楊振寧的“卷王”好友，黃昆給物理學界留下了什么？

導讀：

黃昆（1919-2005，浙江嘉興人）是世界著名的物理學家，在固體物理研究領域取得了舉世矚目的成就。作為中國固體物理學及半導體物理學的奠基人，他參加制定了新中國第一個科學技術發展遠景規劃，為重點發展中國半導體物理提出了具體規劃及措施建議。此后，他為推動建設中國固體物理和半導體物理學科作了大量的工作，對于專業人才培養、研究機構建設、學術傳統形成，乃至該學科的整體發展等都產生了廣泛而深遠的影響。

1947年，在美國從事實驗研究楊振寧工作頗為不順，甚至被人調侃“哪里有了楊，哪兒就會噼啪響。”在給友人的信中，他認為自己頗為幻滅（disillusionment）。幾個月后，友人回信：我理解你的幻滅，你的煩惱不也正是我的煩惱。同時激勵楊振寧將注意力放在自身之外，一起獻身科學事業。這位好友不是別人，正是著名物理學家黃昆。

壹

求學之路

1937年，黃昆進入燕京大學物理系學習。當時，現代物理學的兩大支柱理論——相對論和量子力學方興未艾，黃昆便在英籍教師賴普魯組織課外研究活動的引導下，對這些前沿理論產生了濃厚的興趣，并通過自學掌握了一些量子力學知識，甚至撰寫了題為《海森伯和薛定諤量子力學理論的等價性》的畢業論文。在黃昆看來，這一工作雖然“沒有自己的創見”但是也增強了自己對這一理論發展過程的參與感。

黃昆1941年北京燕京大學畢業時留影

1941年黃昆從燕京大學畢業后，被推薦到西南聯合大學擔任助教；次年又考取該校理論物理研究生，師從吳大猷先生從事光譜研究。在這里，黃昆還遇到了兩位好友——楊振寧和張守廉，組成了“三劍客”。他們三人都極有物理天賦，每天形影不離地討論問題。對于這一段經歷，黃昆頗有感觸：

他們兩位都是天賦極高、聰明過人，課堂上一些我認為非常艱深的理論，很快就能輕松地掌握。所以在日常交談中，這些知識成了我們隨時討論的課題。對科學的追求，在他倆身上隨時隨地都有體現。因而與他倆的交往甚密，我也受到了感染。

而這種喜歡與人討論物理問題的習慣，黃昆一直保持到晚年。最終，在良師益友的影響下，黃昆也認定自己要追求科學事業，并在固體物理方面打下了扎實的研究基礎。攻讀研究生期間，黃昆共完成了3篇論文，于1944年完成了題為《日冕光譜線的激起》的學位論文，獲得碩士學位。

1992年，三劍客重逢，楊振寧（右），張守廉（中）和黃昆（左）

1944年8月，黃昆考取了“庚子賠款”留英公費生資格。當時庚款留英公費生章程規定，對于就讀學校和導師，學生可以自主填報志愿。此時的黃昆對于自身的條件與興趣已經有了充分的認識，翌年10月，他決定赴英國布里斯托爾大學留學，由此成為固體物理學家莫特（N.F.Mott）[1]在二戰后招收的第一名博士生。

在讀期間，黃昆不僅又完成了3篇論文，還將自己在西南聯大時的有關鋰原子能態的研究成果于1946年發表在Physics Review上，這是當時的物理學頂刊。而當時的楊振寧還是一個實驗室爆炸的制造者。因此，我們可以相信，楊振寧當時的幻滅感，可能有一部分就來自于自己這位“卷王朋友”。不過對于黃昆而言，自己當時的日子也算不上“好過”。在給楊振寧的回信中，他感嘆自己做研究多一半的時間也是在做慣常之事，但是同樣激勵自己與楊振寧：“中國有我們和沒有我們，makes a difference”。

黃昆與楊振寧保持了長年的友誼

這種信念感在黃昆選擇研究方向時便已經顯現。黃昆出國留學是有目的、有方向性的。當時，固體物理學是剛剛興起的物理學分支學科，這一學科后來奠定了以半導體技術、微波技術、激光技術等為代表的現代技術的理論基礎。黃昆師從國際著名的固體物理學家莫特學習，得以在學科發展初期即進入了前沿領域；加之自身具備良好的理論功底，且善于鉆研，他很快在固體物理研究領域嶄露頭角，并取得了一系列重要的研究成果，因此提前完成了博士論文工作。

黃昆（前排左二）在在英國利物浦大學做博士后時與同事們合影，后與李愛扶（前排右一）結婚

博士畢業后，為進一步學習深造，黃昆選擇留在英國進行訪學和博士后研究。1947-1951年間，他在愛丁堡大學跟隨著名物理學大師玻恩（M. Born）進行了為期半年的訪問研究，其后又在利物浦大學理論物理系任博士后研究員。1951年10月，黃昆啟程回國。

貳

固體物理大師

黃昆在固體物理研究方面取得了幾項具有開創性意義的研究成果，具體包括以其名字命名的4項研究成果：“黃漫散射”“黃方程”“黃-里斯理論”“黃-朱方程”，以及和玻恩合作撰寫的《晶格動力學理論》經典著作。其中除“黃-朱方程”外，其余幾項研究成果均源自于英國留學期間的研究工作。

理論研究表明，X射線入射到固體材料當中會出現X射線散射現象，但是實際材料往往會偏離嚴格的周期排列。1946年，在布里斯托爾大學的黃昆對稀固溶體的X光漫散射進行了研究，認為是固溶原子引起的長程彈性畸變（晶體缺陷）會導致X射線發生漫散射。除此之外，黃昆還采取了一種簡化模型，給出了相關公式。黃昆關于稀固溶體的X光漫散射的預言，后來由德國科學家派斯爾（H.Peisl）等人在實驗中證實，被物理學界稱作“黃漫散射”，現已成為研究晶體微缺陷的有效手段。

黃昆與H.PeisI在討論

在黃昆諸多成就中，最為出名的便是與玻恩合作的《晶格動力學理論》。身為量子力學與晶格動力學兩個領域的開創者，玻恩早就計劃在量子力學的基礎上重新闡述晶格動力學，并在二戰中已經撰寫了若干章節。但是戰后他工作繁忙且年事已高，這本書就被擱置起來。1947年，玻恩發現到愛丁堡訪學的黃昆格外熟悉這門學科，還有著深刻的見解，便給他看了手稿，并建議黃昆一起完成這部著作。

從1948年開始，黃昆有一半的時間都花在這本書上，等到1951年10月他啟程回國時，書稿已經基本完成。1954年，此書終得出版。玻恩對黃昆所做的工作給予了高度評價，不僅在《晶格動力學理論》的序言中指出，這部著作對自己原來的講稿“在很多方面使之更普遍化，并增加了新的章節，”甚至在與好友愛因斯坦的通信中表示，部分內容超出了自己所理解的范圍。直至1973年，國際晶格動力學大師柯克蘭（W.Cochran）仍然認為該書“是關于這個學科許多方面的權威著作”

1954年牛津出版社出版的《晶格動力學理論》及北京大學出版社出版的中譯本

除了撰寫一本經典的著作外，黃昆另外的時間還做出了科研生涯最具影響力的幾項研究成果。其中包括對于離子晶體（又稱極性晶體）的光學振動問題的研究，這一問題的解決方法后來被稱為“黃方程”。黃昆還進一步將黃方程與麥克斯韋方程相結合，用于分析雙原子極性晶體，從而發現電磁模（光子）與橫光學聲子模互相耦合而形成新的“耦合振動模”——聲子極化激元，這在物理學上是一個非常重要的新觀念。此外，黃昆與艾扶·里斯（Avril Rhys）合作完成“黃-里斯理論”，從而奠定了固體中束縛在雜質和缺陷上局域電子態躍遷理論的基礎。

黃昆與夫人李愛扶（Avril Rhys）

“黃-朱模型”是黃昆在半導體物理領域的重要成就。1970年代，隨著半導體低維結構研究的興起，科學家們開始關注晶體內部準二維量子結構中的聲子模式及其影響。在短周期超晶格拉曼散射實驗中，德國卡多納（M.Cardona）研究組發現，實際類體模的對稱性與理論預言結果相反。針對這一現象，黃昆與朱邦芬提出了一種解釋，既解決了原有模型理論與超晶格拉曼散射實驗結果之間的矛盾，也澄清了傳統理論與實驗結果出現矛盾的原因。這一微觀模型現已作為該研究領域必讀文獻列入國內外許多學術專著、教材中，被學界稱作“黃-朱模型”。

黃昆為什么從固體物理領域轉入半導體物理呢？這與他回國之后的選擇頗有關系。

叁

中國半導體物理之父

1951年，黃昆收到了恩師饒毓泰的來信，邀請他到北京大學物理系任教授一職，他拋下在英國的一切，轉道香港回國。回國之初，為培養固體物理人才，黃昆就為北京大學物理系首次開設固體物理課程，創辦固體物理專門化（專業），2年后率先設立了半導體物理方向，并選拔了10名四年級學生學習半導體方面的課程，從而使北京大學成為中國最早培養半導體專門人才的單位。

1951年在北京大學的黃昆

根據1956—1967年科學技術發展遠景規劃綱要，高等教育部于1956年采取了一項緊急措施：由北京大學、復旦大學、南京大學、廈門大學與東北人民大學五所高校聯合，在原北大固體物理專門化半導體專門組的基礎上，開辦全國第一個“半導體專門化”，選派一批物理系高年級學生集中接受半導體專業教育，同時組織選調出相關教師赴北京大學聯合成立半導體教研室，由黃昆擔任教研室主任，復旦大學謝希德任副主任。

在培訓班上，黃昆親自主講固體物理，并與謝希德合作講授半導體物理課程。另外，他還邀請了蘇聯專家A.B.桑杜洛娃指導半導體實驗室建設，并為教師開設了半導體工藝課程。培訓班先后培養了241名畢業生，另有20名來自清華大學和南開大學的旁聽生。這是中國半導體物理學科發展史上的一件大事。他們為發展中國半導體事業迅速培養的一大批專門人才，后來成為中國半導體專業教學與科研工作的骨干力量。

黃昆與謝希德

1977年，因時任中共中央副主席、國務院副總理鄧小平的兩次親自點將，黃昆調任中國科學院半導體研究所所長，后來又長期擔任研究所名譽所長。這一時期，黃昆的研究工作迎來了第二個高峰期，同時他為推動半導體物理研究基地建設做出了重要貢獻。

擔任半導體所所長之后，黃昆立即組建了物理研究室，并推動了研究所開展半導體超晶格和微結構物理研究。他首先將研究所有關人員進行了整合，調來了自己的研究生夏建白、顧宗權，并吸收了一批1976年之后畢業的研究生，組成了半導體理論組和實驗組。他還將分子束外延設備研制組也合并到物理室。黃昆后來強調：“在我到所后，全國對基礎研究有了統一認識，著力把半導體物理研究開展起來，就成了我所責無旁貸的任務。”

1987年黃昆在北京中科院半導體所作學術報告

為提高研究人員的理論水平，從1978年初開始，黃昆每星期都抽出半天時間給全所科研人員講授半導體物理的理論基礎，前后共講了10個月。同時，并且積極安排與來訪的國外學者進行學術交流，選送和推薦科研人員到國外研究機構學習。通過加強學術交流，一批年輕的科技人員既了解到國外半導體物理研究的最新進展，也建立起廣泛的國際合作關系。

黃昆認為既然身在研究所，自己就必須在科研第一線工作。1983年，退居二線的黃昆把自己的精力集中到了半導體超晶格的物理問題上來，他與合作者對半導體超晶格的電子態和聲子模開展了系統而富有成效的研究，“黃-朱”模型便是其中的杰出成果。

20世紀80年代末，基于在半導體超晶格和微結構研究領域建立的研究基礎，以及該研究領域工作的重要意義，黃昆向國家計劃經濟委員會提出了籌建半導體超晶格國家重點實驗室的建議。1991年，半導體超晶格國家重點實驗室順利通過了專家組的評定和驗收。

黃昆在半導體研究所辦公室里工作。黃昆不喜歡一人單獨一間辦公室，照片的最右邊可見半塊“小黑板”，這是黃昆討論問題必不可少的“辦公用品”。

肆

獨特的學術傳統

在長期的教學和科研工作中，黃昆帶出了一支優秀的半導體物理專業隊伍。這支隊伍在科研方向、研究方法受到黃昆的深厚影響，頗具特色。

20世紀80年代，黃昆認為，雖然中國建立了發展半導體技術的工作基礎，但因基礎研究長期得不到重視，缺乏自主創新能力，與國際先進水平存在很大差距。擔任半導體所所長后，黃昆開始推動將半導體超晶格物理確定為半導體所開展基礎研究的重點研究方向，并很快取得了研究進展。20世紀80年代末，就有國際專家指出，“量子阱物理研究領域，國內有非常顯著的成就，尤其是半導體所，在這方面的物理班子又頗具規模，不亞于任何其它一處”。

1995年底，黃昆向半導體所的研究生談自己的做人之道與治學之道

此外，黃昆還推動建設了半導體超晶格國家重點實驗室，他的兩代弟子相繼成為研究骨干，實驗室引進了一批國內外杰出人才，先后完成了一批高質量的研究成果，在國際學術界享有一定的聲譽。其中，鄭厚植和朱邦芬被授予“國家有突出貢獻的中青年專家”稱號，夏建白被評為中科院有突出貢獻的中青年專家，有10余名研究人員獲得政府特殊津貼，鄭厚植、夏建白、朱邦芬、李樹深、常凱先后當選為中國科學院院士。

1989年，在祝賀黃昆70壽辰的晚宴上。左起，朱邦芬，秦國剛，鄭厚植，甘子釗，李愛扶，黃昆，韓汝琦，鐘戰天

在研究方法上，黃昆善于提出簡化模型來解決復雜的物理問題。他深受導師莫特影響，十分重視培養自己建立和運用物理模型解決物理問題的能力。在黃昆的印象中，盡管莫特“有深厚的數學理論修養，但最善于抓住問題的物理實質提出形象的模型，以最簡單的數學獲得結果。”黃昆的幾項重要研究，也都是能夠抓住問題的本質，提出正確的物理模型，從而取得成功的。另外，黃昆回國后在教學和指導學生科研活動中，也特別強調運用簡化模型方法解決問題的重要性。這種方法解決問題對其學生及合作者產生深刻影響。恰當運用簡化模型方法，朱邦芬、夏建白、常凱三位院士做出了出色的成績。

黃昆獲得2001 年度國家最高科學技術獎

黃昆還認為，基礎理論是技術應用的基礎，從學生時代開始，黃昆就特別重視基礎理論的研究。黃昆調任中國科學院半導體研究所所長期間，竭力推動半導體物理方面的基礎研究；親自組建半導體理論組和實驗組，舉辦培訓班，講授現代半導體物理知識。改革開放以后，他所組建的物理研究室確立了以半導體超晶格作為主要研究方向，并逐步深入發展到量子阱、量子線、量子點等低維半導體物理研究領域，取得了多項具有國際影響的科研成果。在黃昆的影響下，他的學生和合作者已逐步成長為中國從事固體物理和半導體物理基礎研究的主要力量。

2002年黃昆與鄭厚植院士（左一）、夏建白院士（右一）在討論

此外，黃昆嚴謹務實的科研作風也影響到了后進之輩。黃昆指出，科研活動的目的就是要解決科學問題，無論理論研究還是實驗研究，都要把大量時間用在解決細節問題上，許多思想是靠解決細節問題而慢慢成熟起來的。他一生發表文章數量并不多，但對固體物理學的發展卻產生了重要影響。黃昆要求自己的學生不要在乎發表論文的數量，“可發可不發的文章不要發”，更不能通過拼湊文章來增加數量，要注重真正解決物理問題。”

對于黃昆而言，其在英國時已經成為一名成績斐然的固體物理學家。為了發展新中國的科學事業，他毅然選擇回國工作。受國內科研環境的影響，他在其后30余年幾乎中斷了自己已經取得重要成就的固體物理研究工作，將全部精力用于培養中國的固體物理、半導體科學與技術專門人才。有人不免生出了黃昆應有更大成就的想法，對此黃昆卻說道：

我1951年回國，立即赴北京大學任教。這時，新中國剛剛成立，國家把培養人才的工作放在了極為重要的地位，學校對教學工作提得很重，我全身心地投入到了教學工作。從33歲到59歲，都是致力于教學工作。近些年來，新聞媒體的人士多次問我‘你沒把研究工作長期搞下來，是不是一個很大的損失？’我是一直沒有同意這一看法的。因為回國后全力以赴搞教學工作，是客觀形勢發展的需要，是個服從國家大局的問題。這也并非我事業上的犧牲，因為搞教學工作并沒有影響我聰明才智，而是從另一方面增長了才干，實現自身價值。

本文經授權轉載自微信公眾號“墨子沙龍”、“返樸”

來源：汪志榮，丁兆君。科技導報2019，37（17）。

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