为什么中国理论物理学发展缓慢而日本频获诺奖？

【胡化凯 中国科学技术大学科技史与科技考古系教授】

►理论物理学家爱因斯坦 图片来源：pixabay.com

近代物理学在中国的建立始于20世纪初，以有留学生去西方国家学习物理学为标志。

洋务运动开始后，清政府派出不少人出国留学，但没有人专门学习物理。留学生中有研习物理者，自20世纪始[1]。20世纪上半叶，学习物理的留学生陆续回国，他们“埋首苦干，加倍努力，使物理研究得以开始，得以扩大，使我四千余年中华古国从此而有物理科学”[2]。

就研究而言，可以把物理学分为理论物理和实验物理；就运用而言，可以将之分为理论物理和技术物理。一般认为，理论物理包含相对论与引力理论、宇宙学、量子力学、量子场论、基本粒子理论、统计物理、经典场论、非线性物理等分支学科。

理论物理立足于科学实验和观察结果，借助于数学工具、逻辑推理和观念思辨，研究物质、能量、时间和空间以及它们的相互作用和运动变化，从中概括出具有普遍意义的基本理论，具有解释已知和预言未知物理现象及其运动规律的能力（[3]，页12—13）。

20世纪上半叶，物理学在中国得以初步建立；20世纪下半叶，该学科得到了很大发展。总体而言，与技术物理相比，上个世纪中国理论物理学的发展速度明显缓慢。

1935年，为纪念《科学》杂志创刊20周年，严济慈先生应邀撰写了《二十年来物理学之进展》一文，从人才培养、专业研究、成立学会和创办杂志几个方面，全面总结了物理学在中国的建立和发展状况。文章列出了53篇国内物理学工作者在欧美等国杂志上发表的论文题目及作者，其中仅有燕京大学物理系英人班威廉（William Band）的一篇讨论协和物理场的论文属于理论物理；文章也列出了在《中国物理学报》等国内刊物上发表的55篇论文，其中除了周培源一篇介绍膨胀宇宙论和束星北一篇讨论万有引力的论文外，余者也都不属于理论物理[1]。

十年后，钱临照先生在《物理学》一文中专设“物理学在中国之发展”一节，在上述严文的基础上，全面总结了物理学在中国的发展状况。文章按分支领域列举了当时70位在研究工作中做出成绩的年轻学者，其中属于理论物理者仅有研究相对论及宇宙论的周培源和束星北、研究统计力学的王竹溪和张宗燧[4]。

1950年，周培源和王竹溪联名在《科学》杂志上发表了《中国近三十年来之理论物理》一文，对国内学者在力学、相对论、量子力学、统计力学、热力学、电磁学等方面开展的研究工作进行了概括性总结，其中具有较大国际影响的成果极少[5]。

1960年，为庆祝中华人民共和国成立十周年，中国科学院组织各学科的专家编写了《十年来的中国科学》丛书，其中《物理学：1949—1959》分册总结了该学科各个分支领域取得的成就。书中从基本粒子理论、原子核理论、固体理论和统计物理四个方面总结了在理论物理方面所取得的成绩，认为“十年来理论物理的工作已经取得了不小的成绩，工作人员的数量较解放初期增加了三、四倍。但是由于原来的基础太差，现在所达到的水平还不是很高，还远远不能满足国家的需要。”[6]

1966年，以朱洪元和胡宁为代表的中国粒子物理学家提出了“层子模型”，这是一项得到国际同行肯定的成就。

上个世纪末期，我国在理论物理方面也取得了一些成绩。但整体而言，与研制“两弹一星”及其他高端设备所突破的物理技术相比，20世纪我国理论物理学发展的水平是不能令人满意的。是什么原因造成了这种状况？值得我们回顾与反思。

笔者认为，造成我国理论物理学发展缓慢的原因主要有以下几个方面。

早期出国学习理论物理者相当少

考查我国老一辈物理学家出国留学所学专业及其攻读博士学位期间所做的研究工作，可以看出学习理论物理的人相当少。

据不完全统计，从1900至1952年，中国留学生在国外获得物理学博士学位者至少有168人（[7]，页1243—1252）。从这些人的博士论文可以看出，其中仅有周培源、吴大猷、张宗燧、胡宁、彭桓武、马仕俊、朱洪元、黄昆、程开甲、王竹溪、王明贞等10余人在留学期间从事的是理论研究，余者所做的基本上都属于应用物理或实验物理研究。

赴欧美先进国家留学是20世纪上半叶我国高端科技人才培养的主要方式，后来在各个领域做出成就的科学家，基本上都是国外回来的留学生。庚款留美计划为国家培养的人才最多。《派遣美国留学生章程草案》规定，派出的学生中，“百分之八十专修工业技术、农学、机械工程、采矿、物理及化学、铁路工程、建筑、银行、铁路管理以及类似学科，百分之二十专修法律及政治学”。由此可见，当时有计划地派出去学习科学理论的人很少。

1909—1929年，清华留美预备学校共向美国派遣留学生1279人，另外还有庚款津贴留美自费生467人。这些留学生中，学习理论科学的人极少。1933—1943年，全国举行了六届庚款留美考试，共录取132人赴美留学，其中有15人规定的学习学科属于物理学，但都是应用物理，几乎无理论物理。庚款留英学生所规定的专业，与留美的情况大致类似。此外还有各省的官费留学及自费留学，其中也有一些人学习的是物理学，但基本上都不是理论物理。这些情况正说明了获得博士学位人员中从事理论物理研究者少的原因。 

吴大猷先生在总结中国物理学发展的历史时说：“为什么中国的物理研究发展得这么慢？其中的原因之一，是因为我们大多数出国念物理的人，都是作实验的物理研究”；“在国外念理论物理的中国学生比较少，这个也是我们物理发展得比较慢的原因之一”（[8]，页88—89）。吴大猷认为，做实验研究，有好处，但也有不好的地方。好处在于，国外有实验设备，有现成的研究计划和主题，学生比较容易完成学业。不好之处在于，实验研究需要一定的设备，在欧美国家实验室里可以做的研究，回到国内即没有条件继续开展工作了。

胡刚复、颜任光、饶毓泰、李书华、丁西林、叶企孙、吴有训、严济慈、赵忠尧、王淦昌、张文裕、陆学善、葛庭燧、钱三强、钱临照等等，这些对中国物理学的建立和发展做出过重要贡献的老一辈物理学家，在国外留学期间做的都是实验研究工作。他们利用国外的实验设备完成了一些当时属于物理学前沿的重要工作，如叶企孙于1921年对普朗克常数的测量、吴有训于1924年验证康普顿散射理论的实验、赵忠尧于1930年发现正负电子对产生和湮灭现象的实验、钱三强与何泽慧于1946年发现铀核三分裂现象的实验、张文裕于1949年发现µ原子的实验等等。这些工作，在国内都无法再继续开展研究，所以吴大猷说：“就是因为我们学物理的绝大多数的人回国后，没有机会继续做实验工作，所以中国的物理发展得很慢”。

虽然物理学的理论研究和实验研究是密切相关的，但就研究方法以及对研究者的业务素质要求而言，二者是有区别的。做理论研究，需要具备扎实的物理理论功底，掌握专门的数学工具，具有比较强的逻辑思维能力和物理模型提炼能力等，需要经过专门的训练。做实验研究的人一般不太容易做好理论研究。

留学生中学习理论物理的人少，即造成国内专业人才不足，自然不利于研究工作的开展和深入。

缺少富有创新意识的领军人物

究竟具备什么素质的物理学家才可以被称为大师，很难给出一个标准的说法。一般来说，作为一位科学大师，应具有扎实的专业知识、深厚的学术功底、宽广的学术视野，在本领域做出开创性成果，同时具有组织研究团队、引领研究方向、营造学术氛围和培养学术传统的能力。也就是说，真正的科学大师，不仅自己做出了学术贡献，而且能够引领一个团队做出成绩。剑桥大学卡文迪什实验室的卢瑟福、哥本哈根大学理论物理研究所的玻尔、哥廷根大学物理系的玻恩应是物理学大师的典型代表。就个人成就而言，爱因斯坦是当之无愧的一流大师，但他在人才培养方面的成绩不大。

对于我们这样的科学后发国家，在短期内难以产生一流大师，这是可以理解的。从推动一个国家的科技发展来看，科学大师的作用不仅体现在自己做出的科学贡献，更重要的是能否卓有成效地营造学术氛围，培养研究人才，引领一个团队健康发展，使之不断地取得重要成果。我国老一辈物理学家中极少有人在这方面做得比较出色。

而同样也是科学后发国家的日本，则出现了仁科芳雄（1890—1951）这样堪称物理学大师的重要人物。20世纪，日本的理论物理学得到快速发展，已有5人在这方面获得诺贝尔物理学奖，这与仁科芳雄（以下简称“仁科”）的学术引领和人才培养有着重要关系。

1918年，仁科毕业于东京帝国大学电工学科，在长冈半太郎的建议下又重新入东京帝国大学学习物理学。1921年，研究生毕业后，仁科被派往欧洲留学。

1921年10月至1922年8月，仁科在英国剑桥卡文迪什实验室留学，师从实验物理学家卢瑟福做原子物理实验研究。

1922 年11月到1923年3月，仁科在德国哥廷根大学留学，师从数学大师希尔伯特做物理学理论研究。

1923年4月至1928年10月，仁科在丹麦哥本哈根大学玻尔理论物理研究所做访问研究，这期间发表了9篇论文，深得玻尔的学术真传。

1927年去法国巴黎，跟随年轻的物理学家泡利（W. Pauli）做了4个月理论研究；之后又返回哥本哈根玻尔研究所，与瑞典学者奥斯卡·克莱因（Oskar Klein）合作提出以狄拉克方程表示康普顿散射的克莱茵－仁科公式，从而奠定了其在国际理论物理学界的地位。

1928年末，仁科满载着在欧洲学到的物理知识返回日本。他试图把刚刚建立的量子力学引进日本，在那里创造适宜的研究环境，培养本国的精英人才。

1929年，仁科邀请量子力学创始人海森伯和量子力学理论家狄拉克来日本讲学。在6天的时间里，两人分别作了6场关于量子力学的学术报告，仁科至始至终担任翻译工作。之后，仁科举办了量子力学讲习班，亲自给年轻学者授课。后来获得诺贝尔物理学奖的汤川秀树和朝永振一郎等人都是讲习班学员。

1931年，仁科在东京理化研究所设立了仁科实验室，进行原子物理研究。

1937年，他又邀请尼尔斯·玻尔来日本讲学。在一个月时间内，玻尔做了十场关于量子力学的演讲，仁科负责翻译。这一系列的学术活动，激起了日本一批年轻学者对于新兴的量子力学及原子物理研究的兴趣。海森伯和狄拉克在二十几岁就做出了世界一流的科学成就，也激发了日本年轻学者的奋斗热情。

仁科在欧洲访学8年，正值以相对论和量子力学为代表的现代物理学迅速崛起的时代，他所跟随的导师，都是当时在物理学前沿领域做出开创性工作的世界一流学者。这些导师使得仁科从实验研究到理论探讨，从学术思想到研究风格，都受到了全面的训练，真正成为一位具有国际视野的物理学大师。二次世界大战前，世界物理学研究主要有三大传统，即剑桥大学卢瑟福的实验研究传统、德国哥廷根学派的理论研究传统、丹麦哥本哈根学派的自由探索传统。仁科受到了这三种传统的熏陶，这是其他留学者难以企及的经历。