美國物理學家大衛(wèi)·丹尼森與密歇根大學

李振楠 尹曉冬

摘 ? 要 ? 大衛(wèi)·丹尼森是20世紀美國理論物理學家，他為當時密歇根大學物理系成為理論和實驗分子研究的世界中心作出了重要貢獻。依據(jù)密歇根大學對丹尼森進行的口述采訪、相關(guān)資料，研究與探討丹尼森的生平、科學成就及他為密歇根大學物理系所做的貢獻。

關(guān)鍵詞 ? 大衛(wèi)·丹尼森 ?理論物理 ?紅外光譜 ?原子理論 ?量子理論

中圖分類號 ? ?N09： O4-09

文獻標識碼 ? ?A

20世紀初期，相對論、量子力學先后在歐洲誕生，構(gòu)成了現(xiàn)代物理學的基本框架。相較于歐洲，美國物理學處于明顯落后狀態(tài)，尤其是在理論物理學方面。隨著第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，歐洲和美國的物理學家們都面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)。20世紀20年代開始，美國物理學界展開了一系列以提高物理學理論研究水平為目的的自我改進運動[1]，這讓美國物理從20世紀30年代開始迅速走向物理學研究的國際最前沿（[2]， pp. 60—61）。美國的各個大學依靠若干大基金會的資金支持，在短短十幾年的時間里，培養(yǎng)并引進了大量高質(zhì)量的理論物理人才。在這些高等院校中，最成功的改進典范當屬密歇根大學——不僅培養(yǎng)物理學者前往歐洲學習最先進的物理知識，同時引進歐洲的優(yōu)秀理論物理人才。20世紀30年代，密歇根大學物理系成為理論和實驗分子研究的世界中心，這不僅歸功于幾代物理系主任的不懈努力，也歸功于為物理系付出心血與年華的人。自1841年密歇根大學物理系創(chuàng)建，到1965年，共有5位物理系的系主任（表1）。大衛(wèi)·丹尼森（David Dennison，1900—1976，圖1）作為密歇根大學物理系的第五任主任，不僅是物理系所取得成就的見證者，更是參與者。

以研究生的身份進入密歇根大學物理系后，丹尼森憑借自己敏銳的直覺、大膽的嘗試，完成密歇根大學物理系的第一篇理論物理文章，使物理系主任認識到發(fā)展理論物理的重要性并及時采取措施。留歐回來，丹尼森以講師的身份重返密歇根大學物理系后，便再也沒有離開過。40多年以來，他一直堅持科研與教學并重，不僅為理論物理發(fā)展作出重要貢獻，同時培養(yǎng)出眾多理論物理人才。本文希冀能從丹尼森的人生經(jīng)歷管窺當時的理論物理在密歇根大學及美國的發(fā)展狀況。論文對丹尼森的研究一方面參考他發(fā)表的學術(shù)著作——包括約百篇論文和8本書籍，其中有5本書籍收藏于密歇根大學的賓利（Bentley）圖書館，另外3本分別收藏在密歇根大學的布爾（Buhr）圖書館、特殊收藏（Special Collections）研究中心和夏皮羅（Shapiro）大學圖書館，另一方面參考美國物理學會網(wǎng)站收錄的1964年1月對丹尼森進行的詳盡的電子版口述訪談。

一 ? 科學萌芽

大衛(wèi)·丹尼森出生在俄亥俄州奧伯林的一個學術(shù)氛圍濃厚的家庭里，父親沃爾特·丹尼森（Walter Dennison）是當時奧伯林學院（Oberlin College）的古典教授，母親名叫安娜格林（Anna L. Green）（[3]， pp. 220—222）。

1902年，由于父親轉(zhuǎn)到了密歇根大學教授拉丁語和希臘語，兩歲的丹尼森和家人搬到密歇根州的安娜堡（Ann Arbor， Michigan）。對于父親沃爾特來說，能回到自己研究生期間就讀過的密歇根大學來任教是一件很棒的事情。父親的這種“尋根”思想深深地影響了丹尼森，也由此開始了他與密歇根大學的“不解之緣”; 七歲時，父親利用帶薪休假的一年，帶著全家人去了意大利的羅馬。這一年丹尼森覺得非常孤單，因為住處周圍都是貴族孩子，他無法和他們一起玩耍。盡管如此，丹尼森還是找到了自己熱愛的東西——他開始對各種移動輪子類的機械感興趣并癡迷地看著它們旋轉(zhuǎn)，朦朧的科學興趣在丹尼森的內(nèi)心漸漸生根; 十歲時，全家搬到了賓夕法尼亞州的史瓦茲摩爾（Swarthmore， Pennsylvania），在這里，丹尼森繼續(xù)他的小學教育。頻繁的搬遷，使得丹尼森的性格變得相當安靜、內(nèi)向、害羞。

在史瓦茲摩爾，丹尼森家附近的一位教會牧師每周會給附近的男孩子們講授數(shù)學知識或做科學實驗，丹尼森覺得很有意思，他很喜歡參加，對自然科學的興趣在他心中悄悄地發(fā)芽。這種興趣持續(xù)伴隨著他，他長大之后，也同樣喜歡收藏科學儀器——比如輪船航海經(jīng)線儀、精加工的車床、精致照相機、物理擺、來自二戰(zhàn)轟炸瞄準器的陀螺儀，等等。對科學儀器的觀察促進了他探索科學的興趣。一個有趣的例子是，多年后丹尼森發(fā)現(xiàn)放在家中地下室樓板梁上的傅科擺過了幾個星期后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，他好奇地進行探究并判斷這是由于一個系統(tǒng)誤差造成的，這些奇妙的發(fā)現(xiàn)使他能一直擁有不斷探索科學的樂趣。

二 ? 從數(shù)學轉(zhuǎn)向物理

1917年，丹尼森進入史瓦茲摩爾學院主修數(shù)學①，同年3月父親的離世，令他的大學生活變得艱難起來。為了能完成學業(yè)，丹尼森的母親在學校的女生宿舍當宿管，丹尼森大一時也獲得了史瓦茲摩爾學院的助學貸款。盡管當時的生活條件很艱苦，丹尼森還是求著母親幫忙買了一本便宜版的《大英百科全書》。他把書中所有與科學相關(guān)的內(nèi)容看完后，深受感觸，同時堅定了自己的人生目標： 今后一定要像父親一樣從事學術(shù)研究。1918年秋——第一次世界大戰(zhàn)快要結(jié)束時，美國加入了戰(zhàn)爭，丹尼森不得不參加了當時的學生軍訓練團。1918年11月18日戰(zhàn)爭結(jié)束后，丹尼森又繼續(xù)他的大學課程。大二時，丹尼森開始學習他的第一門物理課——基礎(chǔ)物理學，但是這門課他既不理解也不關(guān)注，期末成績也偏低。盡管如此，大學時期所上的與物理相關(guān)的課程，讓他清楚地知道自己真正的興趣是數(shù)學和物理，而數(shù)學又讓他看到了物理學中的東西，丹尼森尤其喜歡物理實驗課，在課堂上展現(xiàn)出了優(yōu)秀的實驗操作水平。

到了大三，丹尼森與現(xiàn)代物理學課老師的一次交談真正引起了他對物理學的興趣。他認識到，所有自己感興趣的東西，無論是化學、儀器儀表、生物學、天文學亦或是其它——都是以物理為中心的。在這門課上，丹尼森第一次聽說了玻爾原子理論?！拔也恢浪卸嗝吹拿烂?！”①他對玻爾原子理論很感興趣并希望能有機會繼續(xù)研究。

大三結(jié)束后的暑假，通過一位老師的引薦，丹尼森獲得了在紐約斯克內(nèi)克塔迪（Schenectady）的通用電氣研究實驗室（GERL）兼職的機會。在實驗室里，他第一次看到了物理學家們做實驗的情景，他們專注的工作狀態(tài)使丹尼森覺得物理是一種美麗的知識產(chǎn)業(yè)。丹尼森向?qū)嶒炇抑魅翁岢隽讼胱鲇嘘P(guān)玻爾原子理論方面研究的想法，于是實驗室主任把他介紹給了正在進行原子和分子計算的歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），朗繆爾是丹尼森當時所知道的唯一一個非常關(guān)心量子方面的人（盡管朗繆爾當時對此并不能深刻理解）。暑假還沒過去一半，丹尼森就已經(jīng)跟著朗繆爾進行了許多理論計算工作，但是丹尼森認為這種計算方法有問題并選擇退出，朗繆爾同意了并把他介紹給正在做粉末X射線結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)方面研究的阿爾伯特赫爾（Albert W. Hull）。暑假的后半段，通過赫爾的指導，丹尼森進行冰的晶體結(jié)構(gòu)的實驗研究，并發(fā)表了他人生中的第一篇物理文章——“冰的晶體結(jié)構(gòu)”（The Crystal Structure of Ice），雖然文章內(nèi)容簡短，但是它標志著丹尼森開啟了通往物理專業(yè)的大門。

1921年，丹尼森獲得史瓦茲摩爾學院的學士學位。他拒絕了通用電氣公司實驗室提供給他的繼續(xù)研究的工作機會，而是希望按照大學初期自己定下的目標前進——像父親一樣繼續(xù)進行學術(shù)研究。多年后丹尼森曾回憶道：“當我看到我同事們的兒子們都直接跟隨他們父親的腳步，而不是為他們自己考慮時，我感到的不是傷心，而是不快樂。但恐怕當年的我也自然地做了同樣的事情——追隨了父親的腳步?！雹谝嗳绲つ嵘母赣H在密歇根大學結(jié)束作為研究生的研究后，前往歐洲三年讀取博士學位的事實，這給丹尼森產(chǎn)生了影響，讓他確信自己在完成研究生學業(yè)后也要去歐洲繼續(xù)深造。

沒過多久，在紐約舉辦的一個自然科學會議上，丹尼森遇見了來自密歇根大學物理系的系主任哈德森·蘭德爾（Harrison M. Randall）教授，蘭德爾熱情地邀請他來密歇根大學深造，并為他提供每學年800美元的獎學金。盡管擺在丹尼森面前的有很多大學可供他選擇，但是他毫不猶豫，很快便接受了蘭德爾的邀請，因為密歇根大學不僅是父親就讀和工作過的地方，密歇根大學所在的安娜堡也是丹尼森從小長大的地方，他有著強烈的思鄉(xiāng)和尋根情感。

三 ? 密歇根大學第一篇理論物理論文

1921年秋，丹尼森順利進入密歇根大學物理系。很快，他被沃爾特·科爾比（Walter F. Colby）教授研究的理論物理吸引。雖然之前沒有人告訴過丹尼森，但根據(jù)他對玻爾理論的理解，他確定這就是理論物理學，并明確地向物理系主任蘭德爾教授提出了自己想要做理論物理方向的研究工作。由于美國從事研究的物理學家主要是在實驗物理學方面，密歇根大學物理系的實驗研究也較為優(yōu)秀[2]，而在此之前理論研究還從未被資助過，雖然蘭德爾對他的提議感到非常吃驚，但是明智的蘭德爾還是同意了。蘭德爾教授及他的成員們當時正在進行甲烷的紅外光譜測量，為了方便理論與實驗結(jié)果比對，丹尼森順勢開始進入到了甲烷的紅外光譜理論解釋的工作之中。

另一方面，丹尼森提出做理論物理研究的想法啟發(fā)了蘭德爾教授和科爾比教授，他們意識到物理系在理論物理方面的薄弱并決定采取行動。雖然現(xiàn)實殘酷：沒有基金會支持，缺乏與歐洲物理學家廣泛接觸的國際視野，地理位置和學術(shù)名望都不如哈佛、加州、麻省等名校 [4]。但他們變被動為主動，運用密歇根大學的有利資源： 首先，蘭德爾教授和科爾比教授開始嘗試教授理論物理課程，創(chuàng)新物理系的人才管理制度; ?其次，科爾比教授前往歐洲招募理論物理人才，并在1923年9月將奧斯卡·克萊恩（Oskar Klein）招入麾下; 再次，蘭德爾教授計劃培養(yǎng)已嶄露頭角的學生前往歐洲學習深造。

克萊恩來到密歇根大學之前，是在哥本哈根的理論物理學研究所（1965年改名為尼爾斯玻爾研究所，下文簡稱玻爾研究所）與尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）共事五年，他既是玻爾親密無間的助手又是玻爾非常要好的朋友（圖2）①?？巳R恩的到來無疑將歐洲最新的理論物理研究帶到了密歇根大學物理系。1923—1925年，克萊恩留在密歇根大學物理系的兩年時間里，他一直和玻爾保持通信聯(lián)絡(luò)。在工作上，克萊恩和玻爾討論如何處理當時量子理論面臨的危機、自己正在研究的論文和教學等; ?在生活中，克萊恩迫不及待地向玻爾分享自己第一個兒子出生的喜悅（[5]， pp. 8—9）。

克萊恩到來時，恰逢丹尼森在進行甲烷的紅外光譜理論研究。在論文寫作的內(nèi)容和方法上，他都給予丹尼森非常耐心的指導。通過克萊恩，丹尼森了解了歐洲物理學前沿的發(fā)展情況，他強烈地希望去哥本哈根深入學習[6]。1923年秋，尼爾斯·玻爾來到美國密歇根大學做演講，玻爾順道訪問克萊恩時遇見了丹尼森。丹尼森給玻爾留下了很好的印象，玻爾邀請他前往哥本哈根繼續(xù)研究，這讓丹尼森更加堅定了自己拿到博士學位后，要像父親一樣留學歐洲深造的目標。同時他也意識到，前往哥本哈根需要資金資助。丹尼森主動尋求美國國家科學研究委員會的資金資助，但了解到目前國家科學研究委員會只能提供給他國內(nèi)深造的助學金后，丹尼森婉拒了。

1924年，是丹尼森人生中非常重要的一年：這一年春，通過史瓦茲摩爾學院一個教授的幫助，丹尼森獲得了洛克菲勒基金會給予的兩年歐洲留學——約2000美元的助學金[6]; ?丹尼森和認識一年、來自密歇根州立大學的海倫（Helen Lenette Johnson）訂婚并于8月結(jié)婚，后來他們育有兩個兒子; ?在導師奧斯卡·克萊恩和科爾比教授的指導下，丹尼森完成了自己的博士論文——“甲烷的分子結(jié)構(gòu)和紅外光譜”（The Molecular Structure and Infra-Red Spectrum of Methane），文章于1924年9月刊登在美國《天體物理學雜志》上，密歇根大學的第一篇理論物理學論文就這樣誕生了; ?是年9月，丹尼森帶著他的新婚妻子乘坐斯堪的納維亞美國線（Scandinavian America Line）的赫利格·奧拉夫（Hellig Olav）號輪船前往歐洲哥本哈根的玻爾研究所。1926年夏天，丹尼森再次前往歐洲的蘇黎世大學留學一年。

四 ?歐洲求學

剛來到哥本哈根的一段時間里，丹尼森就感受到了競爭與壓力。1924—1926年，幾乎所有優(yōu)秀的物理學家都來到了玻爾研究所：維爾納·海森伯（Werner Heisenberg）、克拉默斯（Hendrik Kramers）和仁科芳雄（Yoshio Nishina）大多數(shù)時間都在這里; ?洪特（Friedrich Hund）、泡利（Wolfgang E.Pauli）、拉爾夫·福勒（Ralph Fowler）、狄拉克（Paul Dirac）、烏倫貝克（George E. Uhlenbeck）和高德思密特（Samuel A. Goudsmit）等很多物理學家都來過這里。這里的物理學家們工作優(yōu)秀，彼此間競爭激烈，丹尼森非常擔心自己會陷入創(chuàng)造力枯竭的尷尬境地，并極力想要擺脫這種困境。他嘗試向玻爾提出處理異常塞曼效應的想法，結(jié)果并未成功。于是丹尼森繼續(xù)沿著他的博士論文方向進行分子譜分析。但更多的時間里，丹尼森是在了解和學習玻爾研究所甚至是整個歐洲的物理學最新進展。那時候的歐洲，物理學家們?yōu)閿[脫物理困境所提出的各種觀點層出不窮、討論激烈，他對此非常感興趣并奔走于歐洲各地，盡可能多地參加會議并與物理學家們積極交流。

1926年，在即將結(jié)束哥本哈根的兩年研究時，密歇根大學的蘭德爾教授尚未準備好新的職位給丹尼森①，但又非常想留住他，因此便給予資金資助他繼續(xù)在歐洲留學。丹尼森對1926年薛定諤新發(fā)表的三篇著名論文中所提到的波動方程很感興趣，在與薛定諤信件溝通后，于1926年秋前往蘇黎世大學同他一起工作。這段時間，丹尼森經(jīng)常和薛定諤相互探討，但兩人也時常因找不到出路與解決方法而困惑。1926年秋丹尼森完成了一篇分子結(jié)構(gòu)的理論論文，正如他自己所說，寫論文的時候自身都感到非常困惑。盡管丹尼森在量子力學創(chuàng)造之前所做的一些解釋是錯誤的，但是建立的方法確立了后續(xù)分子結(jié)構(gòu)研究的模式。

在歐洲三年的研究時光里，丹尼森見證了量子力學的創(chuàng)造過程。他在1927年春天再次返回哥本哈根玻爾研究所并參加了海森堡第一次不確定性原理研討會，丹尼森后來回憶說： “對我們所有聽過他報告內(nèi)容的人來說，這絕對是一個非常棒的體驗?！盵7]他珍惜每次能來到哥本哈根參加會議的機會，幾十年后——1963年在哥本哈根召開的尼爾斯 · 玻爾紀念會議（圖3），丹尼森也是積極參加。

1927年春——丹尼森在準備返回美國的前夕，來自劍橋大學的拉爾夫·福勒（Ralph Fowler，1889—1944）邀請他前往劍橋大學做三次演講。福勒是20世紀英國劍橋大學的數(shù)學物理學家，他不僅結(jié)束了牛頓傳統(tǒng)在數(shù)學領(lǐng)域的統(tǒng)治的地位，還在劍橋大學確立了數(shù)學物理研究[8]。20世紀20年代，福勒關(guān)注到量子理論，并非常關(guān)注量子物理在英國的傳播與發(fā)展。因此他開始采取行動：一方面，福勒與當時劍橋各個物理領(lǐng)域的前沿人物密切交往;另一方面，福勒曾親自前往哥本哈根的玻爾研究所做相關(guān)研究并保持玻爾與劍橋大學間的聯(lián)系——玻爾每年到劍橋卡文迪許實驗室做講座，劍橋的很多科學家也會來哥本哈根與玻爾進行學術(shù)交流。丹尼森和福勒的相識是在哥本哈根的玻爾研究所，福勒對丹尼森的研究內(nèi)容很感興趣， ?并抓住機會成功地邀請了即將回國的他前來演講。

1927年春末，丹尼森來到了劍橋大學的卡文迪許實驗室，并在這里連續(xù)待了兩個月。丹尼森在舊演講室演講時不禁感到興奮，因為這里的高天花板和陡峭傾斜的長椅都是麥克斯韋多年前使用過的。在第三次演講時，丹尼森提出了之前自己用有關(guān)氫的比熱解釋遇到的問題，突然想到了海森伯1926年對氦原子量子力學處理的影響，另辟蹊徑，成功解決了氫分子比熱的計算值和測量值之間的差異，使解釋符合實驗，福勒對他的演講感到興奮。丹尼森把思路寫成了一篇論文并將手稿的副本郵寄給了玻爾，幾天后他收到了玻爾的回復，玻爾確信這是有關(guān)氫氣比熱的問題的正確解決方案。丹尼森非常高興，他也認為這是一項重要的貢獻，于是把論文發(fā)表在倫敦皇家學會會議上。這篇文章非常有意義，它提供了第一個定量質(zhì)子自旋的證據(jù)，由此丹尼森發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子的自旋。雖然對于世界物理學的研究進步而言，丹尼森只是做出了很小一部分的研究且他很快就離開了歐洲，但對氫的比熱的理論解釋是新的量子理論在簡單二體模型上的首次應用，成為了丹尼森在歐洲三年里最重大成就，并因此在分子物理界享有盛名。

20世紀20年代，世界物理學正處于舊量子理論衰弱、新量子理論逐漸強大的過程中。在歐洲的三年，丹尼森游走于世界物理學的研究中心： ?哥本哈根的玻爾研究所、瑞士的蘇黎世大學、英國劍橋大學的卡文迪許實驗室。他接觸到一大批物理學界的領(lǐng)軍人物，汲取最前沿的理論物理知識與方法。他曾看到維爾納·海森伯的第一篇矩陣力學手稿文章、埃爾溫·薛定諤第一次嘗試運用相對論力學的復印版手稿。丹尼森努力嘗試理解著這些前所未有的概念： ?薛定諤理論、氫原子波動方程……丹尼森是量子力學誕生的見證者更是親歷者，他不僅得到了理論物理知識的提升，而且對世界物理前沿有了更客觀的認識，為其回到密歇根大學奠定了堅實的基礎(chǔ)。

五 ? 重返密歇根大學物理系

1927年，丹尼森返回美國密歇根州安娜堡，成為密歇根大學物理系的一名講師[3]。在教學的同時，他開始了新興的紅外光譜學的實驗研究，先后對水蒸氣、甲烷、二氧化碳、氨和甲醇等簡單分子進行光譜解釋。這些分子實驗測量工作在以蘭德爾為領(lǐng)導的密歇根大學的實驗項目上展開。長期以來，丹尼森的理論研究都緊密地與團隊們所得到的實驗數(shù)據(jù)相聯(lián)系，并在紅外光譜學實驗中展現(xiàn)出強大的帶頭和引領(lǐng)作用。

物理系還雇傭了三位年輕、潛力無限的理論物理研究者：研究光譜學的拉波特（Otto Laporte）①、1925年發(fā)現(xiàn)電子自旋的烏倫貝克和高德思密特。丹尼森在物理系的隊伍中迅速崛起并于1935年成為正教授。1928年，在得到了蘭德爾和科爾比教授的強烈支持后[9]，這四位年輕人開始著手推進物理系夏季理論物理研討會的舉辦，旨在使密歇根大學物理團隊產(chǎn)出更多的優(yōu)秀成果和在全美獲得更高的聲譽。

七 ? 結(jié)語

1955—1965年，丹尼森擔任密歇根大學物理系主任，并于1970年以名譽主任的身份退休，但直到1976年去世以前，他都堅持進行物理研究。在密歇根大學任教的44年間，丹尼森獲得了諸多榮譽： 1951年，被任命為第七屆純物理和應用物理國際聯(lián)盟大會的代表; 1952年， ?被選為密歇根大學的亨利羅素（Henry Russel）講師①，獲得高級教師的榮譽; 1953年，被選為美國國家科學院院士，并獲得美國物理學會的獎金; 1963年，獲得密歇根大學的杰出教師成就獎;1964年，成為密歇根大學研究俱樂部的主席; 1975年，受邀參加法國圖爾市舉辦的第四屆分子光譜學的國際性學術(shù)會議并主講，獲得了圖爾市的榮譽居民稱號。1976年，密歇根大學新建的物理天文大樓以丹尼森的名字命名，不僅是由于他是建成這座建筑的主動力，同時也是為了紀念丹尼森所取得的科學成就。

縱觀丹尼森的一生，他恰好生在了近代物理學發(fā)展最充滿機遇與挑戰(zhàn)的年代之中。美國、歐洲理論物理學發(fā)展的不對等，使他成為了兩個地區(qū)間的眾多聯(lián)絡(luò)者之一，他將歐洲先進的理論物理知識及研究方法帶回美國、帶回密歇根大學，將自己毫無保留地奉獻給熱愛的科研與教學。丹尼森不僅為密歇根大學成為理論和實驗分子研究的世界中心貢獻了一份力量， 還培養(yǎng)出三位優(yōu)秀的中國物理學者，為中國物理學的發(fā)展及人才培養(yǎng)做出了重要貢獻。

參考文獻

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Abstract：David Denison was an American theoretical physicist in the 20th century， who contributes a lot to make the department of physics of the university of Michigan become the world center for theoretical and experimental molecular research. According to the oral interviews conducted by the university of Michigan and relevant materials， this paper makes a research and discussion on Denison's life， scientific achievements and his contributions to the department of physics of the university of Michigan.

Keywords： David Denison， theoretical physics， infrared spectrum， atomic theory， quantum theory