诺贝尔奖百年是年轻人的创业史_杨福家院士事迹

诺贝尔奖百年是年轻人的创业史_杨福家院士事迹

对物质结构的探索，源于对自然界的好奇，这正是科学发展的动力，也是诺贝尔奖获得者获奖的重要原因。

很高兴与大家一起探讨诺贝尔奖一百周年给我们的启示。

今天重点讲的是诺贝尔物理学奖。(www.guayunfan.com)众所周知，诺贝尔奖源于诺贝尔（Alfred Bernhard Nobel，1833—1896）生前遗留下的一笔巨大的资金，真正颁发是在1901年12月10日。

诺贝尔

诺贝尔奖颁奖仪式

诺贝尔奖有六项——物理、化学、生理学或医学、经济学、文学、和平。第一个拿诺贝尔物理学奖的是威廉·伦琴(Wilhelm R?ntgen，1845—1923)，他的贡献是发现了穿透力很强、当时未知的一种射线，称为X射线，后来人们用他的名字命名为伦琴射线。其实，X射线已经存在几十年了，它存在于所谓的阴极射线管里，阴极射线管是由克鲁克斯首创的，所以又被称为克鲁克斯管。他搞阴极射线管很多年，当时他认为物质在里面出现了一种新的状态，除固态、液态、气态外，还有物质的第四状态。后来证明他的观点并不正确。

威廉·伦琴

法国微生物学家和化学家巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895）讲过一句话，在观测领域里面，机会只给那些有准备头脑的人（Chance favors the prepared mind）。对年轻人来讲，要成长，除了自己努力之外，必须要有机遇。但是在大量的机遇面前，你能不能抓住它们，关键看你的头脑是不是准备好了。X射线发现的历史，则充分展示了，你有没有准备好的头脑就决定了你能不能抓住机会，而伦琴正是善于抓住机遇的人。他在一个很简单的，曾经被很多人用过很多次的装置里，在1895年11月8日这一天，发现放在这些管子外面很远的一些荧光物质在发光，而当仪器关掉，过一会荧光就消失了，因此很显然，他发现了一种新的射线。但是这种射线是什么，他并不知道，所以称之为X射线。按照现在的知识来看，当电子打到任何金属物质上时速度发生变化，凡是带电的粒子，当速度发生变化的时候，一定会把自己一部分的能量转化为电磁辐射的能量。因此，X射线的产生是很自然的。

巴斯德

另外，速度是既有方向，又有数值大小的，只要电子的速度变化（不论是方向，还是数值的变化），电子能量的一部分就会转化为电磁辐射。今年工博会上展览的上海同步辐射光源就是应用了这一原理，让电子兜圈子，让速度不断变化，就会放出电磁辐射。

洛伦兹

X射线的发现有一个特点：一发现，人们就知道它有用。1895年伦琴发表论文的题目就是《新的射线》，给出的照片是他妻子的手的照片，是历史上第一张X光照片，连结婚戒指都照得清清楚楚。这与很多拿诺贝尔奖的论文不一样，伦琴的论文一出来就震惊了世界，第一年就有1000多篇相关文章问世，立刻在医学中得到了广泛的应用。所以在1901年诺贝尔奖第一次颁发的时候，就一致公认将物理学奖授予伦琴。

1902年获诺贝尔奖的是洛伦兹（H.A.Lorentz,1853—1928）和塞曼(P.Zeeman,1865—1943)，他们的贡献是发现磁场对电磁辐射的影响。例如，晚上大街上照明用的钠灯，它包含的光谱线主要有两条，但在磁场中分为五条线。

1903年获得诺贝尔奖的是法国科学家贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel，1852—1908)和居里夫妇，即皮埃尔·居里（Pierre Curie，1859—1906）和玛丽·居里（Marie Curie，1867—1934)。居里夫妇一生与矿石打交道，发现了很多新的元素。居里夫人曾两次获得诺贝尔奖，第一次是她31岁的时候发现了镭，第二次是她44岁时获得了化学奖，她的贡献是对放射性元素有一系列新的发现。

接下来就不一年一年说了。1906年的物理学奖给了英国剑桥大学的J.J.汤姆孙（J.J.Thomson,1856—1940），因为他在1897年发现了电子。电子是一个基本粒子，从发现到现在100多年了，还没有任何人发现它有任何结构，到现在为止还是基本粒子，它与中子、质子很不一样。1932年发现中子，现在知道它不是基本粒子，而是由三个夸克组成的。J.J.汤姆孙发现电子用的也是克鲁克斯阴极射线管。理论上有解释，实验上也有贡献。他把真空抽得比较高，而且加了电场和磁场，发现了电子偏转。

贝克勒尔

玛丽·居里

皮埃尔·居里

1913年，荷兰学者卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853—1926）获得了诺贝尔奖。他在1911年发现了某些导电金属的电阻在低温条件下变成了零，两年以后就获得了诺贝尔奖。在摄氏零下270度时，这些金属显出特有的性质，没有电阻，称之超导体。但为什么会这样，一直没有搞清楚。直到1956年，巴丁（John Bardeen，1908—1991）、库珀（L.N.Cooper）和巴丁的研究生施里弗（J.R.Schrieffer）三个人解决了这个问题，其中有一个非常有趣的过程。巴丁因为在20世纪50年代初发明了晶体管（半导体）获得过1956年的诺贝尔奖。库珀是博士后。我1965年就认识了施里弗，他夫人是丹麦人。他亲口告诉我发现超导理论的过程。他去拜巴丁为师，巴丁就从抽屉里拿出一张单子，10个题目，说你考虑一下吧。结果他回去琢磨来琢磨去，选择了超导。有位师兄就与他说，“你怎么选这样难的题目?很多有名科学家都碰过壁。不过，你年轻，浪费三年没有关系，做不出再换个题目。”于是，他就开始了研究。有一天下午他的朋友请他吃饭，讲好6点半，因路不熟悉提早出门，结果5点就到了，便在旁边小花园的草地上一边思考一边休息。想来想去觉得这个问题很简单就可以解决，但自己也不确信究竟解决了没有。过了几天，他去找巴丁，巴丁一看，说他抓住了要害，这就是问题所在。年轻人是突破问题的先锋，但是需要年长人的指导。找来了库珀一起算，两个人拼命算了一个月，彻底解决了。超导理论就这样被发现了。理论成果获得诺贝尔奖并不容易，因为理论必须被进一步的实验所证明，到1972年这三人共获诺贝尔物理学奖。

J.J.汤姆孙

卡末林·昂内斯

巴丁

库珀

施里弗

1918年的诺贝尔奖给了德国的马克斯·普朗克(Max Planck，1858— 1947)。他的年纪比较大了，他的突破性贡献是在1900年提出的量子理论。他是一位很有经验的经典物理学家，但是1900年出现了一些难题，所谓一座完好的经典大楼上空出现了乌云，其中的一个问题就是很热的物体放出的光谱和它的强度之间的关系。按照经典物理的理论应该是温度越高，强度越大，乃至无穷大，事实上怎么可能呢？普朗克在1900年10月19日凑出了一个公式，发现与实验事实符合得非常完美。但经验公式必须要有理论的解释。两个月后他发现，这个理论可行的条件是加热物体的辐射只能是以量子形式出现，也就是一份一份的，不能连续，这完全与经典物理冲突，于是他迷惑了，自己学习了多年的经典物理知识完全不能解释。过了5年，爱因斯坦把普朗克的理论进一步深化，解释了多年来一直悬而未决的光电效应。爱因斯坦认为光就是一粒一粒的。为此，阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein，1879—1955)以光电效应获得1921年的诺贝尔物理学奖。

马克斯·普朗克

阿尔伯特·爱因斯坦

接下来介绍的一位获奖者是丹麦的科学家尼尔斯·玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885—1962）。1913年，28岁的玻尔发表了三篇文章，解释了氢原子的光谱为什么是不连续的，而且提出了电子的状态也是量子化的，电子在一个状态跳到另一个状态时，就把能量转为电磁辐射（光）。他的论文为他的老师欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937)提出的原子有核模型提供了理论基础。其实，在J.J.汤姆孙发现电子后，立刻面临一个问题：既然物质是中性的，电子是负的，那么除了电子还必须有带正电的，正与负是怎么排列的呢？J.J.汤姆孙打了个比方，提出原子就像葡萄干面包，一粒粒葡萄就是电子，分布在带正电的面包之中。当初玻尔到英国去留学，想去拜J.J.汤姆孙为师，但有些自己的想法。J.J.汤姆孙一听就不开心，怎么小小年纪就自己胡思乱想，将其拒之门外。结果玻尔去拜卢瑟福为老师。卢瑟福很开明，在他的影响下，玻尔成为20世纪最有影响力的物理学家之一。卢瑟福提出正电都集中在中间，把原子分为两个部分：一个是带正电的原子核，一个就是绕核运动的电子。从此，产生了原子物理学和原子核物理学。但是，电子绕核运动，速度不断变化，其能量不断转化为电磁辐射，越转越慢，最后一定落入原子核内。卢瑟福的原子不可稳定存在，与事实不符！他的学生玻尔解决这一难题，获得1922年诺贝尔奖。玻尔的贡献不仅在科学上，而且在人才培养上，他最重要的贡献还在于创建世界物理中心，培养了一大批年轻科学家，共同创立了20世纪最伟大的物理学理论——量子物理学。

尼尔斯·玻尔

欧内斯特·卢瑟福

路易·维克多·德布罗意(Louis Victor de Broglie，1892—1987)是法国贵族，一位亲王。他最初研究历史，后来受到哥哥的影响开始研究物理学。他的重大贡献是，认为任何物质都有波粒二象性，这在经典物理里是不可想象的。他获得诺贝尔奖的文章也就是他的博士论文，在1924年通过，当时虽有很多人不同意，但还是让他通过，不过导师加了个附注，“你上面的观点我并不赞成”。后来证明他的思想有极大的创新性，过了5年就拿了诺贝尔物理学奖。他居然把波和粒子在经典物理中决然不同的两个概念统一了起来。举个例子，对于粒子来说，要出门，要么走这扇门，要么走那扇门，但波是可以同时走过两扇门。现在，德布罗意居然说，电子是有分身术的，可以同时从两扇门进出！

路易·维克多·德布罗意

其实，玻尔的理论有很多缺陷。我举个例子，玻尔说电子要么在这个状态，要么在那个状态，中间状态是没有的。那么人家就问了，相对论说速度是有限的，最大的速度是光速，电子从这个状态跳到那个状态，不管距离多么短，一定是需要时间的。那么在这段时间内电子处于什么状态啊？玻尔回答不了了，他只说电子从这个状态跳到那个状态，原子就发出光了。

针对玻尔理论上的问题，一位21岁的年轻人——维尔纳·卡尔·海森伯(1901—1976)，勇敢地向他挑战。从此，玻尔与海森伯之间既是师生，又是朋友，经常一起讨论问题（参见《量子百年话创新》）。有一次，玻尔去挪威滑雪，留下海森伯。在晚上12点多，他从阁楼里跑到附近的湖边散步，正在此时，灵感来了。于是，他回到办公室写下了最著名的“不确定关系”（Uncertainty Relation）。玻尔回来以后，海森伯告诉他有重大发现，玻尔说自己也有重大发现。两人一讲是一致的，但是一个是数学表示，一个是哲学表示。也就是，一个是“不确定关系”，一个是“互补原理”。这也是在玻尔研究所里经常提到的一件逸事。

维尔纳·卡尔·海森伯

玻尔与海森伯交谈

海森伯在与玻尔相见10年后（1932年）获诺贝尔奖，届时31岁。

20世纪三大科学发现——量子论、相对论和DNA结构，改变了整个世界。科学的巨变导致了三大工程，即曼哈顿工程（核武器工程）、登月工程和人类基因组工程。有调查显示，当今世界25%的GDP来自量子理论。我相信再过几十年，或许会说世界上25%的GDP来自与物理、化学、数学密切相关的生命科学。

卢瑟福是英国物理学家，原来是新西兰人，在1908年获得过诺贝尔化学奖。他把整个的物质分成中间很小的原子核和外面的电子的运动。那么，原子核是什么组成的呢？卢瑟福的学生——查德威克(James Chadwick，1891—1974)，在1932年发现了中子。然后知道了原子核是由中子和质子组成的，他因此获得了1935年的诺贝尔物理学奖。我们的世界就是原子组成的，原子由原子核和电子组成，原子核由中子和质子组成，中子和质子又由夸克组成。

2500年来，人类试图了解世界是什么构成的，夸克是迄今人类了解的最小单位。原子核物理研究的对象是非常小的，原子核的大小约为1米的一百万亿分之一，在原子核内中子和质子紧密地结合在一起。从1939年起，原子核物理从抽象的学科变成了有巨大应用的学科，因为正是在这一年，科学家发现了铀核的裂变。铀核在中子轰击下一分为二（个别情况下一分为三），而且在分裂的同时又放出两到三个中子，这些中子又引起其他铀核的分裂。德国放射化学家和物理学家奥托·哈恩（Otto Hahn，1879—1968）在1939年发现铀核的裂变，在1944年获诺贝尔化学奖。铀核在中子作用下，发生链式反应。依此，在美籍意大利物理学家恩利克·费米（Enrico Fermi，1901—1954）带领下，第一个原子反应堆于1942年在美国芝加哥大学建成，从而在实验上证明大规模获取原子能的可行性。费米既是理论物理学家，又是实验物理学家，十分难得。建造世界第一座核反应堆是费米一生中最大贡献之一，但他并没有因此而获诺贝尔奖。费米是1938年诺贝尔物理学奖得主，以表彰他在“中子引起原子核反应产生人造放射核素方面”的贡献。原子反应堆的建成，表明原子能发电是可能的，从1954年建成第一个核电站以来，现在原子能发电量已占世界发电量的18%。我国自行建造的秦山核电站从1991年发电以来已连续运转10年，去年一年发电24亿度。这座30万千瓦电站，如果用煤的话，每年就要耗煤100万吨，从而产生几万吨污染空气的硫化物、氮化物。但是，每年换下来的10多吨放射性的废料，有些寿命很长，只好埋在地下，留给下一代人了，这不符合可持续发展原则！20世纪30年代，谁发现放射性元素就能拿诺贝尔奖，现在谁能消灭放射性元素，也能拿诺贝尔奖。这是世界一大难题。

查德威克

在第一个反应堆建成之后，后来被美国称为“原子弹之父”的罗伯特·奥本海默（J.Robert Oppenheimer，1904—1967）带领一批科学家、工程技术人员研制成原子弹。奥本海默并没有因此而获得诺贝尔奖。爱德华·泰勒（Edward Teller，1908—2003）——美国的氢弹之父，也没有拿诺贝尔奖。他是匈牙利人，每天会提10个问题，大部分问题是错的，真正有成效的仅是一两个问题，但没有问题就不会有创造。

奥托·哈恩

我国“两弹元勋”邓稼先（1924—1986，中国科学院院士）是杨振宁教授的挚友、同乡、校友。“1971年，当杨振宁（从邓稼先那里）得知，中国两弹全是由中国人自己创造的，情不自禁地流出了眼泪。”[2]邓稼先没有获诺贝尔奖，但是“邓稼先献身的事业，比1000颗太阳还亮！”[3]

恩利克·费米

2500年来，人类思想上有了一个革命性的进展，就是提出了世界由什么构成的。这个问题导致了自然科学的诞生。现在知道了细胞、分子、原子、原子核、中子和质子、夸克。对我们的国民经济发生关系的是到原子核为止，夸克有没有用，现在不知道。至少1940年以前人们不知道原子核有没有用。对物质结构的探索，源于对自然界的好奇，这正是科学发展的动力，也是诺贝尔奖获得者获奖的重要原因。爱因斯坦曾经说过，世界上最美的东西就是“奥秘”。夸克分为上、下、奇、粲、底、顶六种。1995年发现了顶夸克存在的证据，夸克家族算是团聚了。

罗伯特·奥本海默

爱德华·泰勒

邓稼先

丁肇中的贡献就是在1974年找到了粲夸克存在的证据，1976年获诺贝尔奖。1995年找到顶夸克存在的证据时，涉及两个实验组，一组是300多人，另一组是400多人，共800余人！谁拿诺贝尔奖还不知道。科学越来越成为集体的创造。20世纪爱因斯坦一个人同时发表三篇文章，玻尔一个人在一年内发表三篇文章，都是划时代之作。现在是800多人写一篇文章。

DNA双螺旋结构是在1953年由沃森（James Dewey Watson）与克里克（Francis Harry Compton Crick，1916—2004）发现的，这是20世纪三大发现之一。今天的热门话题，基因治疗、蛋白质医学、干细胞等无一不与他们的发现相关。需要指出，沃森当时仅25岁，才在三年前拿到博士学位。克里克虽然年龄较大，但他是从物理学转到生物学，在他与沃森合作时还没有拿到博士学位。事实上，发现DNA结构的文章（依此获诺贝尔奖）是他博士论文的一部分。

丁肇中

总之，诺贝尔奖100年的历史是年轻人的创业史。依博士论文获诺贝尔奖的事例屡见不鲜，除了已经提到过的施里弗（因超导理论获1972年诺贝尔奖）、德布罗意（提出波粒二象性，1924年的博士论文，获1929年诺贝尔奖）和克里克外，还可以列出：

沃森

克里克

1915年布拉格父子，即威廉·亨利·布拉格（Sir William Henry Bragg，1862—1942)及其子威廉·劳伦斯·布拉格（William Lawrence Bragg，1890—1971），因用X射线研究晶体结构而获诺贝尔物理学奖。小布拉格在他父亲从事关键性研究时正在英国剑桥大学读书，他却纠正了父亲的错误而作出了重大贡献，开创了父子同获诺贝尔奖先例。获奖时年仅25岁，至今保持获奖最年轻的纪录。

1961年德国物理学家穆斯堡尔（Rudolf Ludwig M??bauer，1929—2011）获诺贝尔物理学奖。他在做博士生期间（1955年）发现了后来称之为“穆斯堡尔效应”，1958年获博士学位，其博士论文内容正是获奖依据。

威廉·亨利·布拉格

威廉·劳伦斯·布拉格

1973年诺贝尔奖得主之一是布赖恩·戴维·约瑟夫森（Brian David Josephson），1962年他在做英国剑桥大学博士生时发现了“约瑟夫森效应”，1964年获博士学位。

1975年尼尔斯·玻尔之子——奥格·尼尔斯·玻尔（Aage Niels Bohr，1922—2009）也是诺贝尔奖得主之一，他的获奖依据是发现了原子核内集体运动，这正是他博士论文的主要内容。

赫尔斯（Russell Alan Hulse）在麻省理工学院（MIT）跟他导师约瑟夫·泰勒（Joseph H.Taylor,Jr.）读博士时，发现了“脉冲双星”，因此师徒共享1993年诺贝尔奖。

1999年诺贝尔物理奖得主之一是荷兰科学家赫拉尔杜斯·霍夫特（Gerardus't Hooft），因解释弱电相互作用的量子结构而获奖。他的两篇关键论文是在1971年发表的，1972年他获博士学位。

穆斯堡尔

布赖恩·戴维·约瑟夫森

奥格·尼尔斯·玻尔

赫尔斯

约瑟夫·泰勒

上面一些例子充分证明了博士生是科学研究的主力军。笔者记得，在1998年6月1日江泽民同志在院士大会上，列举了20多位科学家、发明家，包括22岁发明微积分的牛顿，32岁提出日心说的哥白尼，22岁开始环球航行的达尔文，29岁发明留声机、31岁发明电灯的爱迪生，29岁发明电话的贝尔，31岁发现镭的居里夫人，26岁提出相对论、用量子论解释光电效应的爱因斯坦，李政道31岁时、杨振宁35岁时因发现“弱作用中宇称不守恒”，开辟华人物理学家获诺贝尔奖的先例……

赫拉尔杜斯·霍夫特

李政道

杨振宁

笔者认为，世界上有名的一流大学，之所以称为一流，除了有大师外，最重要的是有一批风华正茂、思维敏捷的优秀博士研究生，他们在充满好奇与激情、充分发挥民主的欢乐集体中日夜奋斗。

一流大学、一流科研院所好像是一个旺盛的炉子，好铁进了这样的炉子必然会被炼成好钢。有了这样的炉子，我们离诺贝尔奖就不太远了。

【注释】

[1]本文是2001年12月26日在上海图书馆的演讲，部分内容发表于2002年2月3日《文汇报》；在收入本书时作了修改。

[2]徐胜兰等，《杨振宁传》，第207页，复旦大学出版社。

[3]同上书，第202页。