美国物理学家大卫·丹尼森与密歇根大学.docx

    美国物理学家大卫·丹尼森与密歇根大学    李振楠 尹晓冬摘   要   大卫·丹尼森是20世纪美国理论物理学家，他为当时密歇根大学物理系成为理论和实验分子研究的世界中心作出了重要贡献依据密歇根大学对丹尼森进行的口述采访、相关资料，研究与探讨丹尼森的生平、科学成就及他为密歇根大学物理系所做的贡献Key   大卫·丹尼森  理论物理  红外光谱  原子理论  量子理论   N09： O4-09   A20世纪初期，相对论、量子力学先后在欧洲诞生，构成了现代物理学的基本框架相较于欧洲，美国物理学处于明显落后状态，尤其是在理论物理学方面随着第一次世界大战的爆发，欧洲和美国的物理学家们都面临着新的机遇与挑战20世纪20年代开始，美国物理学界展开了一系列以提高物理学理论研究水平为目的的自我改进运动[1]，这让美国物理从20世纪30年代开始迅速走向物理学研究的国际最前沿（[2]， pp. 60—61）美国的各个大学依靠若干大基金会的资金支持，在短短十几年的时间里，培养并引进了大量高质量的理论物理人才在这些高等院校中，最成功的改进典范当属密歇根大学——不仅培养物理学者前往欧洲学习最先进的物理知识，同时引进欧洲的优秀理论物理人才。

20世纪30年代，密歇根大学物理系成为理论和实验分子研究的世界中心，这不仅归功于几代物理系主任的不懈努力，也归功于为物理系付出心血与年华的人自1841年密歇根大学物理系创建，到1965年，共有5位物理系的系主任（表1）大卫·丹尼森（David Dennison，1900—1976，图1）作为密歇根大学物理系的第五任主任，不仅是物理系所取得成就的见证者，更是参与者以研究生的身份进入密歇根大学物理系后，丹尼森凭借自己敏锐的直觉、大胆的尝试，完成密歇根大学物理系的第一篇理论物理文章，使物理系主任认识到发展理论物理的重要性并及时采取措施留欧回来，丹尼森以讲师的身份重返密歇根大学物理系后，便再也没有离开过40多年以来，他一直坚持科研与教学并重，不仅为理论物理发展作出重要贡献，同时培养出众多理论物理人才本文希冀能从丹尼森的人生经历管窥当时的理论物理在密歇根大学及美国的發展状况论文对丹尼森的研究一方面参考他发表的学术著作——包括约百篇论文和8本书籍，其中有5本书籍收藏于密歇根大学的宾利（Bentley）图书馆，另外3本分别收藏在密歇根大学的布尔（Buhr）图书馆、特殊收藏（Special Collections）研究中心和夏皮罗（Shapiro）大学图书馆，另一方面参考美国物理学会网站收录的1964年1月对丹尼森进行的详尽的电子版口述访谈。

一   科学萌芽大卫·丹尼森出生在俄亥俄州奥伯林的一个学术氛围浓厚的家庭里，父亲沃尔特·丹尼森（Walter Dennison）是当时奥伯林学院（Oberlin College）的古典教授，母亲名叫安娜格林（Anna L. Green）（[3]， pp. 220—222）1902年，由于父亲转到了密歇根大学教授拉丁语和希腊语，两岁的丹尼森和家人搬到密歇根州的安娜堡（Ann Arbor， Michigan）对于父亲沃尔特来说，能回到自己研究生期间就读过的密歇根大学来任教是一件很棒的事情父亲的这种“寻根”思想深深地影响了丹尼森，也由此开始了他与密歇根大学的“不解之缘”; 七岁时，父亲利用带薪休假的一年，带着全家人去了意大利的罗马这一年丹尼森觉得非常孤单，因为住处周围都是贵族孩子，他无法和他们一起玩耍尽管如此，丹尼森还是找到了自己热爱的东西——他开始对各种移动轮子类的机械感兴趣并痴迷地看着它们旋转，朦胧的科学兴趣在丹尼森的内心渐渐生根; 十岁时，全家搬到了宾夕法尼亚州的史瓦兹摩尔（Swarthmore， Pennsylvania），在这里，丹尼森继续他的小学教育频繁的搬迁，使得丹尼森的性格变得相当安静、内向、害羞。

在史瓦兹摩尔，丹尼森家附近的一位教会牧师每周会给附近的男孩子们讲授数学知识或做科学实验，丹尼森觉得很有意思，他很喜欢参加，对自然科学的兴趣在他心中悄悄地发芽这种兴趣持续伴随着他，他长大之后，也同样喜欢收藏科学仪器——比如轮船航海经线仪、精加工的车床、精致照相机、物理摆、来自二战轰炸瞄准器的陀螺仪，等等对科学仪器的观察促进了他探索科学的兴趣一个有趣的例子是，多年后丹尼森发现放在家中地下室楼板梁上的傅科摆过了几个星期后发生偏转，他好奇地进行探究并判断这是由于一个系统误差造成的，这些奇妙的发现使他能一直拥有不断探索科学的乐趣二   从数学转向物理1917年，丹尼森进入史瓦兹摩尔学院主修数学①，同年3月父亲的离世，令他的大学生活变得艰难起来为了能完成学业，丹尼森的母亲在学校的女生宿舍当宿管，丹尼森大一时也获得了史瓦兹摩尔学院的助学贷款尽管当时的生活条件很艰苦，丹尼森还是求着母亲帮忙买了一本便宜版的《大英百科全书》他把书中所有与科学相关的内容看完后，深受感触，同时坚定了自己的人生目标： 今后一定要像父亲一样从事学术研究1918年秋——第一次世界大战快要结束时，美国加入了战争，丹尼森不得不参加了当时的学生军训练团。

1918年11月18日战争结束后，丹尼森又继续他的大学课程大二时，丹尼森开始学习他的第一门物理课——基础物理学，但是这门课他既不理解也不关注，期末成绩也偏低尽管如此，大学时期所上的与物理相关的课程，让他清楚地知道自己真正的兴趣是数学和物理，而数学又让他看到了物理学中的东西，丹尼森尤其喜欢物理实验课，在课堂上展现出了优秀的实验操作水平到了大三，丹尼森与现代物理学课老师的一次交谈真正引起了他对物理学的兴趣他认识到，所有自己感兴趣的东西，无论是化学、仪器仪表、生物学、天文学亦或是其它——都是以物理为中心的在这门课上，丹尼森第一次听说了玻尔原子理论我不知道它有多么的美妙！”①他对玻尔原子理论很感兴趣并希望能有机会继续研究大三结束后的暑假，通过一位老师的引荐，丹尼森获得了在纽约斯克内克塔迪（Schenectady）的通用电气研究实验室（GERL）兼职的机会在实验室里，他第一次看到了物理学家们做实验的情景，他们专注的工作状态使丹尼森觉得物理是一种美丽的知识产业丹尼森向实验室主任提出了想做有关玻尔原子理论方面研究的想法，于是实验室主任把他介绍给了正在进行原子和分子计算的欧文·朗缪尔（Irving Langmuir），朗缪尔是丹尼森当时所知道的唯一一个非常关心量子方面的人（尽管朗缪尔当时对此并不能深刻理解）。

暑假还没过去一半，丹尼森就已經跟着朗缪尔进行了许多理论计算工作，但是丹尼森认为这种计算方法有问题并选择退出，朗缪尔同意了并把他介绍给正在做粉末X射线结构和晶体结构方面研究的阿尔伯特赫尔（Albert W. Hull）暑假的后半段，通过赫尔的指导，丹尼森进行冰的晶体结构的实验研究，并发表了他人生中的第一篇物理文章——“冰的晶体结构”（The Crystal Structure of Ice），虽然文章内容简短，但是它标志着丹尼森开启了通往物理专业的大门1921年，丹尼森获得史瓦兹摩尔学院的学士学位他拒绝了通用电气公司实验室提供给他的继续研究的工作机会，而是希望按照大学初期自己定下的目标前进——像父亲一样继续进行学术研究多年后丹尼森曾回忆道：“当我看到我同事们的儿子们都直接跟随他们父亲的脚步，而不是为他们自己考虑时，我感到的不是伤心，而是不快乐但恐怕当年的我也自然地做了同样的事情——追随了父亲的脚步②亦如丹尼森的父亲在密歇根大学结束作为研究生的研究后，前往欧洲三年读取博士学位的事实，这给丹尼森产生了影响，让他确信自己在完成研究生学业后也要去欧洲继续深造没过多久，在纽约举办的一个自然科学会议上，丹尼森遇见了来自密歇根大学物理系的系主任哈德森·兰德尔（Harrison M. Randall）教授，兰德尔热情地邀请他来密歇根大学深造，并为他提供每学年800美元的奖学金。

尽管摆在丹尼森面前的有很多大学可供他选择，但是他毫不犹豫，很快便接受了兰德尔的邀请，因为密歇根大学不仅是父亲就读和工作过的地方，密歇根大学所在的安娜堡也是丹尼森从小长大的地方，他有着强烈的思乡和寻根情感三   密歇根大学第一篇理论物理论文1921年秋，丹尼森顺利进入密歇根大学物理系很快，他被沃尔特·科尔比（Walter F. Colby）教授研究的理论物理吸引虽然之前没有人告诉过丹尼森，但根据他对玻尔理论的理解，他确定这就是理论物理学，并明确地向物理系主任兰德尔教授提出了自己想要做理论物理方向的研究工作由于美国从事研究的物理学家主要是在实验物理学方面，密歇根大学物理系的实验研究也较为优秀[2]，而在此之前理论研究还从未被资助过，虽然兰德尔对他的提议感到非常吃惊，但是明智的兰德尔还是同意了兰德尔教授及他的成员们当时正在进行甲烷的红外光谱测量，为了方便理论与实验结果比对，丹尼森顺势开始进入到了甲烷的红外光谱理论解释的工作之中另一方面，丹尼森提出做理论物理研究的想法启发了兰德尔教授和科尔比教授，他们意识到物理系在理论物理方面的薄弱并决定采取行动虽然现实残酷：没有基金会支持，缺乏与欧洲物理学家广泛接触的国际视野，地理位置和学术名望都不如哈佛、加州、麻省等名校 [4]。

但他们变被动为主动，运用密歇根大学的有利资源： 首先，兰德尔教授和科尔比教授开始尝试教授理论物理课程，创新物理系的人才管理制度;  其次，科尔比教授前往欧洲招募理论物理人才，并在1923年9月将奥斯卡·克莱恩（Oskar Klein）招入麾下; 再次，兰德尔教授计划培养已崭露头角的学生前往欧洲学习深造克莱恩来到密歇根大学之前，是在哥本哈根的理论物理学研究所（1965年改名为尼尔斯玻尔研究所，下文简称玻尔研究所）与尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）共事五年，他既是玻尔亲密无间的助手又是玻尔非常要好的朋友（图2）①克莱恩的到来无疑将欧洲最新的理论物理研究带到了密歇根大学物理系1923—1925年，克莱恩留在密歇根大学物理系的两年时间里，他一直和玻尔保持通信联络在工作上，克莱恩和玻尔讨论如何处理当时量子理论面临的危机、自己正在研究的论文和教学等;  在生活中，克莱恩迫不及待地向玻尔分享自己第一个儿子出生的喜悦（[5]， pp. 8—9）克莱恩到来时，恰逢丹尼森在进行甲烷的红外光谱理论研究在论文写作的内容和方法上，他都给予丹尼森非常耐心的指导通过克莱恩，丹尼森了解了欧洲物理学前沿的发展情况，他强烈地希望去哥本哈根深入学习[6]。

1923年秋，尼尔斯·玻尔来到美国密歇根大学做演讲，玻尔顺道访问克莱恩时遇见了丹尼森丹尼森给玻尔留下了很好的印象，玻尔邀请他前往哥本哈根继续研究，这让丹尼森更加坚定了自己拿到博士学位后，要像父亲一样留学欧洲深造的目标同时他也意识到，前往哥本哈根需要资金资助丹尼森主动寻求美国国家科学研究委员会的资金资助，但了解到目前国家科学研究委员会只能提供给他国内深造的助学金后，丹尼森婉拒了1924年，是丹尼森人生中非常重要的一年：这一年春，通过史瓦兹摩尔学院一个教授的帮助，丹尼森获得了洛克菲勒基金会给予的两年欧洲留学——约2000美元的助学金[6];  丹尼森和认识一年、来自密歇根州立大学的海伦（Helen Lenette Johnson）订婚并于8月结婚，后来他们育有两个儿子;  在导师奥斯卡·克莱恩和科尔比教授的指导下，丹尼森完成了自己的博士论文——“甲烷的分子结构和红外光谱”（The Molecular Structure and Infra-Red Spectrum of Methane），文章于1924年9月刊登在美国《天体物理学杂志》上，密歇根大学的第一篇理论物理学论文就这样诞生了;  是年9月，丹尼森带着他的新婚妻子乘坐斯堪的纳维亚美国线（Scandinavian America Line）的赫利格·奥拉。