他23岁革新物理学,破格提初中生为大学讲师,学生造原子弹得诺奖

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创作声明:本文为虚构创作,请勿与现实关联

1935年,清华大礼堂前,物理系师生拍下一张合影。多年后,这张照片里走出了11位中国科学院院士。

站在正中间的那个人,27岁独自撑起整个清华物理系,他的学生后来造出了原子弹、氢弹、导弹和人造卫星。

但几乎没人知道他的名字——叶企孙。



01

1898年7月16日,上海县唐家弄,叶家添了个男孩,取名鸿眷,字企孙。

叶家是读书世家。父亲叶景沄,前清举人,家中藏书七八千册,国学底子极深,能随手指出二十八宿的位置和图形。但叶景沄不是只读圣贤书的旧文人——他曾跟黄炎培一起东渡日本考察教育半年,回国后在上海创办敬业学堂,亲任校长。

他父亲给了叶企孙一种当时极为罕见的教育:左手经史子集,右手西方科学。

叶企孙九岁进入父亲主持的敬业学堂,课堂上学西算、理化、博物,回到家读《九章算术》《海岛算经》《梦溪笔谈》《天演论》。两套知识体系灌进同一个少年脑子里,没有打架,反而融到了一起。

叶景沄跟儿子说过一句话,大意是:必须用西方科学来谋求利国利民,才能治国平天下。

1911年2月,清政府用美国退还的庚子赔款创办清华学堂,面向全国招收第一批学生。

庚子赔款,本是1900年八国联军侵华后强加给中国的巨额赔偿。1908年,美国决定将超出实际损失的部分退还中国,指定用于教育。

清华学堂由此诞生,专门培养赴美留学生。学制八年,分中等科和高等科,课程按美国标准设置,英文授课,教材全用英文原版。

进了清华学堂,等于一只脚踏上了去美国的船。

叶企孙十二岁,报考了清华学堂并被录取。

1918年,二十岁的叶企孙从清华高等科毕业,考取庚款公费留美名额,登上横渡太平洋的邮轮。同船两百多名清华学子,将分散到美国各所大学,学最先进的科学技术。

叶企孙选了物理。

他先到芝加哥大学物理系,插班进了大学三年级。两年拿下理学学士。1920年9月,转入哈佛大学研究院,进了杰弗逊实验室。

他的导师叫布里奇曼(P.W.Bridgman),实验物理学大师,专攻高压物理,后来在1946年拿了诺贝尔物理学奖。

在哈佛,叶企孙干了一件让国际物理学界记住他名字的事。



02

1920年代初,物理学正站在一个关键的十字路口。

十九世纪末,经典物理学统治了整个科学界两百多年,牛顿力学和麦克斯韦电磁理论几乎解释了所有已知的物理现象。

物理学家们一度以为,人类对自然界的认识已经接近完成,剩下的不过是小数点后面几位的修正。

但1900年前后,两朵"乌云"打破了这种乐观——黑体辐射问题和迈克尔逊-莫雷实验的结果,分别指向了量子力学和相对论。经典物理学的大厦开始动摇,新的理论体系还在摸索中。

在这个过渡时期,有一个数值对整个物理学至关重要——普朗克常数h。

1900年,德国物理学家普朗克为了解决黑体辐射问题,提出了一个大胆的假设:能量不是连续的,而是一份一份的。每一份能量的大小,由一个常数决定,就是h。这个常数后来成了量子理论的基石,决定着微观世界的基本规则。

但当时全世界的物理学家对h值的测定并不精确,不同实验室测出来的结果差别不小。谁能给出一个更精确的h值,谁就是在帮整个物理学界校准方向。

叶企孙在哈佛的导师W.杜安(Duane)教授交给他一个任务:用X射线短波限的方法重新测定普朗克常数。

实验原理不难理解——用电压加速电子,打到金属靶上产生X射线。X射线有一个最短波长,叫短波限,这个最短波长跟加速电压之间存在精确的数学关系,普朗克常数h就藏在这个关系式里。

原理简单,操作极难。

难在精度。

要测准h值,必须同时测准两个东西:加速电压V和短波限的布拉格反射角。任何一个数据误差偏大,最终结果就不可靠。

叶企孙和合作者H.H.帕尔默花了大量时间改进实验装置——用电位差计测量加速电压,用方解石谱仪测量短波限,一步一步压缩误差。最终,他们测出的数据相对误差比当时标准电池电动势的相对误差还小。

换句话说,实验精度逼近了那个时代仪器的极限。

1921年4月,叶企孙在美国物理学会年会上宣读了论文。

结果公布:h =(6.556±0.009)×10⁻²⁷尔格·秒。

物理学界立刻注意到了这组数据。

八年后,专门研究基本物理常数的权威学者伯奇(Birge)拿叶企孙等人的实验数据,结合更新的电子电量、光速等数值,重新计算h值,公开声明:数据中的误差主要来自电子电量e值本身的不确定性,跟实验操作无关。

意思很明确——叶企孙他们的实验,几乎无可挑剔。

诺贝尔奖得主康普顿(Compton)在1935年出版的名著《X射线的理论与实验》中,称这项工作为"对普朗克常数最为可靠的测定"。

这个h值被国际物理学界沿用了整整十六年。

世界物理学经典著作上,第一次出现了中国人的名字。

那年叶企孙二十三岁。

测完普朗克常数,叶企孙转向导师布里奇曼的老本行——高压物理,研究液体静压强对铁磁体磁导率的影响。

这个领域之前有人做过,但压强只到1000kg/cm²,实验也不够严谨,结论含混。叶企孙直接把压强推到12000kg/cm²——前人的十二倍。他对铁、镍、钴三种金属的高压磁性做了系统研究,发现了一个关键问题:前人报告的"反常效应",根本不是新发现,而是样品退磁不彻底造成的假象。

这个结论推翻了之前的错误认知,重新校正了高压磁学的研究方向。

1923年,叶企孙凭这项研究拿到哈佛大学博士学位。布里奇曼后来在《高压物理学》一书中,将"压强对磁导率的影响"整节内容建立在叶企孙的工作基础上。

博士毕业,二十五岁的叶企孙已经在国际物理学界有了相当的声望。留在美国,前途不可限量。

1923年10月,叶企孙离开美国,取道欧洲回国。他在英、法、德、荷、比五国游历近五个月,参观各国大学的物理研究所,拜访欧洲物理学界同行。他通晓英、法、德三种语言,这趟走下来,对欧洲高等教育和科研体制有了全面了解。

1924年3月,叶企孙回到上海。

他看到的祖国跟离开时没什么两样。军阀混战,民生凋敝。当时中国有多少物理学家?屈指可数。有多少像样的物理实验室?几乎没有。大学里的物理系,大多挂个名头,既没有合格教授,也没有能用的设备。

叶企孙决定在这片科学的荒地上种下第一颗种子。



03

1924年,叶企孙先到南京东南大学物理系任副教授,讲授力学、电子论和近代物理。东南大学物理系第一届本科毕业生里,有两个人后来跟了他很多年——赵忠尧和施汝为。

1925年8月,叶企孙辞别东南大学,北上清华。

那一年,清华学校刚开始办大学本科,一切草创。物理系名义上存在,教授只有两位——一个是兼任教务长的梅贻琦,忙于校务根本顾不上教学;另一个就是叶企孙。

也就是说,从1925到1928年,清华物理系全部教学靠叶企孙一个人扛。

普通物理、力学、电磁学、热学、光学……所有理论课程,他一个人讲。一边上课,一边建系。

1926年4月,二十八岁的叶企孙被推选为物理系主任。

但光有主任没有用。要办好物理系,首先得有好老师。叶企孙上任第一天就四处找人,但合适的教授实在太少。他曾想聘颜任光、温毓庆,都没成功。

直到1928年,他才请到了第一位满意的教授——吴有训。

吴有训是诺贝尔奖得主康普顿的学生,在芝加哥大学做过X射线散射的重要实验,学术水平极高。叶企孙请到他之后,干了一件让整个清华炸锅的事:给吴有训定的月薪340元,比自己还高40元。

清华建校以来,从没有哪个系主任给下属开的工资比自己高。

叶企孙后来对学生说过:

「我教书不好,对不住你们。可是有一点对得住你们的就是,我请来教你们的先生个个都比我强。」

吴有训到位后,叶企孙继续物色人才。从1928到1937年,他先后请来萨本栋、周培源、赵忠尧、任之恭、霍秉权、孟昭英。

萨本栋是第二位到任的教授,年轻有为。为了让萨本栋有充裕时间写书搞研究,叶企孙主动替他代课。萨本栋写的《普通物理学》1933年由商务印书馆出版,成了国内各大院校长期使用的教材。

叶企孙用人不看门户不论资历,只看一条——有没有真本事。

最典型的例子是华罗庚。

1931年,清华数学系主任熊庆来发现了一个奇人——江苏金坛一个小杂货店里,有个帮人打算盘的年轻店员,只有初中文凭,却在日本数学期刊上发表了论文。熊庆来把华罗庚调进清华数学系当助理。

两年后,华罗庚又在国际期刊上发了文章。叶企孙知道后,召集会议讨论华罗庚的去留。有人反对:一个初中毕业的人在清华当讲师,教大学微积分,像什么话?有损清华声誉。

叶企孙一句话压下去:

「清华出了个华罗庚是好事,我们不要被资格所限制。」

当场拍板,破格提升华罗庚为讲师。1936年,叶企孙又派他去英国剑桥大学深造。从此华罗庚接触到世界数学最前沿,日后成为享誉国际的大数学家。

四十多年后,功成名就的华罗庚忆起叶企孙的知遇之恩,仍然热泪盈眶。

叶企孙的眼睛不只盯着教授,连一个勤杂工都没放过。

梅贻琦办公室有个打杂工友叫阎裕昌,聪明手巧。叶企孙发现他之后,用心培养他管理物理实验仪器。渐渐地,阎裕昌能修理甚至自制各种精密仪器。

1929年,物理系学生王淦昌做毕业论文,急需一台高压电发生器,到处找不到。阎裕昌翻出一台废弃的起电机,硬是改造成了能用的设备,替王淦昌解了燃眉之急。

按清华当时的惯例,工友被学生叫"听差"。叶企孙不许。他规定物理系所有人必须尊称阎裕昌为"阎先生",谁喊"听差"就等着挨批。

后来物理系上下都知道有位"阎先生",却很少有人知道他的全名。



04

叶企孙办物理系有一套章法。用他自己的话:「重质而不重量。」

第一条规矩:限制招生。

清华物理系每届招生不超过14人。据1936届毕业生王大珩回忆,他那届只有10人,往上几届每班更少,只有七八个。从1929年第一届毕业生算起到1938年,十年间一共毕业69人,平均每年不到7人。

招得少,淘汰率还高。考进来不等于能毕业,跟不上的就转走。

但叶企孙的淘汰不是一刀切,而是看这个人适合干什么。

1930年,有个叫胡乔木的学生考进物理系,读了一段时间实在不适合搞物理,叶企孙安排他转入历史系。十多年后,胡乔木成了杰出的理论家和文章大家。

1931年,物理系招生考试状元叫陈新民。按说状元该是物理系的宝贝,但叶企孙观察一段时间后建议他转化学系。陈新民后来果然在冶金领域成就斐然。

第二条规矩:只教基本知识。

物理系本科四年开12门专业课,每学期只有一两门主干课。课程内容比当时国内不少大学的物理系还浅。

但浅不是目的,目的是逼学生自己学。

叶企孙上课,第一节就公布一份自学书目和章节。图书馆随时能借到这些书。他在课堂上只讲基本概念和原理,讲得清楚透彻,但不面面俱到。剩下的,学生自己啃。

他讲"物性论",涉及范围极广,每个部分只介绍一两个典型实验,然后甩出一串参考书让学生自己读。

考试也不走寻常路。

有一回考统计物理学,叶企孙给王大珩的考题不是做计算题,而是一本德文版统计物理学专著——读完,写一篇有自己见解的文章。

王大珩只有一点德文底子,硬是抱着字典一个词一个词地啃完了整本书。这次考试不光考了物理,还把他的德文水平拔高了一大截。

叶企孙教出来的学生,考试分数普遍不高。李政道电磁学考了83分,周光召是物理系公认的尖子生,平均分也只有82.2。80多分占大多数,70多分不少见。

不是学生不行,是标准太严。

第三条规矩:理论和实验并重。

叶企孙规定,除力学外,所有物理课必须同时开实验课,学生选修实验课的学分不能少于理论课的一半。

当时中国的大学生大多只会做题不会动手。叶企孙专门编了一本《初等物理实验》,还在清华开高中物理实验班,补中学落下的课。

设备买不起?自己造。

叶企孙带学生自制实验仪器。热力学课上,要求每人亲手做一个温度计。为了提升系里工厂的能力,他从德国请来一个叫海因策的年轻技工,专做高精度仪器。再加上阎裕昌的巧手,到1931年,清华物理实验室已有3000多种仪器,成了全国实验条件最好的地方。

这套方法培养出来的学生动手能力极强。

叶企孙最得意的学生之一熊大缜,在校园里开了一家照相馆,技术过硬,生意火爆。大四那年,熊大缜还自己研制出一台红外照相机,在清华气象台拍下北京西山夜景——照片清晰异常。这是中国第一张红外照片。

钱三强后来回忆,出国留学后发现自己的实验能力丝毫不比外国同行差。

王大珩说得更直接:

「即使给我一堆废铜烂铁,我也能想方设法凑成一个像样的东西。」



05

叶企孙不光教物理,还给学生"指路"。

清华每年用庚款考选公费留美生,选派哪些学科由校务委员会决定。叶企孙参与这项工作,根据国家需要提建议。物理系毕业生和助教的留学方向,他逐一过问、亲自指导。

他的眼光不局限于物理,既重视基础学科,也重视应用学科。在他的引导下,好几个物理系高材生留学时改了方向。

赵九章原本学的是理论物理。叶企孙跟他长谈后,引导他转向气象学。1935年赵九章赴德国柏林大学攻读高空气象学博士,把数学和物理方法带入气象研究,后来成了中国人造卫星事业的奠基人。

龚祖同主修核物理,叶企孙建议他转攻应用光学,到德国柏林技术大学学习。抗战爆发后,龚祖同放弃即将到手的博士学位,回国建了中国第一个光学工厂,为前线赶制出第一批军用双目望远镜。

王大珩也是在叶企孙指导下走上光学之路,日后成为中国光学事业的奠基人。

钱伟长数理天赋极高,但叶企孙看到中国在力学方面的薄弱,引导他出国攻读应用力学,后来成了中国力学界的泰斗。

还有赫崇本转向海洋物理学,傅承义和翁文波转向地球物理学,余瑞璜和葛庭燧转向金属物理学……这些人日后全都成了各自领域的开创者或主要带头人。

最传奇的故事跟钱学森有关。

钱学森不是清华物理系的学生,他是上海交通大学机械工程系的,学铁路工程。他想去美国留学,参加了清华庚款留美考试,考取后叶企孙让他在清华补修一年课程,住在自己家里。

补修期间,叶企孙跟钱学森深谈了几次,建议他别继续搞铁路,改学航空航天。叶企孙亲自写推荐信,把钱学森推荐到好友、世界著名航空工程学家冯·卡门门下攻读博士。

钱学森后来的故事,所有中国人都知道了。

更出格的是李政道。

李政道从浙江大学转入西南联大时,叶企孙很快注意到这个年轻人:理论极强,动手偏弱。他特许李政道免修部分课程,但实验课一节不能缺。

有一次考试,满分100分——理论60分,实验40分。叶企孙给李政道理论打了58分,实验只给25分。

这个分数,李政道记了一辈子。

1946年,物理系教授吴大猷负责推荐两名学生赴美留学。当时规定——必须是"优秀研究生"才有资格。李政道当时不满二十岁,大学二年级,本科都没念完。

叶企孙把李政道推荐给了吴大猷。

一个二年级本科生,去国外读研究生?

叶企孙力排众议,坚持推荐。

十一年后,1957年,三十一岁的李政道和杨振宁因提出宇称不守恒理论,拿到诺贝尔物理学奖。

验证这个理论的关键实验,由华裔物理学家吴健雄主持完成。

叶企孙当年反复强调实验不能少,是有道理的。

到1937年,清华物理系已是国内最顶尖的物理学人才基地。

然后,"七七事变"爆发。



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