中国固体物理学奠基人黄昆

发布时间: 2021-04-22

导读:本期介绍的是中国固体物理学和半导体物理学奠基人黄昆先生。清华物理系朱邦芬院士曾与黄昆先生共事多年,从朱老师的分享中,我们了解到黄昆先生的很多故事。今天,让我们一起来追忆黄昆先生杰出的学术贡献和他独特的人生故事。

黄昆(1919-2005)

图片来源:清华大学物理系研究生会

黄昆先生于1919年9月2日出生于北京。1941年,黄昆毕业于燕京大学,取得理学学士学位;随后于西南联大担任助教。1942年,黄昆在西南联大读研究生,师从吴大猷先生。在西南联大期间,他与杨振宁、张守廉三人关系甚好,他们既是同班同学,一段时间又是室友,经常一起上课、下课泡茶馆讨论问题。1944年,黄昆于西南联大获得物理学硕士学位,并考取“庚子赔款”留英公费生;次年赴布里斯托尔大学攻读博士学位,师从N. F. Mott;1947年开始,他部分时间在英国爱丁堡大学,与玻恩(Max Born)一起开展合作;1948年,黄昆获得了布里斯托尔大学博士学位。博士毕业后,黄昆在英国利物浦大学半时从事研究工作、半时和玻恩合作写书,他后来的夫人A. Rhys当时也在利物浦大学任理论物理系系主任Frohlich的秘书。

对于当时黄昆这样一批海外留学知识分子来说,回国还是不回国,是最关心的问题。黄昆先生在1947年写给杨振宁的一封信中表达了自己的想法,他认为:“中国有我们和没有我们,makes a difference.” 1951年10月,黄昆先生回到祖国,任北京大学物理系教授。1952年,A. Rhys来到中国,与黄昆结婚,取中文名为李爱扶,并与黄昆一起在北京大学物理系工作。

黄昆先生与夫人李爱扶

图片来源:清华大学物理系研究生会

1955年,黄昆先生遴选为中国科学院学部委员(后来改称院士);1977年,他任中国科学院半导体研究所所长;1983年,任中科院半导体所名誉所长。

黄昆先生一生中最主要的学术贡献包括:

1947年,于博士期间发表《稀固溶体中X射线漫散射》一文,从理论上预言了“黄散射”;同年,理论计算了金中溶入银原子的稀固溶体的结合能和剩余电阻,为固体物理中著名的“Friedel振荡”奠定了基础;

1947-1952年,与玻恩合著《Dynamic theory of crystal lattice》一书(中文译名《晶格动力学理论》),该书于1954年出版,至今仍是晶格动力学领域的奠基权威教材;

1950年,提出“黄方程”,唯象地描述离子晶体中长波光学声子和宏观电磁场之间的相互作用;同年,与A. Rhys一起发表《F中心光吸收与无辐射跃迁理论》一文,提出了晶格弛豫基础上的多声子光跃迁与无辐射跃迁理论,被称为“黄-里斯理论”;

1950-1951年,提出“声子极化激元”的概念;

1979-1981年,重新研究多声子无辐射跃迁理论,澄清了国际上30年来围绕无辐射跃迁理论发展出现的混乱,为静态耦合计算提供了理论依据;

1988年,与朱邦芬院士一起提出关于半导体超晶格中光学声子模式的“黄-朱模型”。

黄昆先生与清华的渊源从西南联大时期就开始了。当时在西南联大期间入学的本科生不分清华和北大,统一都是联大学籍;但是研究生阶段,学生的学籍取决于导师。黄昆的研究生导师是吴大猷,所以黄昆的学籍属于北大。不过黄昆入学前曾在西南联大担任助教,入学后的同学杨振宁、张守廉都属于清华人,大家都在一起上课,老师也都在一起,因此黄昆也可以算作清华的校友了。

从左到右依次为黄昆、张守廉、杨振宁

三人在西南联大时期被称为“三剑客”

图片来源:清华大学物理系研究生会

黄昆博士期间跟随Mott待了一年多,总共完成了三篇论文,其中两篇是他独立完成的。第一篇是Mott给了他两个题目让他选,他选的是晶体内杂质和缺陷对X射线散射的影响,也就是后来的“黄散射”。他用简单的模型抓住了这个问题的要点,做了三个月就完成了,写的文章也很快就发表了。Mott希望找个做X射线衍射实验的人验证一下黄昆的理论成果。后来,Mott请了相关物理学家作报告,并让黄昆跟他讨论一下,黄昆有点怯场就没去。当然限于当时条件实验也不太可能,真正验证黄昆理论的实验是在20年后才实现的。

第二篇文章的题目是黄昆自己想的,他想研究合金中价电子数相同的不同原子对电子输运的影响。他认为,尽管两种原子的价电子数目相同,但由于逸出功不一样,还是会有电荷转移。这实际上是散射的一个重要机制,涉及到带电杂质的屏蔽问题。黄昆用量子力学和平均场近似研究了这个问题。同时他又研究了合金的“剩余电阻”(电阻有两部分:一部分与声子有关,依赖于温度;另一部分与杂质有关,叫剩余电阻)。这个工作在当时相当有开创性,但可惜没有做彻底,他只计算到了最近邻,再远的地方没有计算;后来Friedel把屏蔽算得更远,就有了著名的“Friedel振荡”。

当时Mott的学生很多,而且很多是第三世界国家去的。对于黄昆要回国这件事,很多第三世界国家的同学感到很惊奇,他们觉得中国这么穷、这么乱,回去又能做什么?黄昆心里其实很清楚,他在给杨振宁的信中曾说:“中国有我们和没有我们,makes a difference.” (据朱邦芬说,黄昆这封1947年的信一直由杨振宁保存,朱到清华后,杨先生把信的复印件给他,要他问黄昆是否还保留杨的回信。但黄昆在文革中把当年的信都销毁了。)除此之外,黄昆先生的回国也是遵循了当时的要求,他当初留学时拿到庚子赔款公费,相当于拿了国家奖学金,按要求留学时长是三年;后来他拿到了北大物理系的offer,但由于他要与玻恩合写《晶格动力学理论》,再加上又获得英国的ICI基金会支持,所以在英国多工作了三年,为此他还给时任北大物理系系主任饶毓泰写信申请批准。最后黄昆在英国总共待了六年;对于在英国的经历,黄昆认为自己的收获要比周围的人多得多。

朱邦芬老师第一次正式与黄昆先生交谈是在1981年。当时朱老师从清华硕士毕业,来到中科院半导体所工作;进入黄昆研究组以前,黄昆对朱老师进行了“面试”。据朱老师的回忆,黄昆先生面试的一个特点就是喜欢追问,而且是无法准备的追问。黄昆问朱老师最近看了什么书,朱老师说刚好看了黄昆的一篇关于晶格弛豫的文章。黄昆就开始围绕晶格弛豫这个概念一直追问下去,看朱老师能回答到什么程度,就大致能知道他的思考有多深入。

严格来说,朱老师并不算黄昆正式的博士研究生,只算他的一个合作者。黄昆说自己不擅长带学生,他认为给学生题目是很难的事情;太难的题目,学生做不出来会影响毕业;太容易的题目有时候自己就做了。所以他觉得还是合作关系比较好,这样就可以没有时间限制地研究问题。

朱老师应该是与黄昆合作最多、合写文章最多的人。二人经常讨论问题。每天早上八点上班时,先花半小时到一小时讨论大家前一天的进展和想法;讨论完就各做各事,中间有何事情会再讨论。黄昆先生一点也没有架子,与朱老师平等相处;有时朱老师跟他有不一样的观点,二人就有很多争论,经常互相否定对方的观点。黄昆说他们两个就像金庸小说里的桃谷六仙一样,喜欢辩论,总是纠缠不清。很多问题经过这样的讨论,大家的思考就更深了。

左:朱邦芬        右:黄昆

图片来源:清华大学物理系研究生会

除讨论外,黄昆还喜欢把自己最近的研究工作讲给朱老师听。讲一讲有很多好处,有时会发现逻辑上的漏洞,有时讲讲会突然有了新的想法。所以他非常喜欢做一个段落就讲一讲。黄昆做学术报告也喜欢预讲,这是他的习惯,越是重要的报告,准备得越充分、越早。朱老师印象中黄昆先生准备得最充分的一次,是1991年他去美国密西根大学做报告。那年密西根大学授予吴大猷先生荣誉博士学位,为庆祝此事,杨振宁李政道等举办了一个Workshop,邀请黄昆做报告。他提前半年就开始准备,系统整理了那几年的研究工作,然后写投影片(当时的投影片都是用笔写的),还亲自设计请人画了一张回忆在昆明当吴大猷学生情景的画。之后他就在家向他夫人试讲;他夫人听过几遍后,他又向朱老师试讲;朱老师听完后提了一些意见,他又修改、再讲、再修改。最后他又给整个理论组的人讲,还给半导体所的很多人讲。讲得差不多后,他又觉得投影片是手写的、别人不太好认,所以他又打印到投影片上。这些体现了黄昆先生做事情的一个很大的特点:非常严谨、一丝不苟。这对朱老师也有很深的影响。朱老师最初讲东西时思维很跳跃,黄昆就提醒他要注意逻辑关系。黄昆先生与玻恩的合著的英文版《晶格动力学理论》,从出版到现在快七十年了,至今还没有人发现书中有什么错误;这也是黄昆先生严谨风格的另一个体现。

朱老师当时每年的大年初二会去黄昆家拜年。但二人实际上就是在讨论工作,因为有几天没有见面讨论研究了。有时黄昆会在家用小的可编程计算器算点东西,然后把结果给朱老师看。每年朱老师去拜年的时候,总会带点水果之类的小礼品,有一次黄昆回赠他一件小礼品。朱老师已经记不清那是什么礼品了,但他清楚地记得黄昆所说的话:“你每年拜年总要给我送点东西,这回我要反击了。”

提到兴趣爱好,黄昆先生很喜欢听西洋歌剧,在西南联大时他特别喜欢哼歌剧《蝴蝶夫人》里的曲子。杨振宁知道他有这个爱好,所以有一次特地送他一些CD,包括《蝴蝶夫人》;但那时黄昆还没有CD播放机,于是后来杨振宁又从美国买了CD播放机送给他。黄昆唱歌也唱得很好,嗓音非常浑厚好听,但他很少唱。

黄昆的另一个爱好是爬山、走路。每个周末他都和爱人孩子到北京郊外爬山,一个礼拜至少爬一次山。后来年纪大了,山爬得越来越低;开始爬香山鬼见愁,后来爬颐和园万寿山,最后万寿山也爬不动了,就平地走走。黄昆每天都散步,走很多路,他和爱人一起散步,两人一前一后,也不说话,就低着头走。除此之外,黄昆和他夫人晚上睡前都喜欢看书,二人都喜欢看英文小说,家里有很多。

黄昆先生在中科院半导体所给研究生讲课

图片来源:清华大学物理系研究生会

朱邦芬老师从1985年开始,与黄昆先生在同一个办公室工作了15年。2000年1月,朱老师来到清华工作,之后二人还有过一些合作,但不多了。

1997年,杨振宁先生在清华大学成立了高等研究中心,在那次大会上,黄昆先生应邀做了正式的报告。2003年,朱邦芬当选为中国科学院院士,杨先生很高兴,邀请了黄先生一起来,大家一起在清华甲所吃了顿晚饭。

2005年7月6日,黄昆先生因病于北京逝世,享年86岁。

黄昆先生对中国固体物理学的贡献,不只体现在学术成就上;他也积极推动国家基础研究项目,促进相关研究领域的发展。黄昆先生去世后,与黄昆共事过的学生和同事们都曾写过文章悼念他。黄昆先生的伟大贡献和他独特的人生故事将永远被后人们铭记。

参考资料:

[1] 陈辰嘉、虞丽生主编,《名师风范:忆黄昆》,北京大学出版社,2008.

[2] 朱邦芬,《读1947年4月黄昆给杨振宁的一封信有感——纪念黄昆先生90诞辰》,物理·38卷 (2009年) 8期.