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第二章 以科學為根本 第一節

第二章 以科學為根本

第一節

葉企孫發起的談話會在吳宓的日記里有著詳細的記述:
為何要報物理學專業?
正如陳寅恪所言,在留學生中,「其希慕富貴」者大有人在。翻看史料,始知留洋熱非自今日始。中國留學史上,第一個留洋生乃是畢業於美國耶魯大學的容閎。以後又有120名公費幼童生赴美留學。從1901年到1908年,去日本留學的就有37850人,按「庚子賠款」派送到美國留學者有869人。另有途徑去德、英、法諸歐洲國家留學的也大有人在。因此,這很可能是中國歷史上第一次留洋熱。
日記中所謂魯濱遜造船一事,在該篇日記正文旁,葉企孫寫一小注:「上午讀本課,讀至魯濱遜造船一節,魯濱遜造船時,未預計造船后能否下水,最後雖造成,卒無下水之法。不免徒勞無功矣。孔子曰,凡事預則立,吾觀於此事信然。」
吳有訓幾乎是循著師哥葉企孫的腳印來到芝加哥大學物理系的,從那時起,他們就結下了深厚的友誼,之後雖經半世風雨,卻能始終不渝。
繼葉企孫、吳有訓、陳岱孫等第一代留學生為祖國爭得榮譽之後,又有更多的第二代、第三代甚至第四代學生相繼在大洋彼岸獲得了成功,他們是王淦昌、施士元、王竹溪、趙九章、彭桓武、鄧稼先、錢三強、錢學森、李政道、楊振寧、吳健雄等等,但若溯本尋源,追索誰是第一個在近現代科學界為中華民族贏得榮譽的人,非葉企孫先生莫屬。
中國之哲學、美術,遠不如希臘,不特科學為遜泰西也。但中國古人,素擅長政治及實踐倫理學,與羅馬人最相似。其言道德,唯重實用,不究虛理,其長處短處均在此。長處,即修齊治平之旨。短處,即實事之利害得失,觀察過明,而乏精深遠大之思。故昔則士子群習八股,以得功名富貴;而學德之士,終屬極少數。今則凡留學生,皆學工程、實業,其希慕富貴,不肯用力學問之意則一。而不知實業以科學為根本。不揣其本,而治其末,充其極,只成下等之工匠。境遇學理,略有變遷,則其技不復能用,所謂最實用者,乃適成為最不實用。至若天理人事之學,精深博奧者,亘萬古,橫九垓,而不變。凡時凡地,均可用之。而救國經世,尤必以精神之學問(謂形而上之學)為根基。乃吾國留學生不知研究,且鄙棄之,不自傷其愚陋,皆由偏重實用積習未改之故……夫國家如個人然,苟其性專重實事,則處世一切必周備,而研究人群中關係之學必發達。故中國孔孟之教,悉人事之學。而佛教則未能大行於中國。尤有說者,專趨實用者,則乏遠慮,利己營私,而難以團結,謀長久之公益。即人事一方,亦有不足。今人誤謂中國過重虛理,專謀以功利機械之事輸入,而不圖精神之救藥,勢必至人慾橫流,道義淪喪,即求其輸誠愛國,且不能得。西國前史,陳跡昭著,可為比鑒也。(《吳宓日記》1917-1924卷,1919年12月14日)
葉企孫對待學問很有中國古代士子的風骨,謙虛謹慎、不驕不躁,不虛美、不隱惡,既有持之以恆之毅力,又有壯士斷腕之果敢,和他相處,點滴交融耳濡目染,使陳岱孫獲益頗大。陳岱孫以葉企孫所取得的學術成就為榮,葉企孫也熱情鼓勵這個學業上刻苦努力的小兄弟。陳岱孫確也有絕不服輸的性格,「那時,我是個小夥子,班上有五十多歲出過著作的學者,他們不把我們當回事,我要和他們比試比試」。整整4年,陳岱孫從不外出遊玩,在圖書館中專用的小房間發奮讀書。「競爭十分激烈,我是連滾帶爬地讀完了書。」終於到畢業之際,陳岱孫因學習成績傑出,榮獲了美國大學生的最高獎——金鑰匙獎。1927年,當陳岱孫從國外返回清華任教時,葉企孫已經在清華多時了。
葉企孫顯然注意到了芝加哥大學物理系和邁克爾遜本人對中國意味著什麼。雖然當時物理學的研究中心在歐洲,但他沒有選擇,只能在美國就學。可是學子們都有選擇專業的自由。於是葉企孫選擇了芝加哥大學最值得誇耀的專業——物理學。
美國科學院院報和美國光學學會學報爭相發表了葉企孫他們的論文,盛讚這是「一個偉大的進步」。國際科學界很快表態,認為葉企孫們的測定是當時最精確的h值。
當時愛因斯坦已經開始考慮認同量子理論引力理論。同時,愛因斯坦提出了普朗克公式與新原子理論之間的新聯繫。他向貝索介紹他的新論文時說:「關於輻射的吸收和發射,我想出了一個非常好的主意。從普朗克公式得到了非常簡單的推論,所有的事情都是代數形式的。」
在另一篇文章中,愛因斯坦指出光線不是以球形波的形式發射的,而是具有一定方向的針狀發射,由於這種發射輻射,導致分子向相反的方向移動一個確定的距離。這種觀點很像愛因斯坦1905年的「啟發性觀點」——光線是一串粒子。
……葉君來。葉君自喜其熱心,凡事拘執操切,責人綦嚴,實則旨義非高,宓極苦之。
普朗克,一個歐洲物理界的神話,即使是偉大的愛因斯坦,面對這個神話般的人物,他內心最能表達的情感也只能是「兒子想說給父親的話」。1947年10月4日,當普朗克走完他的人生旅途后,在美國科學院的一個追悼會上,愛因斯坦充滿感情地說:「我十分榮幸,和他在一起的日子是永遠難忘、大有收穫的。他一直追求永恆的事物,同時也積极參与人類日常的任何事情……我在他家裡度過的那段時光,以及與這個偉人面對面地多次談話,在我的餘生中,將一直是最美好的回憶,這永遠不會變,悲慘的命運並沒有把我們彼此分開。」普朗克和愛因斯坦雖然都是物理科學界兩個裡程碑式的人物,但在20世紀初,愛因斯坦的高峰還在隆起,而普朗克的高峰已經築就。選擇了普朗克,就是選擇了物理科學的最高峰。
但是,葉企孫最重要的影響還是給了中國留學生以極大的信心。他的成功使中國科學會駐美分社的會員看到了科學救國的曙光。這一年,葉企孫和會員們又重新制定了駐美分社的有關章程,並開展了一系列的學九_九_藏_書術活動。在葉企孫的影響下,中國留學生在大洋彼岸掀起了一波又一波的科研高潮。
吳宓對留洋之怪現象給予了嚴厲的批評:
顯然,「康普頓效應」受到了嚴重挑戰。
半年之後,葉企孫選擇了一個在當時極為前沿的科研選題——「用x射線方法重新測定普朗克常數」來做他的第一個實驗。
現在物理學的太陽光芒萬丈,凡是被它光照的地方,物質世界不再是原本意義的世界,而被精確地告知,它們是由分子、原子、電子、中子、質子等微觀粒子組成。
世界為之嘩然。
普朗克常數數值的第一個測定者是普朗克本人。他以研究黑體輻射的實驗測量出所得的試驗公式,發現了基本作用量子h,於1900年依據黑體輻射實驗數據導出了黑體輻射公式。愛因斯坦也曾意識到量子概念的普遍意義,但卻是在普朗克提出量子假說若干年之後的事情。在普朗克發表基本作用量子h時,愛因斯坦正在謙恭地尋找工作,即使是一年後,他的父親在不知情的情況下還給一位頗負盛名的物理學教授寫信,請求他為愛因斯坦找一份助手的工作。他說:「我們並不富裕,特別是我的兒子因為得不到工作,因而認為他是我們的負擔,因此感到更加沮喪……不論現在或明年秋天,如果你能為他提供一個助手的位置,我將無限感激你。」
患難之中見真情。這對「有半個世紀以上的友誼」的老朋友,在晚年的時候還在譜寫著可歌可泣的友誼之歌。葉企孫蒙冤入獄,出獄后病體羸弱,當時「文革」正盛,人人自危。陳岱孫卻不畏人言,頂著政治壓力,多次去葉企孫住所看望,饋贈禮品,談笑如初。這一切都給正值霜雪之中的葉企孫以莫大的安慰。1994年,「葉企孫獎」基金設立並《一代師表葉企孫》出版之際,陳老欣然題詞:「哲人往矣,風範長存」,以此遙寄自己對老友的一腔深切懷念。
這個選擇的隱秘動機叫「科學救國」。
實際上,葉企孫並不是第一個選擇物理專業的。在他之前,有留美生李躍邦、顏任光、饒毓泰,在他之後又有吳有訓、周培源等等。他們都用自己的優秀證明了自己無愧於那個時代。
這也是葉企孫的一生可以用「偉大」兩個字概括的原因。
在11月21日之後的吳宓日記里,每及談話會,吳均一筆帶過。然而,這畢竟是葉企孫主持的談話會,他的嚴謹、嚴格甚至有些嚴厲的行事作風使談話會變得有些「政治化」,有些「官方」的意味,一個多月下來,吳宓實在忍受不了,便在日記中發泄不滿:
受葉企孫首戰告捷為國爭光的影響,除了科研方面有吳有訓這樣的後續捷報外,別的學科領域,中國留學生也不負眾望,獲得了驕人的業績。
就在量子假說就要銷聲匿跡的時候,16年後,又一個偉大的身影加入到量子理論的研究隊伍,他就是愛因斯坦。這時,景況好轉的愛因斯坦將興趣轉移到量子假說,並成功地挽救了這個偉大的發現。
葉企孫的名字被銘刻在現代世界自然科學史上,成為中國第一個在大洋彼岸為祖國獲得榮譽的人。
這是陳寅恪從12歲起即遊學日、德、法、英多國后的識見,此時的陳寅恪,已經重新確立了自己的文化身份,因此他能以相當客觀和清醒的學術態度分析中國文化的優弊。他永遠是中國心,眼界卻是「三隻眼」。因此對世界景觀看得那樣清晰和真切。他這段話也有關鍵詞,那就是「以科學為根本」——「救國經世,尤必以精神之學問為根基」,他和葉企孫過去雖天涯各別,識見卻殊途同歸。而吳宓也有相同的看法,他認為「留美同人,大都志趣卑近,但求功名與溫飽;而其治學,亦漫無宗旨,雜取浮摭」。正是因為有著相同的根基和價值觀,有著相近的對於那個時代的真知灼見,有著相似的沉甸甸的人生重量,所以他們才成為摯友,以後雖經半世磨難,卻至死不渝。
普朗克所發現的基本作用量子h,敲開了20世紀的物理學之門,所有的近代物理學的重要內容都要與之發|生|關|系,因此,精確測定普朗克常數值,就等於為量子h這座物理科學的山峰測量出精確的高度,就像我們今天採用最新的研究成果測量珠峰高度那樣,會具有重要的科學價值。
己之能力最優長於何種科學?
《荀子》上說:「假輿馬者,非利足也,而致千里;假舟楫者,非能水也,而絕江河;君子生非異也,善假於物也。」葉企孫深得這句古訓之精髓。科學之所以發展,就是一代一代科學家不斷在前人的基礎上開拓創新的結果。密立根就說:「一種科學的發達好像一種植物,由步步增添極小部分的方法而生長。每個研究常修改前面的研究,每個新學說,好像一個大會堂,由許多建築家用多種材料建築而成。」因此,葉企孫謹記恩師的教導,在開始他的計劃之前,他認真仔細地研究了大師們以前的所有實驗測量,發現1917年w.duane和f.g.black的實驗有其相當的可取之處,只要在幾個環節上再加改進,就可以得出更為精確的實驗數據。於是,葉企孫請w.duane來做他的指導老師,與h.h.palmer合作,於1921年3月開始了他們的尋夢之旅。
一個名不見經傳的小小留學生,一個年僅23歲的中國小夥子,竟能如此精準地測定普朗克常數,這本身比普朗克常數被精測更具轟動效應。一個幾乎昨天還梳著長辮、身穿長袍馬褂的人,怎麼一夜醒來就能和西方科學家比肩呢?須知測定普朗克常數的人大都是世界物理學的重鎮,他們都是數一數二的大科學家,而今天在會議上宣布比往日更精確的普朗克常數的人,卻是來自遙遠東方的一個年輕的中國人,他們不能不驚嘆,科學大概和中國人有與生俱來的親緣關係。
從相對論角度來講,愛因斯坦再次關心量子理論,很可能是認為廣義相對論可以深入理解原子的微觀結構。6年前,他曾經放棄過量子問題,而對丹麥科學家玻爾的原子結構理論發生了興趣。玻爾認為電子只在一些特定的圓軌道上繞核運行,在這些特定的軌道上運行時九*九*藏*書並不發射能量,只在它從較高能量的軌道上向一個較低能量軌道躍遷時才發出輻射能,反過來再吸收輻射能。玻爾解決了原子的穩定性問題,成功解釋了氫原子的光譜規律。愛因斯坦認為這是一次重大發現,既然輻射的吸收和發射是緣于電子從一個靜止軌道躍遷到另一個靜止軌道,上帝在二者之間究竟給它施加了什麼壓力,這個問題探究起來將是充滿刺|激和妙不可言的。愛因斯坦智慧的雙翼在玻爾的領地盤旋飛翔了一段時日後,覺得許多問題不能立即解決,於是他又把思索的目光聚焦在普朗克的量子假說上。
葉企孫是個極其精細的人,他考慮到進入分光計的x射線本身不是一束平行的x射線,因此測定這條x射線的方向角,需要修正,計入這個修正值后求出的測定值就精確許多。
葉企孫選擇科學救國的道路,顯然不是一時興起,而是有著長長的思想準備的。我們從他的一則日記中可以看出他對科學于理想及實用的關係早就瞭然於心:
同年9月,葉企孫轉入位於馬薩諸塞州的哈佛大學研究院攻讀實驗物理博士學位,師從後來獲諾貝爾物理學獎的布里奇曼(percy williams bridgman,1882-1961)。葉企孫選擇實驗物理這個方向一個明顯的原因就是:近代物理學的發展歷史指出,實驗是近代物理學發展的重要基礎,而且,獲得諾貝爾物理學獎的大師們幾乎都是從事實驗物理的。在這一點上,邁克爾遜實驗室的炫目光芒給了他神奇的指引。
20世紀之初是一個飛速變化的時代,物理科學擔綱主角的科技的天空常常是風雲際會,瞬息萬變,真有你方唱罷我登場的意味。但是,這主要是西方科學家們的天空,而東方還是渾然一片。在多數西方人眼裡,東方人還在沉睡,完全與近代科學無緣,雖然中國是文明古國,有過四大發明,但她現在尚未蘇醒。
1922年,葉企孫又把他的觸角伸向了磁學研究,他在高壓物理學家p.w.bridgman(1946年諾貝爾物理學獎獲得者)的實驗室中研究液體靜壓對磁導率的影響。在這個研究中,葉企孫運用自己學得的知識,大胆地採用了系統的研究,得到磁感應強度變化百分比與壓強、磁場強度之間的定量關係。另外,他還認為前人在實驗室中考慮不周是沒有得出明確結論的又一原因,他認為,要獲得正確的結果,必須使樣品徹底退磁,前人所述「反常效應」實際上是退磁不完全造成的。葉企孫還對高壓磁性進行了理論分析,結論與實驗結果相符。這項研究由葉企孫獨立進行,是高壓磁學的重要進展,因此他的這篇《流體靜壓對鐵、鈷、鎳磁導率的影響》的博士論文再一次受到了世人的矚目,成為歐美科學家爭相議論的焦點。他的導師p.w.bridgman教授也在他1931年所著的physics of high pressure中用整整一章的篇幅來介紹葉企孫的「壓強對磁導率的影響」,並這樣寫道:「自從葉企孫的工作之後,r.l.steinberger先生用類似裝置對一系列鐵鎳合金作了類似測量。」可見,葉企孫的研究已經影響到了歐美物理學界。
中國如大廈將傾,國勢危殆,災難重重,如不拯救,真真是「國將不國」了。當葉企孫把目標鎖定在「科學救國」時,那是怎樣的一種血淚情懷呀!
而「葉企孫在此,嚴其高尚人格,精其鑒別之卓識,采其優而棄其劣。擇彼所長,補己之短」,在留學生中有口皆碑,可謂楷模。
在吳宓的眼裡,葉企孫是怪異的,他搞談話會這樣的勞什子,簡直是瞎子點燈,徒勞無益。然而葉企孫偏偏樂此不疲,而且他認準的事情又「拘執操切,責人綦嚴」,還因為他是正人君子,做這些事又不是為自己,而是為國家,還不能說他什麼,所以散漫慣了的吳宓只得大叫:苦哇……
1920年11月21日
但是,量子假說與物理界數百年來信奉的「自然界無跳躍」產生尖銳對抗,大多數物理學家不接受這一理論。由於眾怒難犯,連普朗克本人也動搖起來,甚至放棄了量子論,繼續用能量的變化來解決輻射問題。
在20世紀之初,美國還不是物理學的重鎮。但是,卻有一道炫目的光芒閃耀在芝加哥大學物理系,這就是1907年諾貝爾物理學獎得主邁克爾遜(alberta braham michelson,1852-1931)。邁克爾遜時任該系主任。他以創造精密光學儀器和一系列極為精確的測量實驗而著稱於世。愛因斯坦以欽佩的口吻稱他是「科學中的藝術家」,讚揚他「最大的樂趣似乎來自實驗本身的優美和所使用的方法的精湛」。邁克爾遜將歐洲的物理學光環摘走了一部分,讓它在美國曾經的凍土帶上照耀,竟然為全美迎來了物理科學的陽春。自他之後,美國第二個、第三個獲諾貝爾物理學獎的人都是在他的麾下完成了自己的發現。而邁克爾遜從1892年至1930年,一直是芝加哥大學物理系主任,並一度任美國科學促進會主席和擔任美國科學院院長。可以毫不誇張地說,美國之所以在很短的時間內趕上甚至超過了歐洲,成為世界上最先進的科學大國,絕對和邁克爾遜這個名字有關。
每年暑假,他總和幾個昔日清華學友去到一所農業大學避暑,因這裏免費提供住宿、供應酸奶及一些瓜果蔬菜,這實在是一筆不小的費用,可以節省下來用到學習上。葉企孫說:「祖國以巨萬金錢供給吾等,當刻苦以讀,不可揮而費之,唯求他日歸國以報也。」與之相反的是另一種生活態度和學習態度,一些留學生「商女不知亡國恨」,擺闊擺到了美國,吳宓在日記中記述:
1923年底開始,吳有訓與自己的導師康普頓著手檢驗「康普頓效應」。在此之前,「康普頓效應」一直是康普頓教授的心病。在調入芝加哥大學之前,康普頓在聖路易斯華盛頓大學作x射線的散射研究時,發現被散射的x射線中多出一種頻率比入射x射線頻率低的成分。到了芝大后,他把這一現象定名九-九-藏-書為「康普頓效應」,並用光量子學說加以解釋,認為是x射線光子與電子相碰撞,運用粒子間碰撞遵守能量守恆和動量守恆原理來闡述x射線頻率的改變,但他的理論卻受到了阻擊。
愛因斯坦稱讚普朗克1900年的推導是大胆的推導,但愛因斯坦所採用的方法具有普遍性。愛因斯坦從已經得到廣泛驗證的玻爾的基本假設開始推演:電子在原子中具有許多不同的離散能量狀態,通過輻射的吸收和發射,可以從一種狀態變到另一種狀態。結合輻射和原子間的熱平衡假設,就可以得到普朗克公式。這個只有兩頁紙的概要性論述還包括輻射的受刺|激輻射,所以這些公式已經暗含了50年後才出現的激光理論。對愛因斯坦來說,最重要的是這個假設的簡單性和產生這個假設的方法的普遍性。他認為這很可能成為未來理論發展的基線。
徐志誠先生雲,吾國青年之留學美國者,其不似魯濱遜之造船者幾希。當其在清華中等科時,毫不計及文實二科,於己何者為宜。一旦升入高等,則隨聲附和,任入一科,甚至當入于文者,反入于實,當入于實者反入于文,既至高等亦然,毫不計及他日留美,何種學問,於己最宜。光陰如矢,轉瞬四年,高等又畢業矣,將送往美國矣,乃始於一月之中決定終身大事,欲其無誤,得耶?況至美國后,投考學校,一科不取,即改他科,其宗旨之無定,更有甚於以上所云者耶?夫一人有一人最長之能力,唯此種能力不易發見,欲他人發見之尚易,予自己發見之更難。古人云,知己較知人更難,即此意也。故欲決定自己於何種學問專長,以為將來專究之目的,極不容易,古來大學問家有廢十余年以決終身之行止者矣,而今于極短之時間中,遽定終身之大事,無論其遺誤終身,則幸而獲中,亦非堅定之宗旨,欲其專心於學問,得乎,嗚呼!留學生之費,美國退還之賠款也,既退還矣,謂之我國之財,而亦不可。祖國以巨萬金錢,供給留學生,當如何艱難困苦,謀祖國之福,而乃敷衍從事,不亦悲乎。
既然身懷「救國」使命,這就使葉企孫的選擇非同尋常,甚至有些「怪異」。葉企孫是以三年級插班生的名義入校學習的。在選擇宿舍室友時,葉企孫沒有選擇清華同學,也沒有選擇英美同學,卻選擇了一位法國同學。當問及原委時,葉企孫說,英語他已基本掌握,藉此機會他可以向法國同學學習法語。把每個細節都與學習聯繫在一起,這就是葉企孫。
孔子曰,凡事預則立,不預則廢。科學救國理念充塞于胸的葉企孫很早就用先賢的理性目光編織過自己未來的學業了。早在1915年1月,葉企孫就在日記中透露了自己的心跡:
無獨有偶,幾年後,同在哈佛大學的陳寅恪也有一段評論留學生的話,和葉企孫的觀點不謀而合,可謂英雄所見略同:
又曰科學雖種類繁殊,要而言之,約分二類,一為理想的,一為實用的。理想科學及實用科學之分古矣,唯至今日,學者日廣見聞,日辟新奇。昔之所謂理想者,今已成實事,學者乃知理想實用,本無定限,不過因時為變遷耳。二者實二而一,理想為實用之母,實用為理想之成,此理想科學所以與實用科學平行而相成也……
葉企孫是那種慢熱和持久型的朋友類型。「我們在星期日也常常聚在一起,討論一些問題。比方說對國內的情況,他一直很關心。由於出國多年,對國內的情況除了從美國報紙和家信中了解少許外,其他的只有通過來美的留學生、來美人員中了解到。接觸時間久了,他那善良的天性才漸漸顯現出來。」世界上有兩種人,一種人,乍一接觸,覺得熱情似火,時間一長,友誼反而隨著時間的延長而流失;另一種人,則像陳年老酒,時間越長久,酒就越醇香,更能感到他的可敬可親可愛。葉企孫就是后一種人。
當陳岱孫還是一個哈佛新生的時候,葉企孫早已蜚聲于哈佛內外了。
另一項改進是短波極限的精確測定。葉企孫利用最新的x射線分光計,在旋轉分光計以測定偏轉角時,分光計幾乎觀察不到偏心率。而過去的測試者們往往達不到這項要求,他們的分光計在旋轉時都存在著偏心率,這就使測出的x射線的偏轉角讀數有不規則的誤差,因此,計算所得的數值就不夠準確。
直到1935年,a.h.pton在自己的著作中還稱讚葉氏的測試「是一次對普朗克常數的最為可靠的測定」。
康普頓的實驗僅用了碳這一元素進行散射實驗,而有人再重複這一實驗時,卻得不到相同的結果。這個人就是曾為居里夫人助手的杜安尼。這位x射線權威在哈佛大學做了相同的實驗,結果卻讓康普頓沮喪。不僅如此,杜安尼又做了一項新實驗,竟發現一種奇怪的現象,因此他提出了「三次輻射」的假設,從而使「康普頓效應」的真實性受到質疑。康普頓本人親自去杜安尼的實驗室察訪,也沒有看出對方的實驗有什麼漏洞,只得抽身而退。
己之志竟最傾向於何種科學?
就在這時,吳有訓加入到支持「康普頓效應」的行列中。他決定對「康普頓效應」進行精密測量。在導師的指導下,他選用7種不同的材料做實驗,結果證明了「康普頓效應」的廣泛適用性。之後,吳有訓又獨立完成了一系列精密實驗測量,使這項研究更加完整。
己之體氣最合宜於何種科學?
但是,就是這麼一個重要的常數,卻在相當長的時間內沒有其精確的值,儘管第一個數值是普朗克本人提出的,但那也只是他依據他的黑體輻射實驗數據估算出來的。第二個想要挑戰這一測量實驗的是密立根,1923年度諾貝爾物理獎的獲得者,他用的方法是利用光電效應。從1914年起他就對愛因斯坦光電效應定律作過精密的實驗校核,1916年,密立根在芝加哥大學那個著名的實驗室里進行了著名的「油滴實驗」,在精確測得電子電荷e的值后,即可以從h/e這個恆量確定h,得出:h=(6.547±0.008)x10-34js,但這個值仍然帶有許多不確定性。第三個對這個險峰發起衝擊的是d.l九九藏書.webster和f.g.black,他們分別於1916年和1917年公布了自己的實驗結果和理論依據,顯然他們利用的杜安-亨脫(duane-hunt)定律比密立根利用的光電效應所得到的數值要精確。此時又有一些學者紛紛效仿,但卻沒有一個能夠精確符合。葉企孫就是在這種情況下提出了自己的設想,他仔細研究了前人的論文,看出了其中的缺陷。於是,一個大胆的計劃從他的心中萌生。
富者如洪某、朱某某(均清華熟人,並諱其名)則家本富有,父兄由中國匯來巨資,俾其一擲千金。洪購汽車一輛,在街衢中為人拐去,遂再購一輛(每輛值美金千五百元以上,兩千或三千元以下,貴賤不等)。有富商某(中國商人)其女頗美艷,群蟻趨之。洪、朱則以財相炫,互爭此女……
葉企孫在「凡事預則立」幾字下面標了著重號,將這一西洋故事進行了中國化的理解。我們從葉企孫的這篇日記中讀出幾個關鍵詞,他把所學專業之事稱之為自己的「終身大事」,又把這終身大事與「謀祖國之福」聯繫起來,其深謀遠慮,非一般人可比。
20世紀之初,現代物理學的太陽最先從歐洲升起。最早顯現絢麗光芒的是德國著名理論物理學家普朗克(maxplanck,1858-1947),他在1900年12月14日召開的德國物理學會議上報告了他的革命性發現——基本作用量子h,因此,這一天被物理史上一致公認是自然科學新紀元的開始。h是自然界最重要的普適常數之一。為了紀念這一重大發現,它被神聖地命名為「普朗克常數」。緊接著,又一道奪目的光芒出現了。1905年,愛因斯坦第一個把量子擴大應用到一般輻射上,建立了新的光量子論,他成功地揭示了光的波粒二象性,就像上帝之手拂去了遮蔽太陽的雲層一樣,物理學界的春天隨之誕生。第三道光是丹麥人尼爾斯·玻爾(1885-1962),他於1913年把量子論普遍化到任何原子的結構和原子的光波,牽引著人類的思索遊走在物理和光學風馬牛不相及的地方,在原子的內部唱響了物理和化學春意融融的頌歌。隨後,法國的路易·德布羅意發現了實物粒子也具有波粒二象性,奧地利的歐文·薛定諤也據此創立了波動力學。還有創立了矩陣力學的德國人維爾納·海森堡以及完善矩陣力學的猶太人馬克思·玻恩等等,在20世紀上半葉間,以不同的發現和相同的輝煌托起了現代物理學的太陽。他們全部獲得過諾貝爾物理學獎。
1925年11月,美國物理學會第135屆會議上,吳有訓在大會上被安排在第一個發言,宣讀他和導師康普頓的一系列實驗結果的論文。他們的論文令全體與會者大開眼界,而盤旋在「康普頓效應」之上的疑雲也隨之煙消雲散。1927年,康普頓因「康普頓效應」的成功而榮獲該年度諾貝爾物理學獎。有人還稱這一效應為「康普頓、吳有訓效應」。
葉企孫是比較理性的人,而吳宓則是衝動、感性的人,但這並不妨礙他們成為摯友。在陳、吳、葉3人中,陳寅恪比吳宓大4歲,吳宓比葉企孫大4歲。這樣3人中葉企孫實際上處於一個小弟弟的位置上。不知何故,吳宓上對陳寅恪尊敬如師,下對葉企孫也遷就禮讓,即使他不願意參加葉企孫的談話會,也不好明說,有時只得假言有事,跑到別處避之。想來還是葉企孫做事太過嚴謹的緣故,竟能使大學者吳宓如此悚然,真是趣事。
葉企孫之所以在諸科學中獨選物理學,也是作好了調查研究的結果。
按照常規,此時的葉企孫只要完成一篇博士論文就可以拿到博士學銜了,許多人也是這樣乾的。但是葉企孫卻不是為這一紙文憑來的,他要的是一個完整的過程,這就是科學研究的思想、方法和步驟。
陳岱孫就得了美國大學生的最高獎——金鑰匙獎。
葉企孫對1917年的測定首先進行了重溫,在w.duane指導下,這項測定的先期工作猶如中國書法練習第一階段的描紅和臨摹。導師對這個肯定自己測定思路的中國留學生非常欣賞,他從中看到了來自東方古老國度的年輕人的智慧和謙遜的美德。在重溫和「臨摹」中,葉企孫很快就找到了以往測試的優長和不足,並且大胆地提出了自己改進的意見。葉企孫首先改進的是電壓測量的環節,因為這個數值直接關係到h值的確定。他採用了電位計原理。為了提高電位計的精確度,他特別設計繞制了一個高電阻錳銅線圈,總電阻高達6039504歐,這樣可以保證在實驗全過程中其阻值不會變化,從而大大提高電壓解析度。這將使電壓測量所帶來的誤差可以忽略不計,使電壓測量環節達到完美境地。
所不同的是,陳、吳選擇的是「精神之學問」,而葉企孫卻是「以科學為根本」,在當時的中國,這正是促成中華騰飛的雙翼。
葉企孫除了繼續擔任科學會海外分社的會長職務,經常組織開展科學講座等活動外,鑒於留學生不問國事只圖個人富貴的傾向,他找幾個好友商議之後,又搞了一個「談話會」。他本不是一個喜歡拋頭露面的人,但此事關係重大,雖然他個人學業日進,但科學救國之夢豈能一人完成?聚沙成塔,集腋成裘。如果能有一個讓大家聚在一起的形式,經常用國家大事和世界形勢示人,用新鮮事物和新的思維激發人,留學生就會聯想到自己的責任和使命,就不會在美國這個花花世界的溫柔鄉里沉淪和迷失。葉企孫的想法得到了大家的贊同,他們決定每星期日上午開談話會,主要內容為討論學問和國際動態、國內時局。
正因如此,葉企孫的好友任鴻雋先生才在《科學》創刊號上這樣呼籲:「然使無精密深遠之學,為國人所服習,將社會失其中堅,人心無所附麗,亦豈可久之道。繼茲以往,代興于神州學術之林,而為芸芸眾生所託命者,其唯科學乎,其唯科學乎!」
在這篇文章中,愛因斯坦基本上推導出了光子的所有性質:輻射量子或光子粒子。雖然愛因斯坦盡量使這個術語符合當時的習慣,但他清楚地意識到,只九九藏書有他一個人堅持輻射的量子假設。6年後,美國物理學家A·康普頓通過實驗驗證了愛因斯坦提出的公式,不久整個科技界都在談論「量子」。
在採取了一系列大胆而又別出心裁的改進之後,葉企孫們獲得精度很高的v和短波限布拉格反射角的數據,其相對誤差比標準電波電動勢的相對誤差還小。用這些實驗數據和國際上當時採用的電子量(e)、(c)和方解晶格常數(d)的數值,他們得出的h=(6.556±0.009)x10-34js。
1920年6月,葉企孫以優異成績獲得芝加哥大學物理學學士學位。
沒有人確切知悉葉企孫此時最隱秘的心理,但是,從他一生的努力,從他之後曾一度掌握和支配著我國留學生出國專業深造大權時的表現,從他歷盡磨難,在屈辱中走完一生的經歷,我們就會得出結論,葉企孫的這一選擇,絕不是偶然的。
這時的物理天空是為普朗克準備的。在他之前,英國物理學家瑞利根據經典統計力學和電磁理論實驗,推出了黑體輻射的能量分佈公式。該理論在長波部分與實驗比較符合,但在短波部分卻出現了無窮值,而實驗結果是趨於零。這種嚴重的背離,被學術界稱之為「紫外災難」。而這時,普朗克的偉大身影加入了黑體輻射實驗的隊伍中,他採用拼湊的辦法,得出了一個長波和短波部分都能與實驗相吻合的公式。他發現,只要假定物體的輻射能不連續變化,而是以一定的整數跳躍式地變化,就可以對該公式作出合理的解釋。普朗克將最小的不可再分的能量單元稱做「量子」或「能量子」,並將這一假說報告了德國物理學會,從而宣告了量子的誕生。
正是由於這一數值的精確,在正處於科技水平飛速發展的20世紀20年代之後的16年之內,無人再敢問津。
……洋貨廣銷之結果,則各國皆爭利於中國,中國者,中國人之地也,中國人之地,而與他人為爭利之無演場,而己猶鼾睡,毫無自振之精神,亦可哀也。唯厥原因皆由實業之不振,實業之不振,則由於科學不發達。
星期日。雪。葉君企孫發起,開設談話會,聚本校中國學生約十餘人,每星期日上午開會,討論學問見聞及中國時事等。其意非不善,唯宓現時雜事擔負已屬過多,雖星期日,亦患忙碌。再添此項,實屬疲於奔命,且深知此類之會,其名雖美,然普通之中國學生,無學無識,粗疏偏謬,我等何從受益?唯此事既經葉君提起,宓迫於情面,只得允從。是日上午十一時,在宓室中,開第一次會,會議研究加利福尼亞州排斥日人之事,十二時半后散會。
當1921年的春天即將從馬薩諸塞州的懷抱里抽身而去的時候,在美國物理學會華盛頓會議上,葉企孫和他的合作者用激昂的聲音宣讀了一份驚世之作——《用射線方法重新測定普朗克常數》。
當然也離不開物理系那些精密的儀器和實驗室。正是在這有著邁克爾遜靈魂的實驗室里,密立根(robert andrews millikan,1868-1953)完成了著名的油滴實驗,精密測定了電子的電量。他為此獲得了1923年的諾貝爾物理學獎。同時他還對光電效應進行了精密測量,證明了愛因斯坦的光量子說,從而使愛因斯坦榮獲1921年度的諾貝爾物理學獎。這個實驗室的神話不斷延續,1923年,康普頓(arthur holly pton,1892-1962)來到芝加哥大學物理系任教授。此前他在聖路易斯華盛頓大學作x射線研究,發現被散射的x射線中多出一種頻率比入射x線頻率低的成分。他把這一現象定名為「康普頓效應」,並用光量子學說加以解釋。他後來榮獲了1927年度諾貝爾物理學獎。
由於時局關係,我自滬北上交通受阻,到校時晚。住處未定,他讓我搬進他所租賃的校內教職員住宅區宿舍,和他同住。是后,除我們分別休假離校的兩年外,我們在這宿舍中一直同住了五年。又是后,除了他於1941年-1943年期間在重慶任中央研究院總幹事,和我於1952年-1953年期間在北京中央經濟學院任職外,我們一直是清華、西南聯合大學、北京大學的同事。時間久了我們間有著深厚的友誼。我對於他的方正品德、學術造詣、學者風度,深為欽仰。(陳岱孫《中國科技發展的開拓者,真誠的愛國者(代序)》,見《一代師表葉企孫》,第2頁)
他是清華學校1918年畢業生,我是清華1920年畢業生。但我是1918年秋季才作為一個插班生,考入清華的,而他已於是年夏季畢業赴美留學;所以在清華學習期間,我對他並無識荊的機會。我們的相識開始於1922年,這是他在美國哈佛攻讀物理學博士學位最後一年,而是我剛入哈大攻讀經濟學研究生的第一學年。
值得回味的是之後的那些人大都是葉企孫的學生,或者是他學生的學生。而葉企孫們更大的貢獻則是為中華民族立於世界之林爭取了時間和為祖國完成了科學技術人才上的準備。
1918年9月4日,在經過近一個月的航行后,「南京號」到了美國的舊金山。一個月後,葉企孫入芝加哥大學物理系學習。
中國學生情形,殊堪短氣。一言以蔽之,大率皆逐利求財,領有官費,而不事讀書,而在銀行、商店等處執事服役。所得薪資,厚薄不等。其得資多者,則眾羡之尊之;其得資少者,則眾賤之鄙之。而學問人品不問焉,雖有潛心為學、成績優美,眾亦莫知之……
然而,幾萬人的留學大軍中,如陳寅恪所言,不計個人富貴,在學問上精進,在「科學為根本」上努力者,確實少而又少。
然而,葉企孫卻給西方科學家們上了一課。
雖然專業不同,但當時在哈大的中國學生人數甚少,我們住處又相近,所以時有過從。(陳岱孫《中國科技發展的開拓者,真誠的愛國者(代序)》,見《一代師表葉企孫》,錢偉長主編,上海科學技術出版社1995年版,第2頁)
以愛因斯坦的巨大影響,世界的目光正在向量子學說聚焦。這說明,一個偉大的量子時代即將來臨。