在這些科學(xué)精英中，并不為人熟知的拉爾夫·福勒(Ralph Howard Fowler，1889～1944)其實(shí)是最杰出的代表之一。本文介紹了他短暫而輝煌的科學(xué)人生，讓人們一睹他昔日的科學(xué)風(fēng)范及其在數(shù)學(xué)物理、理論物理與實(shí)驗(yàn)物理等領(lǐng)域所作出的巨大貢獻(xiàn)。 

 

1、才華出眾，飽受戰(zhàn)亂

 

福勒1889年11月17日出生在英國(guó)的埃塞克斯郡羅伊敦)，是家中的長(zhǎng)子，家境十分殷實(shí)富足。由于受其父運(yùn)動(dòng)天賦的影響，不僅使他終生酷愛高爾夫運(yùn)動(dòng)，而且造就了他在整個(gè)學(xué)生時(shí)代，一直是學(xué)校板球隊(duì)和足球隊(duì)出色的運(yùn)動(dòng)員。兒童時(shí)代的福勒，在相繼完成了家庭的早期教育和在預(yù)備學(xué)校求學(xué)的學(xué)業(yè)后，13歲時(shí)進(jìn)入溫特斯特中學(xué)就讀了6年，并以優(yōu)異的成績(jī)榮獲了該校授予的數(shù)學(xué)和自然科學(xué)獎(jiǎng)金。

 

1906年12月，福勒贏得了劍橋三一學(xué)院的主修獎(jiǎng)學(xué)金，兩年后進(jìn)入三一學(xué)院學(xué)習(xí)，1911年取得了學(xué)士學(xué)位。爾后，他便開始了純數(shù)學(xué)的研究，1915年他又獲得碩士學(xué)位。就在福勒讀研究生期間，由于他具有高超的數(shù)學(xué)技巧和敏銳而深邃的洞察力，數(shù)學(xué)成績(jī)一直獨(dú)占鰲頭，致使他分別于1913年和1914年先后登上了瑞利獎(jiǎng)(Rayleigh Prize)和三一學(xué)院獎(jiǎng)學(xué)金的頒獎(jiǎng)臺(tái)。   

 

1914年10月間，第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，徹底打亂了劍橋安定平和的學(xué)習(xí)與研究環(huán)境，福勒因此授命于皇家海軍炮兵隊(duì)。在戰(zhàn)爭(zhēng)期間，不光他本人肩部嚴(yán)重掛彩造成了肺部感染，而且他的弟弟在法國(guó)索姆(Somme)戰(zhàn)役中不幸陣亡，他的兩位學(xué)生時(shí)代的摯友也被戰(zhàn)死。所有這一切，使福勒深切地體會(huì)到了戰(zhàn)爭(zhēng)的殘酷。   

 

一戰(zhàn)結(jié)束后，福勒于1919年4月重返劍橋的三一學(xué)院�；�于同高爾夫球結(jié)下了不解之緣的共同愛好，他不但很快與時(shí)任卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任的盧瑟福(E. Rutherford)相識(shí)并成為至交好友，而且結(jié)交了更多的人。在劍橋的歲月里，每周的休閑時(shí)間，他都要與盧瑟福、阿斯頓(F. Aston)、達(dá)爾文(H. Darwin)、泰勒(G. Taylor)等人，聚合在一起盡情地玩一次高爾夫球。1921年，福勒與盧瑟福的獨(dú)女艾琳(Eileen)喜結(jié)連理。   

 

1922年福勒成為劍橋大學(xué)新增設(shè)的數(shù)學(xué)物理博士學(xué)位中唯一一位研究生導(dǎo)師。另外，由于他才華出眾，碩果累累，因此分別于1925年、1932年和1933年，先后當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)特別會(huì)員、新創(chuàng)建的熱力學(xué)物理的講座教授和溫特斯特的學(xué)會(huì)會(huì)員。不僅如此，福勒曾于1936年被授予皇家獎(jiǎng)?wù)乱幻�。要不是上任前一刻突然發(fā)生中風(fēng)，福勒還將于1938年接替布拉格(W. Bragg)的職位，即擔(dān)任國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的主任。這次中風(fēng)經(jīng)治療后雖然很快恢復(fù)，但是對(duì)他日后的身體狀況卻埋下了禍根。

 

在第二次世界大戰(zhàn)席卷全球的1939年，福勒被授命立即恢復(fù)在軍火部的工作。在此期間，他曾作為英方空軍的主要科學(xué)代表赴加拿大和美國(guó)，主要商討如何促成這三國(guó)之間的軍事聯(lián)盟，怎樣才能為英國(guó)被圍困的軍隊(duì)獲得重要的軍事援助，以及如何推進(jìn)英美兩國(guó)核研究的進(jìn)程等有關(guān)事宜。由于戰(zhàn)爭(zhēng)過(guò)于繁忙，福勒始終處于高度緊張與疲勞的工作狀態(tài)。這正如他所說(shuō)“現(xiàn)在所有人要冒險(xiǎn)，我也不例外。”

 

1941年，屢次將醫(yī)生的嚴(yán)重警告置若罔聞的福勒，因健康狀況日見衰退與惡化不得不回到英國(guó)。但在返回故土后，他卻依然擔(dān)任著國(guó)家研究理事會(huì)(National Research Counci)的科學(xué)顧問(wèn)和英國(guó)聯(lián)絡(luò)員的雙重任務(wù)。1942年，福勒因?yàn)檫@種聯(lián)絡(luò)性的工作而被授予爵士。據(jù)與他共事的物理學(xué)家米爾恩(E. Milne)回憶，福勒從一戰(zhàn)前的純數(shù)學(xué)家轉(zhuǎn)變到二戰(zhàn)期間的物理學(xué)家、工程師和行政官員，他都當(dāng)仁不讓。不僅工作得心應(yīng)手、業(yè)績(jī)卓著，而且在這種角色的轉(zhuǎn)換中，為福勒在科學(xué)實(shí)際應(yīng)用上的能力積累了很大的財(cái)富。   

 

1944年7月28日，在二戰(zhàn)的炮火與混亂的時(shí)局中，福勒離開了人世，享年僅55周歲。 

 

 

2、廣為涉獵，碩果累累

 

福勒的科學(xué)人生雖然短暫，但他勤奮好學(xué)、持之以恒、廣為涉獵、博學(xué)多才、成果豐富。主要體現(xiàn)在：   

 

其一，在他早期所致力研究的純數(shù)學(xué)領(lǐng)域，曾于1913～1915年間發(fā)表了四篇論文；1920年出版了一本數(shù)學(xué)專題研究的單行本，這本名為《平面曲線的初等微分方程》的小冊(cè)子，簡(jiǎn)明扼要、短小精悍。后被一版再版，極具影響力，可謂是福勒在純數(shù)學(xué)研究方面的代表作。   

 

其二，在一戰(zhàn)期間，出于戰(zhàn)事的需要，福勒將他的數(shù)學(xué)才能應(yīng)用于物理學(xué)領(lǐng)域。他從改良與提高常規(guī)的軍用儀器和武器的性能以及精密度出發(fā)，進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，發(fā)表了大量文章。例如，在他和別人合作的三篇論文中，其中的一篇研究了聲波和純音警報(bào)器，同時(shí)還考慮了氣流對(duì)諧波的影響；另外的兩篇文章則是論述了剛射出槍口的子彈在有角度振動(dòng)的情況下的力學(xué)系統(tǒng)，這是空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)飛行子彈的應(yīng)用。福勒在這兩篇文章中，還列出了與飛行子彈相關(guān)的全部力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，便于普通軍事官員的理解。福勒等人的這一研究成果，甚至對(duì)當(dāng)時(shí)美國(guó)和加拿大的腔外彈道學(xué)研究產(chǎn)生了很大的影響。也正是這一貢獻(xiàn)，福勒于1918年被授予英帝國(guó)勛章。在這里特別值得一提的是，在一戰(zhàn)期間自身的負(fù)傷和同胞兄弟等人的不幸陣亡，雖然給福勒帶來(lái)了巨大的精神痛苦，但也鑄就了他理論聯(lián)系實(shí)際的治學(xué)風(fēng)范。   

 

其三，1919年福勒回到了劍橋，加之他與其岳父盧瑟福等著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、天體物理學(xué)家的親密接觸，導(dǎo)致了他在系統(tǒng)地研究了各種不同類型的數(shù)學(xué)問(wèn)題之后，最終將探索的目光轉(zhuǎn)向了數(shù)學(xué)物理中的前沿問(wèn)題。福勒也就因此從上個(gè)世紀(jì)20年代初開始，進(jìn)入了科學(xué)創(chuàng)造的巔峰期，在此后的二十余年中一發(fā)不可收拾。在這段歷史時(shí)期，福勒曾單獨(dú)或與他人合作，先后取得了多項(xiàng)重要的研究成果：

 

■ 1922年與C·G·達(dá)爾文一起共同完成了一篇關(guān)于能量分配的文章，提出了計(jì)算統(tǒng)計(jì)積分的方法，即著名的達(dá)爾文-福勒(Darwin-Fowler)法。此法除了被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)的諸多分支領(lǐng)域之外，福勒又獨(dú)自將它發(fā)展為研究物理化學(xué)的方法。

 

■ 20年代以來(lái)，福勒通過(guò)與米爾恩的共同努力，就他倆關(guān)于恒星光譜、溫度和壓力等問(wèn)題的研究成果，發(fā)表了一系列的文章，這使福勒榮獲了1923～1924年度劍橋大學(xué)的亞當(dāng)斯獎(jiǎng)(Adams Price)。1929年福勒又將這些文章組合在一起，出版了一本學(xué)術(shù)專著——《統(tǒng)計(jì)力學(xué)》。這本膾炙人口的集大成之作，體現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)力學(xué)在現(xiàn)代物理學(xué)中的應(yīng)用，是一部“最為實(shí)用、完整和學(xué)術(shù)的著作之一”，享有“卓越非凡和意義深遠(yuǎn)的”崇高榮譽(yù)，因?yàn)樗��?ldquo;在‘平衡態(tài)物質(zhì)性質(zhì)理論’中幾乎堪比百科全書”。難怪哥本哈根物理學(xué)派的領(lǐng)袖、1922年度諾貝爾獎(jiǎng)得主玻爾(N. Bohr)聲稱：“正盼望從書中學(xué)到更多的東西”，并認(rèn)定這本書的出版“是一件了不起的工作，肯定會(huì)受到所有物理學(xué)家的最大歡迎。”

 

■ 福勒同古根海姆(E. Guggenheim)合著的《統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)》于1939年出版發(fā)行。

 

■ 1926年，當(dāng)費(fèi)米-狄拉克量子統(tǒng)計(jì)法剛一提出，福勒便立即將這一理論應(yīng)用于研究宇宙中所存在的高密度物質(zhì)狀態(tài)(后稱之為白矮星)。不僅證明了與白矮星的高密度相關(guān)的“簡(jiǎn)并氣體壓力”確實(shí)足以抵抗引力收縮，而且還證明了在白矮星那樣的壓力與密度條件下，星體的能量的確比地球上通常的物質(zhì)所具有的能量大很多。福勒的這一有生以來(lái)最具原創(chuàng)性的重大發(fā)現(xiàn)，是當(dāng)時(shí)剛誕生的量子力學(xué)的一個(gè)合理外推。另外他還得到了一些至關(guān)重要的結(jié)論，其中特別是白矮星的密度壓力關(guān)系，具有更高的學(xué)術(shù)價(jià)值。因?yàn)橐罁?jù)這個(gè)關(guān)系，可推得任何質(zhì)量的恒星，在它們的晚年，都將以白矮星而告終。福勒的這種恒星演化過(guò)程的觀點(diǎn)，后經(jīng)他當(dāng)年的博士生錢德拉塞卡(S. Chandrasekhar)的進(jìn)一步發(fā)展，提出了以其名字命名的質(zhì)量極限，作為恒星演化結(jié)果的判據(jù)，亦即當(dāng)恒星的質(zhì)量在“錢德拉塞卡極限”(1.44個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量)以下，恒星將以白矮星終結(jié)它的一生，而當(dāng)質(zhì)量超過(guò)此值時(shí)，恒星將最終變?yōu)橹凶有腔?ldquo;黑洞”。錢德拉塞卡也因在恒星結(jié)構(gòu)和演化過(guò)程的研究中業(yè)績(jī)顯赫而榮膺了1983年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。   

 

■ 福勒還在物理化學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的前沿領(lǐng)域，以及量子理論、量子化學(xué)等諸多方面，都有所建樹；他以學(xué)術(shù)報(bào)告或講座等形式，對(duì)其他各種新興理論在劍橋的傳播也功不可沒；與此同時(shí)，當(dāng)年作為博士生導(dǎo)師的福勒，還為劍橋培養(yǎng)了一批高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才。 

 

3、短暫人生，桃李滿園

 

福勒作為“20世紀(jì)初劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)物理的弄潮兒”，他的科學(xué)人生雖然短暫，但卻絢麗多姿，既振興了當(dāng)時(shí)英國(guó)的科學(xué)與教育事業(yè)，又惠及了后人。   

 

福勒面對(duì)當(dāng)年量子理論在劍橋的傳播很不順暢，甚至受到一些物理學(xué)權(quán)威如瑞利(L. Rayleigh)和金斯(J. Jeans)的排斥，感到心急如焚。一戰(zhàn)結(jié)束之后，他審時(shí)度勢(shì)、忠貞不渝地堅(jiān)守在物理學(xué)的前沿領(lǐng)域，嘔心瀝血、任勞任怨、鍥而不舍地進(jìn)行了深入的研究。并以非凡的科學(xué)洞察力迅速地意識(shí)到：如果不及時(shí)地將昔日名聲鵲起的劍橋數(shù)學(xué)從牛頓體系中解救出來(lái)，那么它將很快變得黯然失色。為此，福勒毅然決然地在劍橋開啟了數(shù)學(xué)物理的研究，并十分明確地確立了它在現(xiàn)代物理學(xué)中的地位，果斷地宣告了數(shù)學(xué)領(lǐng)域一直被籠罩的牛頓傳統(tǒng)已經(jīng)過(guò)時(shí)，使他因此成為了劍橋數(shù)學(xué)物理的領(lǐng)航人。后經(jīng)繼承者不斷地艱苦努力，直接導(dǎo)致了劍橋大學(xué)更多數(shù)學(xué)分支學(xué)科的相繼問(wèn)世。如1959年劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)與理論物理系的誕生，以及1964年純數(shù)學(xué)與數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)系的創(chuàng)建，就是兩個(gè)典型的例證。不僅使劍橋的數(shù)學(xué)恢復(fù)了以往的輝煌，重新立足于世界數(shù)學(xué)的最高之林，而且還使從牛頓體系中擺脫出來(lái)的劍橋數(shù)學(xué)，在現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展中大放異彩。   

 

福勒參與了兩次世界大戰(zhàn)，交戰(zhàn)雙方的互相慘殺和戰(zhàn)事的吃緊，給他的心靈和身體都帶來(lái)了嚴(yán)重的創(chuàng)傷，但是對(duì)他的學(xué)術(shù)研究生涯卻提供了一個(gè)機(jī)遇，即戰(zhàn)爭(zhēng)中的經(jīng)歷使他更偏重于理論在實(shí)踐中的應(yīng)用。盡管戰(zhàn)爭(zhēng)的影響會(huì)使福勒的學(xué)術(shù)研究在其深度和獨(dú)立性上不夠突出，但是福勒的這種理論聯(lián)系實(shí)際的治學(xué)風(fēng)范和廣博的學(xué)識(shí)卻得到盧瑟福和玻爾等物理學(xué)大師的青睞和重視，“使他成為了理論與實(shí)驗(yàn)的中間人。”福勒這種既重視理論研究又不忽視實(shí)驗(yàn)研究的風(fēng)范，對(duì)當(dāng)時(shí)物理學(xué)界那些熱衷于“純數(shù)學(xué)構(gòu)造”而墜入遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)的“黑洞”的科學(xué)探索者，也是一個(gè)極好警示。   

 

福勒作為當(dāng)時(shí)劍橋獨(dú)一無(wú)二的數(shù)學(xué)物理博士生導(dǎo)師，他對(duì)于20世紀(jì)各種新興學(xué)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，乃至劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)物理和實(shí)驗(yàn)物理專業(yè)其他學(xué)位層次的全體師生。這對(duì)于當(dāng)時(shí)劍橋繼續(xù)鞏固深化、提高和發(fā)展于19世紀(jì)末高等教育改革所取得的系列成果起到了推波助瀾的作用，并由此培養(yǎng)和造就了一批開拓型的創(chuàng)新型人才�？ㄎ牡鲜矊�(shí)驗(yàn)室在英國(guó)實(shí)驗(yàn)物理中的地位與作用得到進(jìn)一步的加強(qiáng)。在福勒擔(dān)任數(shù)學(xué)物理博士生導(dǎo)師的18年間，他先后培養(yǎng)了六十多位成績(jī)斐然的研究生。其中貢獻(xiàn)特別突出的，除了上述的天體物理學(xué)家錢德拉塞卡以外，還有量子物理學(xué)家狄拉克(P. Dirac)和凝聚態(tài)物理學(xué)家莫脫(N．Mott)，前者因創(chuàng)立原子理論的新形式，并以波動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了正電子的存在，而分享了1933年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金；后者因?qū)Υ艑W(xué)和無(wú)序系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)理論所作的根本性貢獻(xiàn)，而摘取了1977年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的桂冠。福勒的這些弟子，后來(lái)能在現(xiàn)代物理學(xué)的各個(gè)分支領(lǐng)域中取得如此卓越的成就，與他們的恩師福勒當(dāng)年的言傳身教與幫助是分不開的。在20世紀(jì)初這個(gè)全球物理學(xué)界風(fēng)起云涌的年代，福勒為英國(guó)劍橋大學(xué)科學(xué)事業(yè)的重振雄風(fēng)，立下了汗馬功勞。