当代物理学在中国的发展

当代物理学在中国的发展（一）20世纪上半叶中国物理学家的重要成就本世纪初，一批中国学者到西方国家学习现代物理学知识，开展物理学的研究工作。他们中间一些人学有所成后，回国兴办教育，出版刊物，组织学会和创办研究机构。由于他们的辛勤劳动、不懈努力，在国内培养了一批优秀的青年物理学人才。这些人再次被派遣出国留学深造，并在物理学研究方面做出了许多出色的工作。20世纪上半叶，中国物理学工作者在国内外进行了大量的研究工作，在物理学的各个领域都做出了一些一流水平的成果，对现代物理学的发展做出了重要贡献。1．力学力学是研究物质在力的作用下运动和变形规律的一门科学。它以研究天然的或人工的宏观对象为主，也涉及宇观或细观甚至微观各层次的对象及有关规律。按照上半世纪我国的科学划分，力学也属于物理学范畴内，在力学领域取得重大成就的学者也都是物理学家，故将其归之于物理学领域加以记述。我国学者在力学领域所取得的重大成就，主要在流体力学和应用力学方面。流体力学：周培源(1902～1993)1938年在西南联合大学时即开始进行不可压缩粘性流体理论研究，在国际上首先提出了脉动方程（或称涨落方程），建立了普通湍流理论。根据这一理论对一些流动问题做了具体计算，计算结果与当时的实验符合得很好(1940)。他的研究成果曾获当时国家教育部自然科学类一等奖。张国藩(1905～1975)从30年代开始从事湍流理论研究，他认为流体力学传统的Navier-Stakes方程不能用于湍流，而必须先把湍流的物理机制搞清楚，按新的物理模型建立基本方程。为此他完成了以下工作：(1)类比分子运动论的方法，建立了湍流“温度”、“压强”和“熵”等物理量，并将它们编入流体力学方程，相当详细地讨论了湍流通过圆管和两个平行面之间的情况，并扼要地讨论了湍流的衰减、湍流结构和关联作用的特性等问题。后来他又发展了上述思想，用量子统计方法求湍流能谱分布式。(2)论证了湍流运动是一种非牛顿流体运动，其内部阻力应改用幂数式表示，并依此建立了他自己的湍流运动方程。1950年，卢鹤绂(1914～1997)提出流体的容变粘滞性理论，从而推出霍尔假定的容变弛豫方程，并在声传播和吸收现象上取得初步成效。1951年，他又在全部频率范围内将容变粘滞弹性理论应用到超声（及声源前川流）的传播和吸收现象上，得出能够描述实践经验的有概括性的公式。庄逢甘1950年也研究了湍流的统计理论。1944年，林家翘(1916～)在美国加州理工学院对二维平行流稳定性的研究取得了突破性进展。他首次运用渐近分析方法求出了完整的中性曲线，从而得出临界雷诺数。他的理论结果被后来的实验和数值计算所证实，并第一个获得美国物理学会颁发的流体力学奖金(1979)。李政道(1926～)于1950～1951年，讨论了湍流。他通过将Heisenberg湍流横型与实验结果相结合，而计算了各向同性湍流的涡流粘滞系数，证明在二维空间中不存在湍流。40年代，钱学森(1911～)与VonKarman共同提出跨声速流动相似律和高超声速流动概念，为空气动力学的发展奠定了重要理论基础。1946年，钱学森与郭永怀(1909～1968)共同提出，在跨声速流场中有实际意义的临界马赫数，不是原先被重视的下临界马赫数，而是来流的上临界马赫数。这对航空技术中突破声障碍有重要意义。以后，郭永怀又把该工作推广到包括有曲率流动和绕儒可夫斯基薄翼流动的情况，研究了绕物体跨声流动的稳定性问题。他对于高超声速可压缩粘性流体绕尖劈运动及其离散效应等，也进行了成功的研究。在应用力学方面，20年代中期，魏嗣銮(1895～1992)在德国研究应用力学课题，以变分法探讨了均匀负荷四边固定的矩形板的挠度和弯矩。30年代，丁西林(1893～1974)创造了一种可逆摆，用以精确地测定g值，从而避免了过去以摆测定g值的许多实验误差。30年代中期，江仁寿以一种带有惯性棒的双线悬挂装置测定了液态碱金属的粘滞性，他所改进的方法后来被广泛用于其他液态金属粘滞性实验之中。1940年，钱伟长(1912～)首先以三维弹性理论为基础，用张量分析微分几何为工具，建立了薄壳和薄板的统一内禀理论，其结果证明可以用板壳的中面拉伸应变和曲率变化六个分量表示全部求解方程；并指出在Kirchhoff-Love的通常假定下，可以根据板壳厚度、曲率张量、拉伸应变和曲率变化等四种物理量相对量级，把薄壳问题分为各种类型，它们的一级近似求解方程都各不相同。国际上有关薄壳SS12中的张量方程组，以及从该方程组导出的圆柱浅壳和圆球浅壳方程被称为“钱伟长方程”。2．相对论、引力论及宇宙论20年代后期，周培源就从事广义相对论和宇宙论的研究。为了解决用于表示爱因斯坦引力场的10个二阶非线性偏微分方程组中存在着一组由4个独立的非线性偏微分方程所组成的Bianchi恒等式，致使仅仅用引力方程得不出10个引力函数（即引力张量的10个分量）的确定解这个难题，他主张附加物理条件，并曾引进一个条件，从而获得轴对称引力场的一些解。1936～1937年，周培源在美国普林斯顿高等学术研究院参加爱因斯坦主持的讨论班时，又计算了不同条件下静止场不同类型的严格解，并证明在各向同性条件下，爱因斯坦引力场方程本身即可给出Friedmann宇宙的度规张量，使得该问题的解决大大简化。30年代，束星北(1907～1983)探索引力场与电磁场的统一理论，这在当时是一个超时代的课题。虽然他的研究未取得有实质意义的进展，但他的有关研究对后人还是有启发性的。40年代初，胡宁(1916～)在普林斯顿高等学术研究院从事关于引力辐射阻尼的研究。他采用广义相对论里通常的坐标条件，改进简化了爱因斯坦等人的方法，首先计算出双星系统的反阻尼结果。他的这一工作被普遍认为是该方面理论研究的创造性贡献。胡宁认为由于广义相对论里的力不是协变的，所以反阻尼的结果是可以理解的。他后来的工作指出坐标条件不是必需的，主张使用附合实际的物理条件，可以得到合理的结果。70年代末，正是在双星辐射阻尼的观察上得到引力波存在的第一个证据。3．声学在古代，中国是对声学做出突出贡献的国家之一，到了近代，中国声学研究比较落后。50年代中期以前只有少数科学家对少数的分支学科进行过一些研究工作。在空气声学方面，20年代后期，叶企孙(1898～1977)测定了清华大学礼堂的音质，提出了改进该建筑物音质的具体办法，并发表了《清大学礼堂之听音困难及其改正》的论文，开创中国建筑声学研究之先河。马大猷(1915～)应用求解波动方程并使其满足厅堂边界条件的物理声学方法，建立了房间声学简正波的理论基础。早在1939年，他就突破了声波要远小于房间尺寸和物体大小的限制，首先求得低频范围下矩形空室中的简正波频率分布公式，建议将它推广到任意形态的房屋之中。接着他又与Hunt、Beranek合作，利用受壁面声阻抗影响的阻尼声波简正振动方式而分析了均匀壁面矩形室中的声衰变，提出了分析混响的新方法。40年代，他利用波动声学方法探讨了矩形室中非均匀的声边界、颤动回声以及房屋音质的起伏等问题。第二次世界大战期间，汪德昭(1905～)在法国国防部第四研究组承担了反潜声呐的研究，先后在主动声呐加大功率和以气压哨声消除雾滴的研究方面做出优异成果。魏荣爵(1916～)是中国声学事业创始人之一，1950年，他在美国加利福尼亚大学运用分子的弛豫吸收理论，成功地解决了低频声波在水雾中的反常吸收现象，指出声波导致气液两相转换是声能消散的原因。他还进行过声波消雾的研究。在超声学方面，40年代初汪德昭在法国用声栅光衍射方法研究了超声波在二硫化碳液体中的声吸收。这一早期的实验结果被称为是该领域最可靠的数据之一。1941～1943年，许宗岳(1911～1974)在美国布朗大学从事水超声吸收的精确测量与理论研究。他用自己提出的力积分天平法，消除各种干扰，提高了灵敏度，在10～50MHz频率范围内，测得室温下自来水的2av-2×1017平均值为45.4cm-1sec（2α为声强衰减系数，v为声频率）。此数值与经典stokes公式计算值有明显的差异。他在解释这一结果时，提出将stokes公式修改为2a/v2=4π2(λ+2μ)ρ0c3，即除了考虑水的剪切粘滞系数μ以外，还应考虑“压缩”粘滞系数λ。许宗岳的这一研究成果被称为声吸收测量的代表性工作和主要参考资料。40年代末，北京大学杜连耀在美国从事微波超声的产生及应用研究，发表论文10余篇，在1952～1955年间研制成钛酸钡压电陶瓷的加压和极化工艺，可取代昂贵的石英。他回国后继续从事超声学的研究工作。4．热学、热力学和统计物理学20世纪上半叶，中国物理学家在热学、热力学和统计物理学方面曾有过比较出色的研究成果。1936～1937年间，王竹溪(1911～1983)将H.A.Bethe于1935年提出的超点阵统计理论推广成为普遍理论，既适用于组元浓度相等，也适用于组元浓度不相等的情形，而且处理的是相当普遍的一类长程相互作用，找到了计算超点阵位形分配函数的近似方法，从而在形式上给出了超点阵问题的普遍解。在随后的多年中，超点阵仍是王竹溪继续研究的课题。1942年他指导杨振宁做硕士论文的题目就是超点阵。杨振宁后来回忆说：“王先生把我引进了物理学这一领域（统计力学），此后，它便一直是我感兴趣的一门科学。”（《读书·教学四十年》，香港三联书店）王竹溪还对多元系的平衡与稳定性的热力学理论做了深入的研究，发展了一极普遍的数学理论，它在整个热力学理论体系中具有基本的重要性。他的长篇论文和在其专著《热力学》（1955年版）中对平衡稳定性的讨论，至今仍然是这方面必须参考的重要文献。张宗燧(1915～1969)于1936～1938年在英国剑桥大学学习期间，便开始从事统计物理学方面的研究，在合作现象，特别是固溶体的统计物理理论研究做出了重要贡献。1937年，张宗燧将Bethe提出的超点阵统计理论推广到包括了近邻原子对之间的相互作用。1940年他回国任重庆中央大学物理系教授，与他的学生一起研究合作现象，建立了求固溶体位形自由能的方法，该方法不仅较为简单、可靠，而且应用面较广。他还讨论了合作现象中的准化学公式的改进问题，对量子系统的各态历经问题也进行了研究。30年代，葛正权(1896～1988)在美国柏克莱加州大学所进行的以分子束测定Bi2分解热和验证Maxwell速度分布律的实验，是当时闻名的工作。该实验不仅在测定分解热方面取得了比前人精确得多的结果，更重要的是在验证Maxwell速度分布律方面取得了重大成就。他发现：实测的分布曲线与理论曲线相比，在高速端二者极为符合，而在低速端二者存在较大的差异。他分析了这种误差的原因和技术上的困难，从而导至发现了Bi8分子，同时也使以后数十年间不断地有人以各种方法重复验证Maxwell分布律。而葛正权的这个实验则被作为经典载入物理学著作之中。40年代在统计物理方面做研究的还有王明贞和王承书。王明贞(1906～)于1942年在美国Michigan大学首次独立地从Fokker-Plank方程和Kramers方程中推导出自由粒子和简单谐振子的布朗运动。1945年，她与G.E.Uhlenbeck教授合作的有关布朗运动理论的论文——《布朗运动的理论》，在近四十年的时间内一直作为了解布朗运动的权威性文献。王承书(1912～)40年代在美国从事统计物理学和稀薄气体动力学的研究。她根据Boltzmann方程研究稀薄气体并发现了线性化的Boltzmann方程积分算符的本征函数及本征值，提出了被称做WCU方程(王-Uhlenbeck方程)的多原子分子气体的修正Boltz-mann方程。此外，黄子卿1935年精确测定了水的三相点；陈仁烈1935～1936年研究了金属线和水银的纵向热电子发射；朱应洗1939年详细研究了在一些特定条件下通过气体的热传导现象；吴仲华1947年对四冲程内燃机的输入过程的热力学分析做了研究；杨立铭1948年研究了液体和气体的扩散理论，在流体的统计理论中，把Born-Green液体理论推广到混合液体，并用统计方法导出了分子的扩散系数。杨振宁(1922～)