研究所成立后,彭桓武担任所长。五年任期一结束,他便向院领导写信请辞所长一职,推荐更加年轻和有领导能力的周光召担任所长。当时,有同事建议他担任理论物理研究所名誉所长一职,他认为,“不要这样为好,我也很不愿意这样,挂名的‘名誉’。近年来我在担任理论物理所所长期间,主要工作均委托青年同志去办,已经担任过了名誉所长。但我对这种状况早已厌烦。长此下去对工作不利。且我所是一个新所,建立时院领导即指示我所要有一个新的作风。由于历史较短,在我所尚未形成长期一贯的所长制。所以我建议理论物理所从一开始即根本不设名誉所长职称。如在追溯历史有需要时,只表明某某所长(起讫年月)即可”。

  除了理论物理,彭桓武还提倡发展交叉学科,建议开展理论生物和理论化学研究。他亲自推动全国的统计物理和凝聚态理论研究,促成了每两年一次的全国统计物理和凝聚态理论系列会议。20世纪90年代,他又大力倡导生物物理的发展。

  同时,彭桓武还提倡理论化学物理的研究。而他自己,为了还硕士指导教师周培源先生的“债”,直到90岁仍在研究广义相对论并发表学术论文。彭桓武就这样不断地开辟新方向,坚持工作在科研第一线,培养了一批又一批学生,为我国理论物理事业的发展,不惜花费精力进行了许多组织和研究工作。而在工作有了基础后,他总是悄然引退,把领导职务逐个移交给更年轻的科学家。

  这,就是彭桓武先生献身集体、献身科学的一生写照!

  (作者:庄辞,系皇冠最新新2官网理论物理研究所科研处处长;刘金岩,系皇冠最新新2官网自然科学史研究所副研究员。)

  (原载于《光明日报》 2020-02-03 11版)

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