原國立中央大學英籍教授司徒德生及其對物理學的貢獻

張梓佳 尹曉冬

(首都師范大學物理系,北京 100048)

國立中央大學肇始于1902年籌建的三江師范學堂,1905年易名為兩江師范學堂,辛亥革命爆發停辦.1914年,孫中山先生將其重建為南京高等師范學校.經過數年奮斗和不斷改革,南高校譽鵲起,學界中更有“北有北大,南有南高”[1]之說.1921年改建為東南大學,成為南京最早的國立綜合性大學.是中國近代地學、生物學、教育學、農學等學科教育與研究發展的搖籃,培養出眾多著名學者.

1927年,國民政府實行大學區制,改名東南大學為第四中山大學.1928年2月,更名為江蘇大學,同年5月,又改名為國立中央大學.1932年,羅家倫(1896—1969)受命擔任校長,他堅決執行“安定、充實、發展”的治校方針,使得國立中央大學蓬勃發展.羅家倫認為辦學最要緊的是師資,特別重視網羅人才,在其上任的第二年,中央大學僅理學院就新聘了十多位學者為教授.

1937年前后中央大學的師資實力已經處在全國的前列.其中尤以理學院和工學院的教授為多,幾乎占全校教授的40%[1].20世紀30年代中央大學所聘的教授中不僅有留學國外的中國學者,也有少量外籍學者,其中1935—1937年就曾聘請英籍物理學博士司徒德生為理學院物理系教授,本文根據所掌握的中西史料,對這個不曾被人注意的來華物理學家及來華史實作番淺述.司徒德生本人缺少單人照片,文中照片均為萊斯特大學物理系提供.

1 司徒德生生平簡介

司徒德生(Stewardson,1904—1973)1904年出生,就讀于北威爾士(North Wales)的哈瓦登郡學校(Hawarden County School).1924年,司徒德生以物理學一等榮譽學位(first class honours)從利物浦大學(The University of Liverpool)畢業,1925年獲得理學碩士學位.畢業后留校任助教.1926年,司徒德生進入劍橋大學攻讀博士學位,師承著名物理學家湯姆生教授(Thomson,1856—1940).1928年,司徒德生回到利物浦大學負責各級物理教學的管理工作.任職期間,他先后獲得該校洛奇獎學金(Oliver Lodge Fellow)及科學工業研究所的高級研究獎金.他發表的第一篇論文報道了一種結構簡單的薄膜彎曲型壓強計的設計.這種壓強計對于10-4mm 汞柱數量級的壓強差敏感,非常穩定可靠[2].

1935年司徒德生受聘到中國任中央大學理學院物理系教授.1937年返回英國,暫時休假以躲避日軍侵華,1939年二戰爆發使他未能重返中國.1940年任萊斯特大學(University of Leicester)物理與天文學系系主任,其間帶領物理系在太空空間領域進行深入研究,使得物理系迅速發展.1946年,司徒德生成為物理系首席教授.在職期間擔任萊斯特大學理事會會員,參與制定萊斯特大學未來教學目標及教學計劃.1969年退休,成為萊斯特大學物理系榮譽退休教授[3].

圖1 1957年萊斯特大學理事會人員合照第二排左三

2 國立中央大學執教

1932年9月5日,羅家倫接任中大校長一職.他是中央大學21年歷史中任期最長的一位校長,在校期間對于學校的發展有著較大的貢獻.羅家倫認為辦學最首要者為師資,他曾說：“聘人是我最留心最慎重的一件事.”他上任的第二個學年就開始聘請中外著名學者為教授,在國立中央大學開展教學工作,此后也一直未曾懈怠[1].正是因為羅家倫校長的這種辦學理念,在他任職期間,司徒德生才會來到國立中央大學進行教學.

1934年12月8日與 12月13日,國立中央大學分別給中英庚款董事會和中英文化協會致函,提出關于聘請外國教授講席一事.在此之前,中英文化協會曾經給中央大學關于司徒德生的簡歷以及他的推薦信,共有4 封推薦信.會長王學杰在信中說明了司徒德生的行程,以及抵京日期和其臨時住所.之后的幾封信中明確列出對于司徒德生來華任教,每舉辦一場講座中英文化協會將會提供一萬元補助,包括其眷屬在內的旅費也將由中國方面全部承擔.對于司徒德生在華受聘期間薪資更是做出了詳細的介紹.

司徒德生在中央大學受聘的3年里,主要負責數學物理和量子力學課程講解,量子力學課程中所涉及知識面十分廣泛.受聘期間,司徒德生作了多次講座與演講.

2.1 講授量子力學課程

量子力學的建立,不僅對物理學,對整個自然科學都產生了巨大的沖擊,它向人們提供了一種新的關于自然界的表述方法和思考方法.量子力學成功的解釋了微觀物質世界的基本規律,成為原子物理學、固態物理學、核物理學的理論基礎.量子力學已經成為人們研究微觀現象和物質結構問題的一個十分有效的理論工具[4].

司徒德生從1935年2月28日起,每周開設兩小時量子力學課程,對自1913年玻爾量子論建立以來的量子力學發展過程及涉及到的主要物理理論進行講解.課程中除了對比較重要的基礎理論,如矩陣力學、波動力學等進行單獨講解之外,司徒德生還介紹了廣義經典力學中的一系列方程式,并對其與傳統量子理論的關系進行講解說明量子力學與舊量子論進行比較;闡述實際研究中對于量子理論的需要,使學生對于所學知識能夠有更深層次的認識.課程中后期,司徒德生試圖從物理的角度來描繪原子的進程,著重對量子力學中所存在的一些特殊問題所對應的解決方案進行了講解;在量子力學的發展中,實驗研究和理論研究都起到了至關重要的作用.人們可以在實驗中探索出新的領域,產生新的疑問,或許就會導致新的假說和理論的出現[4].司徒德生抓住了量子力學發展中的這一精髓,用實驗的方法對其中的理論加以證明,意在培養學生的探索精神.同時,司徒德生在課程中還指出在量子力學的發展中所存在的潛在性障礙,以及量子力學在其他領域的應用前景[5],既完整的介紹了量子力學的理論內涵,又不會將學生完全束縛在理論框架之內,為他們日后的研究探索提供一條可行之路.

20世紀早期,中國讀物理的人雖然很多,但是真正研習理論物理的人卻很少.量子力學在1926—1928年期間,在國內有了比較好的發展,大量相關論文集中涌現.1930—1937年,大學中的物理系雖然開設了一些物理課程,但由于缺少經費和實驗儀器只能進行很零星的實驗研究工作.因此,以理論物理為研究方向的學者們大多加入研究所,很少有人從事教育行業.司徒德生應邀開展量子力學課程,對量子力學基本理論進行講解,使得更多的學子能夠學習到理論物理基礎知識,為他們日后的研究奠定了扎實的理論基礎[6].

2.2 講座報告

司徒德生受聘于國立中央大學期間,開設了多次公開講座.其講座內容多與氣體反應和原子物理相關,介紹他一直以來感興趣的研究領域.由于司徒德生來自英國,體驗了英國各年級物理教育,對物理教學也有著豐富的經驗和自己獨到的見解.因此,國立中央大學物理系邀請他自1936年11月19日起,每周固定時間舉辦討論會,對英國物理大學、中學的物理教育情況進行介紹,為我國當時的教育事業提供參考[7].

從1936年11月開始,國立中央大學物理系全體教員開始組織物理討論會,由各位教授報告物理學近期的發展以及自身的研究心得.司徒德生與時任教國立中央大學的鄭華熾教授一同參與了物理系的第二次茶話會,將自己目前的研究成果以演講的形式向物理系學生進行介紹[8].

3 司徒德生的物理成就

司徒德生所涉獵的研究領域十分廣泛,發表過多篇論文.1950—1960年間,司徒德生作為萊斯特大學物理系教授,組織并帶領研究小組,通過真空X射線光譜專攻稀土元素領域,他與合作者一起測量了鉺(68Er)、鈰(58Ce)鐿(70Yb)等稀土元素的 X 射線吸收譜.在他們的一系列測量鉺的實驗中,有一次將比以往用的厚得多的鉺氧化物(Er2O3)層敷在X 射線管陽極上,驚奇地發現找不到所期待的發射譜線,卻找到了清晰的鉺吸收譜線 MⅣ和 MⅤ的邊緣.究其原因,發現鉺氧化物敷層在電子束作用下發生了卷曲,與下面的金屬靶發生分離,電子束直接打在金屬上,產生的X 射線穿過卷曲的氧化物,發生了吸收[9].

司徒德生對于萊斯特大學物理系的發展做出了極其有意義的貢獻.尤其在空間 X 射線方面,司徒德生在此領域擁有突出的研究成果.二戰結束后,萊斯特大學物理系開始迅猛發展,司徒德生帶領著萊斯特大學物理系在X 射線領域不斷前行,20世紀50年代后期,英國空間研究計劃認為應該研究太陽的軟X 射線的發射.在司徒德生教授的領導下,萊斯特大學成立了一個研究小組致力于空間物理的軟X 射線的研究.他的努力使得萊斯特大學物理系在英國眾多優秀大學物理系中成為了佼佼者.他所研究的知識之于現在仍舊處于科技前沿,在X射線天文觀測組(XROA,X-ray and observational astronomy group,起源于20世紀60年代早期,高能天體物理觀測組織,在X 射線天文學領域處于世界領先地位.)中仍在進行著深入的研究,在世界范圍內擁有較高的研究價值(萊斯特大學官網,https：/ /le.ac.uk/).多年來司徒德生發展了大量實驗技術,這些技術是他科學生涯中重要的財富.例如他們將云母晶體真空分光儀中的鋁窗口密封的正比計數器改為塑料窗口的氣流正比計數器,使波長受限制的情況得到改進,提高了測量精度[10].

3.1 軟X射線光譜與原子物理

司徒德生對軟X 射線光譜學領域擁有極大的研究興趣,他是歐洲空間研究組織(ESRO)火箭項目發射計劃小組委員會的成員,1963年春天,他參與了ESROⅡ的任務及有效負載標準擬定工作.ESROⅡ進入太空后旨在研究太陽和宇宙輻射,小組委員會需要在此方面提出具體可行的推薦方案.作為小組成員,司徒德生通過研究提出ESROⅡ軟X 射線的有效研究范圍為 1～20 ?.1964—1965年,STC對此標準進行了最終的確定,并批準實施.司ESROⅡ衛星對于歐洲和英國的空間探測技術都有著重要的意義.ESROⅡ的發射開始了歐洲科學家們的太空研究,對探索宇宙環境,發展空間儀器都有著巨大的推動作用;同時,ESRO Ⅱ的探測數據對于NASA 的發展也有一定的幫助[11].1966年,司徒德生又參與了TD-2(歐洲空間研究組織發射衛星,主要用于太陽空間研究)有效負載配置的最終決策項目,負責確認太陽 X 射線光譜的研究方案的可行性[3].除了將軟 X 射線運用到空間研究,司徒德生教授在有關于原子物理的其他方面也一直保持著強烈的興趣,他對電子-原子撞擊有著濃厚的興趣,在20世紀50年代,司徒德生教授在萊斯特大學監督并指導完成了范德格拉夫加速器的建立[11].當時有不少人研究電子的核散射,但由于同時測量入射和出現在強的X 射線背景中的散射電子束的強度相差10-7～10-8倍,有較大困難,他的研究小組利用靜電發生器產生能量達到1 MeV,電流達到幾十微安的入射電子束,利用鋁制法拉第圓筒收集微分截面低于10～25 cm2上的電子,直接送到靜電計三極管測量,同時用電流計測量總的入射電子束,克服了這一困難[12].由于制備薄到足以給出顯著單次散射且能支撐自己的鈾箔很困難,他們用鈾金屬真空濺射到薄鋁箔上,用復合箔進行測量.在濺射前后用石英微量天平測定濺射的鈾箔質量.實驗中使鋁面分別朝前和朝后單獨測量,再與用鋁箔的測量結果比較扣除鋁箔的影響[13].

3.2 Skylark項目

1946年,英國皇家航空研究院(Royal Aircraft Establishment)為了即將到來的國際地球物理年,著手設立了一個關于高空大氣的研究項目.在之后的10年中,英國皇家航空研究院陸續發射了一系列小型火箭.20世紀60年代,Skylark 發展為太空天文學的優秀研究平臺,成為英國第一個空間火箭項目.1961年第一艘載有觀測儀器的Skylark 火箭升入太空,負責收集高質量的太陽X 射線圖像[14].深入研究太陽X 射線能夠為電離層的結構以及活動特征提供基礎的數據,具有重要的意義.為了能夠最大程度的利用Skylark 火箭,需要對其所運載的設備進行不斷改進.20世紀50年代末期,倫敦大學火箭研究小組著手對Skylark 火箭運載檢測裝置進行改進,希望能夠在太陽X 射線和紫外輻射方面獲得更加精確的一手數據.在正式發射進入太空之前,倫敦大學需要對所制造儀器的實驗效果進行檢測,而當時,在司徒德生的帶領下,萊斯特大學 X 射線光譜研究小組已經制造出一臺完備的真空設備,其檢測水平在英國空間領域已經首屈一指,幾乎是唯一1臺能夠承擔此項任務的檢測設備.積極溝通之后,司徒德生教授同意為倫敦大學提供軟X 射線光譜分析方面的幫助.經過雙方的精誠合作,倫敦大學學院(University College of London,以下簡稱 UCL)在1961年得到了第一組太陽軟X 射線光譜的分析數據[3].隨著空間研究不斷深入,范圍不斷擴大,需要關注的方面也與日俱增,需要更多的專項小組同時工作.司徒德生對 Skylark 火箭項目一直十分關注,身為X 射線物理學家的他對此表現出了濃厚的興趣.1960年1月,一個專門從事于研究太陽及其他星源產生的X 射線的小組因此在萊斯特大學物理系組建.司徒德生任小組負責人,他邀請之前曾經有過合作的龐茲(Pounds,1934—,畢業于倫敦大學學院,英國火箭和衛星研究方面的佼佼者.)至萊斯特大學物理系任教,并與他共同指導小組工作.身為萊斯特大學物理系主任,司徒德生多數時間需要管理物理系的日常工作,研究小組的監管工作則更多地由龐茲主持進行.

1961年,他們最先完成了太陽軟X 射線光譜分析.之后的4～5年中,愈發成熟的萊斯特大學研究小組與倫敦大學之間一直保持著密切合作的關系.小組本身也繼續對X 射線進行探究,對其在不同金屬中的吸收情況進行了分析,并涉獵了空間實驗領域.以司徒德生為核心所建立的這個研究小組成為了英國第二個主要研究空間X 射線的組織.他們的研究小組對于Skylark 的后期發展起到了重要的作用.

圖3 萊斯特大學空間研究小組,右二

3.3 軌道太陽觀測站OSO項目

20世紀60年代,英國開始了和美國在空間方面的合作.當時,英國在太陽紫外線、X 射線,宇宙紫外線、X 射線方面頗有建樹.美國提供承載衛星作為載體,將英國制造的儀器送入太空,進行相關檢測工作.兩國共同發射了多個系列衛星.1962年4月26日,搭乘 Thor-Delta 火箭進入太空的阿里爾1號(Ariel1,英國與美國航天局合作發射的系列衛星中的第一個)是兩國合作發射的第一個衛星,運送七臺由英國大學制造,用來研究太陽輻射、宇宙射線等的儀器[11].

阿里爾1 號所運載的七臺儀器中,包括一臺正比例計數器分光儀,從此臺儀器所記錄的數據來看,太陽X 射線總強度的波長范圍為5～12 ?,但由于太陽耀斑的出現,推翻了這一結論,但是卻無法確定精確范圍.UCL 和司徒德生建立的萊斯特小組計劃利用阿里爾1 號進行一系列涉及面更加廣泛的實驗項目,對衛星運載設備進行不斷改進,所測得的太陽 X 射線波長強度也愈發精確.

隨著英美合作愈發密切,眾多合作項目都在迅速發展壯大.計劃于美國衛星上進行太陽輻射實驗的申請得到批準.此實驗由 OSO(Orbiting Solar Observatory)系列衛星執行.OSO D(之后易名為OSO 4)衛星承擔了此項任務,測量不同范圍的太陽軟X射線.它攜帶兩組儀器進入太空軌道.其中一臺便是由司徒德生帶領萊斯特大學研究小組,與倫敦大學合作,共同設計的正比例計數器,用于測量在1.3～18 ? 和 44～70 ? 兩個范圍內的 X 射線的強度.1960年,由于前期與倫敦大學的成功合作,一個致力于空間物理X 射線方面研究的研究小組于萊斯特大學成立,之后的五年中,這一小組的研究水平飛快提升.在司徒德生的帶領下,這一研究小組和倫敦大學認為,應當對不連續的太陽X 射線的來源進行研究,他們承擔了設計、制造了第一臺拋物線X射線反射器的科研任務,并由OSO F(易名為OSO 5)衛星攜帶進入軌道進行工作.兩臺儀器在衛星運行期間一直進行著準確的測量工作,所得結果對于X 射線研究起到了巨大的推動作用.通過分析正比例計數器數據,人們發現X 射線的爆發與太陽耀斑有關,并且以此進行了分類.同時,也發現了能夠預見X 射線發出的相關證據.由OSO 5 攜帶的拋物線X 射線反射器所得數據,為1973年1月世界數據中心C(World Data Centre C)所發表的關于太陽X 射線日常表格提供了重要的基礎數據[14].

4 結 語

司徒德生的一生始終保持著對科學、教育的熱情.

作為原國立中央大學物理系教授,司徒德生的授課和講座內容為中國大學的物理教育發展提供了來自西方的寶貴經驗,推動了當時量子力學在大學中的教育傳播,培養出了優秀的物理人才.作為教師,看似平凡,卻為中國物理日后的發展打下了一定的基礎;作為萊斯特大學物理系的首席教授,榮譽退休教授,司徒德生帶領萊斯特大學物理系進行空間科學探索,使萊斯特大學物理系的教學、科研水平躋身英國大學前列;作為太陽軟X 射線領域研究者,司徒德生不斷深入探索,建立起一流的測量團隊,任人唯賢,培養年輕一代,使測量技術得以傳承和發展,為英國太陽軟X 射線方面研究做出了巨大貢獻.

在生活中,他又是一位謙虛慷慨的紳士,在職期間,他將物理系視作自己家庭的一部分,愛護著其中的每個人.每年圣誕節前夕,他都會在自己的家中舉辦派對,邀請所有員工以及研究人員共迎圣誕(Pounds 教授 2017年4月13日訪談內容整理.).1973年,司徒德生謝世,由他的妻子捐贈,物理系設立獎學金項目.為了紀念這位睿智而又溫暖的教授,此項獎學金以他的名字命名——司徒德生獎.獎項設立于20世紀70年代,一直延續至今,每年都有學生獲此獎項(現任萊斯特大學物理系主任Paul 教授2017年4月12日訪談內容整理).司徒德生的一生看似平淡無奇,但他卻能夠保持初心,在研究和教學方面默默付出,貢獻出自己的綿薄之力,這樣的精神值得學習,這樣的默默無聞的奉獻者也應當為人們所知曉.