堪稱“天才教師”的物理學家
——哈斯

李 維 張瑞云

(1. 天津師范大學教師教育學院,天津 300387； 2. 天津市耀華中學,天津 300040)

哈斯(Arthur Erich Haas,1884—1941)是現代量子理論的重要創(chuàng)始人之一．哈斯一生涉獵廣泛,除了物理學,他還對科學史及法律史感興趣．作為一位科學家,他在科學生涯的早期為量子物理學的發(fā)展做出了重要貢獻,并終身從事宇宙論的研究,為宇宙的起源研究提供了重要的知識基礎．作為一名資深的科學教育家,他一生成功地進行了上千場科學講座,并撰寫了多部流傳廣泛的教科書,愛因斯坦因此稱他為“天才教師”．本文在概述哈斯生平的基礎上,對哈斯的科學貢獻和教育貢獻進行簡要闡述．

1 生平

哈斯1884年出生于摩拉維亞的布魯恩(今布爾諾)．哈斯家境殷實．他的祖父是當地猶太社區(qū)的醫(yī)生,他的父親曾在維也納學習法律．哈斯從小擅長學習,上中學后尤其喜歡物理和歷史,并學會了流利地使用拉丁語和希臘語．1902年,他以優(yōu)異的物理和數學成績畢業(yè)．同年,他進入他的祖父和父親曾經就讀過的維也納大學．雖然他的父親希望他學習法律以繼承父業(yè),但哈斯仍然決定學習物理學．在大學二年級期間,哈斯受到了波爾茲曼的影響．1905年,哈斯準備跟隨波爾茲曼做博士論文．玻爾茲曼建議他以熱力學第二定律的關鍵歷史分析為選題,但還沒來得及討論論文的細節(jié),玻爾茲曼就病倒了．在沒有指導的情況下,哈斯選擇了一個科學史課題——“古代的光理論”進行了研究．在某種程度上,他的選擇取決于他對希臘語和拉丁語的精通,這使他能夠順利閱讀原文．在短短3個月內,他即完成了學位論文,并被評為優(yōu)秀．雖然哈斯是玻爾茲曼最后一個學生,但玻爾茲曼沒能參加哈斯的論文答辯而于1906年9月自殺,一個月后哈斯以優(yōu)異成績畢業(yè),獲得博士學位并提交論文出版．

玻爾茲曼的去世讓哈斯對未來的職業(yè)生涯猶豫不決．他于1907年服兵役一年,后因身體原因退役并返回維也納．在博士畢業(yè)之后的這段時間里,哈斯又撰寫了幾篇有關科學以及科學發(fā)展的哲學與歷史方面的文章.這也是他科學思想發(fā)展的一個形成時期,反映了他對物理思想起源和演變的興趣．1908年圣誕節(jié),哈斯完成了關于能量守恒概念發(fā)展的論文并作為特許任教資格論文提交給維也納大學．盡管論文的哲學思想贏得了很高的贊譽,但終因物理內容不足而被退回．繼而,哈斯于1910年又將他的關于黑體輻射光譜理論的論文再次提交給維也納大學．這次雖又被拒絕,但獲得了在維也納科學院的期刊上發(fā)表的機會．這促使他就這一主題又撰寫了兩篇論文,希望能引起德國科學界的關注．1911年秋天在比利時布魯塞爾首次舉行的索爾維會議上,有很多重要的物理學家出席．洛倫茲注意到哈斯的論文,并將之放在會議議程上．[1]根據與會專家的建議,哈斯提交了他關于能量守恒原理發(fā)展的第一篇論文以及另外一篇關于電子在帶正電的球體中的平衡位置的出版物,作為新的特許任教資格論文提交．哈斯因此于1912年8月獲得了維也納大學科學史專題講座的權利．

由于萊比錫大學醫(yī)學史專家蘇德霍夫的賞識與推薦,哈斯于1913年秋天來到了萊比錫大學．1914年8月,第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā),從而減緩了哈斯的研究工作．1916年春天開始,哈斯結合自己多年的講座稿開始著手研究理論物理教科書的寫作．1918年12月,“理論物理學導論”出版,這本書被譽為第一本現代理論物理教科書,并立即成為科學暢銷書．1919年1月,哈斯辭去萊比錫大學的職務并返回維也納．

1923年,哈斯被提升為維也納大學名譽教授,而這似乎并未能滿足哈斯年輕時曾為自己設想的職業(yè)發(fā)展速度．由于他上一本書的成功,他決定多關注教材編寫這樣的科學教育工作．由于偶然的邂逅,1924年9月8日哈斯與比他小12歲的德國新娘結婚．由于數學和法律方面的專長,哈斯于1925年被提名為維也納科學院的精算師．1926年哈斯出版了“原子世界”一書,1928年又出版了他最成功的著作“物質波與量子力學”．同年,哈斯還在美國期刊“科學月刊”上發(fā)表了他的第一篇文章,向公眾介紹原子能．雖然這是他第一次在美國期刊上發(fā)表文章,但哈斯自1926年以來一直在加強與美國的專業(yè)聯(lián)系．1927年初,哈斯首次訪問美國,歷時兩個月．在此期間,他發(fā)表了題為“原子作為能源”的主題演講．其后,哈斯在1930年至1931年期間又訪問了美國的五十所大學．

1934年,哈斯終于有機會在美國擔任教職,在塔爾曼基金會的支持下,緬因州鮑登學院為他提供了一個訪問職位．1936年,根據諾特丹大學校長奧哈拉的科學計劃,諾特丹大學準備公開招聘一個在新安裝的靜電加速器上進行科學研究的實驗職位．盡管哈斯不符合招聘條件的工作要求,但愛因斯坦在推薦信中肯定了哈斯在國際物理學界擁有的巨大知名度和認可價值,以及哈斯在其職業(yè)生涯中所表現出的優(yōu)秀教學才能．愛因斯坦的來信說服了奧哈拉向哈斯提供這個職位．1936年8月31日至9月12日,哈佛大學舉行了成立300周年的紀念慶祝活動．在會議上,哈斯與美國數學學會和美國天文學會共同組織了關于宇宙學部分的演講．對于哈斯而言,這是一個值得驕傲的時刻,他在科學生涯的巔峰時期與兩位科學英雄——愛因斯坦和愛丁頓齊名．參加此次會議使哈斯有機會成為美國科學界的正式成員,并成功地建立了新的聯(lián)系,特別是與哈佛大學的天文學家沙普利建立了聯(lián)系．他支持哈斯1937年當選為美國科學促進會的一名成員,這是一項罕見的榮譽,很少有物理學家能夠實現．更重要的是,在宇宙起源的大爆炸理論之父勒梅特訪問美國期間,哈斯在諾特丹大學組織了第一次宇宙學國際會議,并吸引了該領域的百余名專家參會．1940年11月22日,感恩節(jié)晚宴結束后,哈斯坐火車去芝加哥參加美國物理學會秋季會議．離開酒店時,他中風并癱倒在地上．哈斯于1941年2月20日去世．

2 科學貢獻

哈斯的科學貢獻主要集中于量子物理學和宇宙論兩個方面．

2.1 對量子物理學的貢獻

波爾曾盛贊哈斯是“第一批對基于量子理論和原子模型的光譜解釋感興趣的人之一”．在1909年,哈斯注意到普朗克的黑體輻射理論盡管能夠預測整個頻率范圍內的頻譜,但普朗克本人只是將其視為數學技巧而非物理現實．普朗克常數h作為一種新的基本常數出現,哈斯試圖搞清其物理意義．[2]他認為湯姆遜的氫原子模型可以為普朗克的黑體輻射理論提供物理意義．哈斯假設電子位于半徑為a的球面上運動,球心帶等量正電荷,兩者之間的庫侖力提供電子運動的向心力,通過創(chuàng)造性地比較電子勢能與普朗克能量子的能量,哈斯發(fā)現普朗克常數h2與球半徑a之間存在正比關系．受哈斯研究工作的啟發(fā),3年后玻爾在其原子模型框架中進一步推導出玻爾半徑．

哈斯不僅預測了普朗克常數與基態(tài)氫原子尺寸之間的關系,而且還試圖為原子光譜中的里德伯常數以及經驗的巴爾末公式等其他唯象的參數或規(guī)律提供物理解釋．此外,他還針對當時的兩個基本粒子——電子和質子,估算了它們的質量比以及尺寸比．[3]

2.2 對宇宙論的貢獻

哈斯對宇宙論的興趣源于學生時代受到的玻爾茲曼思想的影響．早在1907年春天,他就撰寫并發(fā)表了“物理發(fā)展的一般規(guī)律及其與熱力學第二定律的關系”一文．這是哈斯有關宇宙論的第一篇論文,他論證了宇宙的熱寂態(tài)是熱力學第二定律的必然結果．同年,哈斯出版了他的第一部宇宙學專著．在書中,他根據基本物理定律和基本物理常數,得出了宇宙的演化只需要一個有限時間的結論．1912年以后,哈斯進一步認為宇宙的熵的凈和是恒定的.這意味著宇宙一部分的熵在增加的同時,另一部分的熵則在減少,反之亦然,熵流方向隨時間波動．另外,由于當時核反應的可能性尚不清楚,因此普遍認為所有放射性元素都會通過鈾或其他尚未發(fā)現的放射性母元素釋放α粒子的方式而向較輕的元素衰變．如果宇宙是無限的,那么各個母元素的質量必須趨于無窮大,因為每個衰變過程都需要能量釋放．這種能量的釋放勢必要求當前宇宙中的溫度必須遠高于目前觀測到的溫度．這些是哈斯論證有限宇宙的兩大理論支柱,并且終生都沒有改變．

受哈勃河外星云研究的影響,1930年夏,哈斯建議通過比較宇宙的引力能量來確定宇宙的大小和質量密度．哈斯認為引力能的絕對值必須等于或小于宇宙質量中包含的總能量．如果假定宇宙的半徑,則可以導出密度,反之亦然．他在1930年由“自然”雜志出版的一篇論文中采用了這種估算宇宙尺寸的方法．其中哈斯利用愛因斯坦方程和哈勃在1926年引用的宇宙質量推導出膨脹速度,得到的值2000 km/s與當時觀測到的最遠星云的膨脹速度相當．

1932年,哈斯考慮通過宇宙學參數進一步解釋普朗克常數的可能性．哈斯取宇宙半徑R和電子運動半徑a的比值A,并推導出立方項A3應為3個宏觀通用常數——宇宙質量M、宇宙半徑R和光速c的乘積與普朗克常數h的比值,推進了宇宙的宏觀維度與微觀粒子的微觀維度之間的密切關系的論證．

3 教育貢獻

哈斯的教育貢獻主要體現在科學講座與教材編寫兩個方面．

3.1 科學講座

哈斯的講座始于1912年他進入維也納大學首次講授物理學史之際． 哈斯為了精心準備講座,擱置了大部分以前用于研究的時間．僅1912年,就參加了180多場活動．

尤其是1927年初,哈斯首次訪問美國,歷時2個月．在此期間,他發(fā)表了題為“原子作為能源”的主題演講．他的第二個演講題目是“客觀與人的物理學”,同年在“科學”雜志上發(fā)表．在這次訪問中,哈斯在耶魯、普林斯頓、哥倫比亞、麻省理工等大學講學,他總共訪問了東海岸和中西部的26所院校．這些邀請反映了哈斯在學術界享有的聲譽．

1930年至1931年期間,哈斯又訪問了美國的50所大學．他進一步修改了他的主題,講授“原子的現實”,“物理定律與相對論”以及“原子與宇宙”等內容．所有人都對他的講座產生了巨大的興趣．堪薩斯工業(yè)家雜志在1931年3月哈斯訪問堪薩斯州立大學時曾報道說:“在科學講座時只有站立的空間是不尋常的,但它就發(fā)生在3月6日星期五的晚上．大量的觀眾擠滿了化學報告廳并溢出到報告廳外,只是為了聽維也納大學物理學教授哈斯博士發(fā)表關于科學的演講”．

3.2 教材編寫

早在1914年,哈斯就有了編寫理論物理教科書的想法,但由于一戰(zhàn)爆發(fā)而受到擱置．1918年12月,“理論物理學導論”出版,這本書被譽為第一本現代理論物理教科書．該書的第2版于1921年由萊比錫的德古意特出版社出版．1923年,又出版了該書的修訂版．這本書在以后的10年中取得了巨大的成功,直到1934年被納粹政府禁止．然而幸運的是,早在1924年該書已經被翻譯成英文,并隨后有多種英文版本在英美國家流行．在1930年“自然”雜志的一篇書評中說,“這本書具有哈斯教授出版物一貫清晰而精確的風格,是非常難能可貴的”．這本書為他作為一名科學作家的成功奠定了基礎,并有多家出版公司向他尋求新版本的書稿．

1919年1月,哈斯在返回維也納大學以后,計劃將他有關現代物理學方面的講座整理發(fā)表在一本面向非專業(yè)人士的書中,該書取名為“新物理學的本質”,于1920年在萊比錫出版．這本書涵蓋了現代物理學的各個方面,并取得了巨大的成功．該書的第2版于1924年出版,第3版于1932年出版．1923年,該書被譯成英文,英文第2版于1930年出版．這一時期,哈斯還在撰寫另外一本側重于矢量和張量理論在電動力學中的應用的教科書．對于年輕學生來說,這是一本具有挑戰(zhàn)性但卻非常重要的書．但哈斯把該書寫得清晰簡潔,因此被廣泛用作大學教科書．

1926年,哈斯出版了“原子世界”一書．該書全面涵蓋了20世紀的新物理學,從經典物理學的物質和電學原理出發(fā),一直講到新近的光量子理論及其實驗基礎以及玻爾的氫原子模型．書中還基于索末菲的理論探討了多電子原子系統(tǒng)以及具有轉動和振動帶的復雜分子系統(tǒng)的光譜學描述．除了描述原子的世界,該書的最后部分還探討了原子核的問題．在這方面,他總結了放射性現象,甚至還編入了關于恒星元素形成的理論．

1928年4月,哈斯又出版了他最成功的著作“物質波與量子力學”,這是對此前10年間現代物理學快速發(fā)展的全面概述．該書介紹了從德布羅意到薛定諤與海森伯階段量子物理學的發(fā)展以及量子統(tǒng)計的概念、玻色-愛因斯坦統(tǒng)計與費米統(tǒng)計的原理等．這本書取得了巨大成功,第2版于1928年11月出版,第3版于1929年12月出版．英語和法語版本分別于1928年和1930年出版．1934年5月,又發(fā)行了該書的修訂版．同年,哈斯還在美國期刊“科學月刊”上發(fā)表了他的第一篇關于原子能的文章．盡管鐳衰變產生能量釋放當時已經成為物理學界公認的現象,但那時還沒有人完全開發(fā)出進行必要測量的實驗方案．通過這篇文章,哈斯成功地向公眾推廣了科學界以外仍不受歡迎的科學概念．

1929年,哈斯根據他在維也納物理化學學會的若干講座出版了一本書． 人們普遍認為,這本名為“量子化學導論”的書第一次使用了“量子化學”這一表述,現在這個術語已被廣泛使用．該書涵蓋了化學周期性、化學結合、電子構型以及分子結構等主題．

1933年,哈斯在德國斯普林格出版社出版了一本名為“為每個人的物理學”的科普書． 他在書中特別談到了最新技術發(fā)展蘊含的物理原理,諸如照相機、無線電、有聲電影、渦輪機以及X光機等．該書再次取得了巨大成功而且銷路很好．成功是如此之大,以至于哈斯在1934年又迅速跟進了一本專門用于介紹有聲電影原理的小冊子．

1934年,哈斯出版了“物理學的宇宙邏輯問題”一書．這本書被認為是最早的宇宙學教科書之一．該書不僅在前面章節(jié)針對普通讀者介紹了包括河外星云的觀測、宇宙膨脹、宇宙年齡等新近的宇宙學知識,而且在書的偏后部分探討了宇宙能量的估算、有限宇宙模型參數的推導等專業(yè)性較強的問題．該書雖然是用德語寫成,但出版后不久即被“自然”雜志的匿名書評將其描述為“專家和非專家皆適用的主題優(yōu)秀而客觀的總結”．

繼這些出版物之后,哈斯于1935年根據他在維也納大學的講座出版了一本名為“化學元素轉化”的新書．這本書總結了近年來核物理學的發(fā)展,并特別介紹了通過新儀器、新技術獲得的成就,例如通過質量分離器和粒子加速器進行核反應以及通過新的輻射檢測技術確定反應產物等．

4 結束語

縱觀哈斯的一生,由于求學期間深受玻爾茲曼學術思想的影響,哈斯畢生都在探索世界的相關性和系統(tǒng)性,在量子物理與宇宙學領域尋求基本概念與自然常數之間的聯(lián)系．哈斯興趣廣泛,文理皆通,不僅善于從歷史與哲學的高度提出解決物理學基本問題的方向,而且為他從全局的視野把握物理學發(fā)展的前沿,條理清晰地組織講座線索和教材結構奠定了堅實的基礎．在20世紀初物理學快速發(fā)展的時期,哈斯不愧為一位積極投身科學研究并在科學教育領域做出了重要貢獻的“天才教師”．