英国物理学家内维尔·莫特爵士的科学人生

侯 捷 尹晓冬

(首都师范大学物理系,北京 100048)

1 莫特的生平

内维尔·弗朗西斯·莫特(Nevill Francis Mott, 1905-1996)于1905年9月30日出生于英国的利兹.莫特出生于一个书香门第, 莫特的父亲查理斯·莫特(Charles Francis Mott, 1877—1967)是一位在英国有声望的教育家,母亲玛丽·莫特(Lilian Mary Mott, 1879-1952)则是切尔滕纳姆女子学院(Cheltenham Ladies’ College)的“明星”学生之一.[1]他们夫妇都曾在卡文迪什实验室(Cavendish Laboratory)学习过. 莫特先后就读于布里斯托大学克里夫顿学院(Clifton College, Bristol)和剑桥大学圣约翰学院(St. John’s College, Cambridge), 1923年12月,莫特以第一名的好成绩考入了剑桥大学圣约翰学院.在父母影响下, 莫特从小就立志成为一名物理学家, 他认为数学能力是物理研究必不可少的条件.

在剑桥学习期间, 莫特曾经去找他的导师福勒(Ralph Howard Fowler, 1889—1944), 请福勒给他一些工作, 但是福勒当时在美国,福勒让莫特等他回来的时候再来找他. 1926年, 薛定谔、海森堡等人关于量子力学的论文刚刚发表, 莫特在自学完这些由德文写成的前沿著作之后萌生了一个想法:他试图使用量子方法来推导卢瑟福散射公式. 经过不断地尝试,莫特取得了成功, 并把成果写成论文交给了已经回国的福勒. 福勒非常欣赏莫特的论文, 于是帮莫特把这篇论文出版在了1928年4月的《皇家学会会刊》上. 在莫特毕业的时候, 福勒引荐莫特去哥本哈根的玻尔研究所(Niels Bohr Institute)学习. 莫特曾提到, 他非常感谢福勒的帮助, 他认为福勒对他的帮助是“虽然并不多,但都非常有价值的”.[2]

在玻尔研究所学习期间,玻尔研究所活跃的研究气氛让莫特意识到, 物理学家不应该只是在办公室中独自钻研, 而是要多与其他人交换意见, 科学研究是一个社会性活动, 这样的经历使得莫特乐于与他人交流和合作. 1929年, 莫特应布拉格(William Lawrence Bragg, 1890—1971)的邀请到曼彻斯特大学讲量子力学, 期间将自己的讲义出版, 名为《波动力学纲要》, 对早期量子力学的传播和发展起到了一定的作用. 1930年, 莫特回到剑桥担任冈维尔-凯斯(Gonville and Caius College, Cambridge)学院的讲师. 这一时期莫特关于碰撞理论和电子散射理论的研究取得了丰富的成果. 福勒当时计划编辑出版一套《世界物理专著系列丛书》(International Series of Monographs on Physics), 其中包括许多著名科学家的作品, 包括狄拉克(Paul Dirac, 1902—1984)在量子力学方面的著作、伽莫夫(George Gamow, 1904—1968)在原子核物理方面的著作、范·弗莱克(John Hasbrouck Van Vleck, 1899—1980)在磁学方面的著作等等.[3]福勒邀请莫特来撰写一部有关原子碰撞方面的著作. 受福勒之邀,莫特与马塞(Harrie Massey, 1908—1983)共著了《原子碰撞理论》一书, 于1934年出版.

1933年, 莫特受廷德尔(A.M.Tyndall, 1881—1961)的邀请,出任布里斯托大学的理论物理学教授. 当时布里斯托物理系有一个出色的固体物理组, 成员包括研究金属与合金性质的琼斯(Harry Jones,1905—1986)、对金属吸收X射线的能力很有研究的实验家斯金纳(Herbert Skinner, 1900—1960)等人. 为了更好地带领这个团队, 莫特的研究方向逐渐转向了固体物理. 莫特将自己从哥本哈根获得的经验应用在了这个小组上, 积极地组织了许多讨论活动, 很好地将理论家和实验家的成果结合了起来, 在金属与非金属材料的原子、电子结构研究方面取得了许多成绩. 他与琼斯完成的《金属和合金的性质的理论》(1936年出版)以及与格尼(R.W. Gurney)合著的《离子晶体中的电子过程》(1940年出版)这两本经典的固体物理学著作是对莫特这一时期工作的总结. 这两本著作以精湛的数学表达来阐述物理原理, 帮助了一代又一代的固体物理学家.

1953年, 当时的卡文迪什教授布拉格即将退休, 于是剑桥大学成立了一个评选委员会, 来推选下一任卡文迪什教授. 在候选者中, 评委们最看好的是考克饶夫(Sir John Douglas Cockcroft, 1897—1967). 考克饶夫是倍压加速器的发明者, 在高能物理方面有丰富的研究经验, 是引导卡文迪什实验室进行核物理研究的不二人选. 不过在评选委员会询问考克饶夫的意见时, 他委婉地拒绝了, 原因是他已经在哈威尔建立了一个原子能研究所, 无法脱身前往剑桥. 于是委员们进行了再一次的讨论, 将莫特列为候选人. 虽然莫特的主要研究方向是理论和固体物理, 并不是核物理方面的专家, 但委员会最终决定让莫特担任下一任卡文迪什教授. 莫特认为他之所以能当选,是因为“卡文迪什实验室需要一个新的研究路线”.[2]固体物理作为新的分支学科, 在当时取得了很多突破性的成果, 发展前景十分广阔, 剑桥大学出于这样的考虑, 便选择莫特作为布拉格的接班人. 在收到出任卡文迪什教授的邀请后, 莫特感到“受宠若惊”. 同时他也有些担忧,他所带领的在布里斯托大学的固体理论研究是成功的, 而卡文迪什实验室是世界闻名的物理实验室, 他不知道自己能否胜任这项任务.

不过事实证明, 莫特的担心是多余的. 莫特上任之后, 进行了一系列的改革工作, 下文将会进一步的进行阐述. 他凭借自身的素质和能力, 担任过许多重要的领导工作, 处理事情不负众望. 莫特有时也打趣说他宁愿成为一个“学术政治家”. 在莫特的带领下, 卡文迪什实验室经过了改组和扩建, 走上了一条与以往不同的崭新道路, 开辟了许多新领域的研究工作, 并且在这些新领域里硕果累累, 出现了重大的发展.

2 主要学术贡献

2.1 莫特散射与位错研究

莫特初露头角是成功地对卢瑟福(Ernest Rutherford, 1871—1937)的散射公式进行了量子力学推导. 1911年卢瑟福正是通过对α粒子大角度散射过程的观察发现原子核的. 卢瑟福从经典理论出发, 把散射过程看作是一个带电的快速粒子打到带电的原子核上的碰撞行为, 提出了卢瑟福散射公式. 莫特认为, 根据薛定谔的观点, 粒子束可以看成波, 从薛定谔方程也应该可以推出卢瑟福散射公式. 经过不断的尝试, 莫特成功利用量子方法推导出了散射公式. 虽然这在量子理论发展过程中不是特别重要的成果, 但它对莫特以后的科学生涯起了很大的作用, 它给了莫特很大的信心, 让他坚信自己已经走上了成为物理学家的道路.

1929年, 莫特将狄拉克的电子理论应用到了核电子的散射上, 提出了电子弹性散射的二次散射理论. 莫特的这种散射理论后来被称为“莫特散射”, 随后发展成为“莫特电子极化术”, 其原理被应用于制作实验仪器, 在显微学、固体物理、高能物理等领域获得了广泛的应用.[4]1934年, 莫特与马塞共著了《原子碰撞理论》一书, 书中介绍了很多处理碰撞问题的数学方法和各种方法的应用范围及局限性, 是在原子物理及理论物理方面很有价值的一本参考书.[5]

从弗伦克尔(Yakov Il’ich Frenkel, 1894—1952)发现理论晶体模型刚性切变强度与实测临界切应力的巨大差异之后, 泰勒(Geoffrey Ingram Taylor,1886—1975)等人提出了金属位错理论. 莫特对位错理论产生了浓厚的兴趣. 在布里斯托大学任教时, 他领导的小组对金属及合金的性质(包括晶体的位错、强度等)这一新领域进行了深入研究. 莫特先后发表了多篇论文, 发展了位错理论, 并解决了一些位错理论中的难题, 如明确了固溶体和共格性沉淀硬化对位错运动的作用、提出了在两个不同滑移面上滑移的一种机制——“螺型位错交联滑移”等. 莫特分别在1936年及1940年完成了《金属和合金的性质的理论》、《离子晶体的电子过程》两本专著, 成为固体物理学的奠基人之一.

2.2 莫特绝缘体与非晶半导体的研究

自布里斯托时期以来, 莫特的主要研究方向是固体物理, 而当他发现了半导体物理这个新领域之后, 又很快转向了对半导体材料的研究. 能带理论是半导体物理的基础, 随着能带论的不断发展, 新的问题很快就出现了. 1937年, 在布里斯托召开的一次会议上, 德布尔(Jan Hendrik de Boer, 1899—1971)与费尔韦(Evert Johannes Willem Verwey, 1905—1981)指出, 根据能带论, 镍氧化物能量最高的价带应该是半满的, 这种物质应该具有导电性, 但通过实验测定, 它表现出来的却是非金属的性质, 这一现象引起了莫特的兴趣.[6]1949年, 莫特发表的一篇文章中提到, 在某些绝缘体内核心之间的距离很大, 而当这些核心很接近时(通过给予足够的压力可以实现), 超过一个临界值后就会变成导体. 他认为其原因就在于如果一些原子中的电子变为自由电子后, 就会影响到周围的电子, 帮助它们也变成电离化的状态, 并经过一个积累过程后突然转变为导体. 这种绝缘体与导体之间的转变后来被称为“莫特转变”. 莫特进一步考虑了镍氧化物中价电子之间的相互作用, 指出在镍氧化物中, 半填充的能带被分裂成两部分, 电子完全占据了一条能带, 而另一条是空的, 因此无法导电. 莫特成功地对这个现象做出了解释, 后来人们将这种绝缘体称为“莫特绝缘体”, 这是一个十分重要的概念, 大多数高温超导体的化合物都是莫特绝缘体. 莫特的合作者安德森(Philip Warren Anderson, 1923—)认为这是莫特在理论物理上最重要的贡献.

在60年代中期, 莫特对磁性和无序系统的电子结构进行了理论研究. 第一篇关于无序结构中电子位置的论文是由安德森发表的, 当时安德森正在卡文迪什实验室做访问学者, 与安德森的交流使莫特转向了对无序结构的研究. 莫特深入探索了无序结构中的电子过程, 使得安德森的局域化理论更加完善. 莫特指出, 虽然无序结构中的能带无法清晰地分开, 但是电子在无序结构的能带中会出现延展态和局域态两种情形, 这两种态之间有明确的边界. 莫特将这两种态的边界称之为“迁移率边界(the mobility edge)”. 若非晶结构的无序性越来越强, 就会出现安德森局域化, 在这种局域化出现之前的一刹那, 材料电导率为一常数, 莫特将其称为“金属最小电导率(the minimum metallic conductivity)”. “莫特绝缘体”、“迁移率边界、“金属最小电导率”这些概念丰富了无序结构的理论领域, 可应用于非晶硒、掺杂半导体、跃迁金属氧化物等不同种类物质的研究. 莫特的成果使得他成为了非晶半导体这个崭新领域的奠基人之一. 1974年, 莫特出版了《金属—绝缘体跃迁》一书, 书中对晶体、掺杂半导体、过渡金属氧化物、液态系统中的金属—绝缘体跃迁的规律进行了论述.这本书可以说是半导体物理学的一部名著.[7]

由于对无序结构的电学性质方面的研究, 1977年莫特与安德森、范弗莱克一起获得诺贝尔物理学奖. 莫特等人的工作将对非晶半导体的研究迅速脱离了理论范畴, 接近了实际应用领域. 非晶体材料的性质与半导体有相似之处, 可以作为半导体使用, 并且非晶体材料比半导体要好制备得多, 这使得利用非晶体材料来制作更廉价的太阳能电池成为了可能, 并且对计算机、复印机等设备的进一步改进产生了影响.

3 管理工作贡献

3.1 大胆改革

第二次世界大战后, 英国的经济实力大为削弱, 政治地位下降, 而美国则凭借地理优势、经济的富有和开放的民族性格, 吸引了大量东西方优秀的科学家. 当莫特还在布里斯托大学任教时, 就感受到了美国贝尔实验室掀起的微电子科技革命的冲击, 相对而言, 英国的固体物理已经大大落后了. 在莫特担任卡文迪什教授之前, 卡文迪什实验室的历届教授大多数是实验物理学家出身, 但随着固体物理和凝聚态物理的发展, 理论方面的重要性日益上升, 若要占领这些学科的前沿阵地, 就必须让实验室的重心偏向理论方向. 莫特在实验室管理上采取了很多新的办法, 进行大胆的改革.

自卢瑟福去世后, 许多出色的核物理学家离开了剑桥, 实验室里的仪器也已经“落伍”了, 卡文迪什实验室在核物理方面的优势逐渐衰落了下去. 于是继任卢瑟福的布拉格决定建造一个大型的直线加速器, 期望让卡文迪什重新成为核物理领域的领头羊. 不过由于资金和技术原因, 修建中的加速器依然不如美国先进. 莫特上任后, 经过反复的思考, 最终决定停掉制造大型加速器的项目. 一方面由于建造大型的加速器会占据大量空间, 耗费大量资金, 而且也存在严重的防辐射问题;另一方面, 莫特认为即使建成了这个大型加速器, 在高能领域也依旧无法超越当时的美国. 在莫特看来, 卡文迪什实验室是一个世界顶尖的实验室, 如果要做, 就一定要做到世界水平, 否则就不要去做. 而且莫特对自己的工作已有了下一步的打算, 他决定将卡文迪什实验室的研究方向转移到固体及凝聚态这些新兴领域, 大型加速器则与国外的实验室协商使用.

莫特还将当时刚刚兴起的分子生物学组从卡文迪什实验室分离出去, 原因是随着分子生物学组的扩大, 需要更多的房间和设备, 而卡文迪什实验室内已经没有什么空地了. 更严重的是在物理学家看来这个学科不属于物理, 因而对其存在和发展抱有抵触情绪. 于是莫特与医药委员会协商, 请他们投资建立了分子生物学实验室, 将他们从卡文迪什实验室分离出去. 这样一来分子生物学组既能得到更好的环境, 也无需再占用卡文迪什实验室的资源了. 同一时期, 卡文迪什的结晶学组也被停掉. 莫特在这两个组的原地方, 建立起射电天文学和固体物理两个新组. 这样, 卡文迪什实验室就基本完成了向理论方面的转化.[8]

莫特退休时, 卡文迪什实验室的学科从8个扩展到12个, 涵盖了流体物理、核物理、固体物理的各个学科. 在莫特的积极活动和筹措之下, 卡文迪什实验室的规模越来越大, 原有的建筑已无法容纳如此多的科研人员, 因此卡文迪什实验室建立了以皮帕德(Alfred Brian Pippard, 1920—2008)为领导的建筑委员会, 向剑桥大学提议扩建卡文迪什实验室. 最终剑桥大学同意了扩建计划, 在莫特退休后建立了新的办公大楼.

3.2 教育工作

莫特除了研究方面的工作外, 还非常关心教育教学, 在剑桥大学进行了一系列教育改革工作. 1954年, 莫特刚刚担任卡文迪什教授, 很难在实验室里找到自己的位置. 于是莫特决定先将他的工作重心放到教育方面, 而研究方面则需要与科学家们继续磨合. 据莫特回忆, 他在剑桥的教育方面有两个主要任务. 他发现剑桥大学的自然科学荣誉学位考试存在一些弊端. 当时学校的规定是在前两年学习3门基础课程, 然后在第三年才开始学习专业化的知识, 如量子力学及其后的所有课程, 而次年的5月就要进行终考, 学生没有太多的时间来消化新知识. 为了今后培养前沿人才的考虑, 莫特决心要让学生在第二年就接触到这些现代的新理论. 但是剑桥的老传统有很深远的影响, 莫特为此力争了3年, 经过不断地申请和协商, 最后终于通过了新的教学方案, 他还亲自给二年级的学生讲授量子力学.[9]莫特还注意到, 剑桥的学院奖学金考试太过专业化, 很难体现出学生的真正水平和创造能力. 他认为学生应该被鼓励去自己探寻物理的奥妙, 而不是单纯通过老师的讲授, 只有这样才能真正的锻炼学生求知的能力. 因此从他1959年担任剑桥大学冈维尔—凯斯学院院长之后, 就将这种考试退回到系里, 由系里的教师负责出题, 让试题更加灵活宽松, 学生们也有了更多的发挥空间.[8]

莫特热心于科学教育事业, 除了剑桥的工作外他还担任了许多其他大学教育委员会的工作, 以及国家继续教育学院的主席多年.这些工作使得莫特积累了丰富的教育教学的经验和方法. 莫特与德国著名的教育家库尔特·哈恩(Kurt Khan, 1886—1974)关系很好, 二人对于中学教育的观点也有很多相同之处. 莫特提到当时很多的中学生都专注于自己的学业任务, 很少参加其他活动, 尤其是一些需要勇气、毅力的体育活动项目等, 于是莫特主张学生除了要达到学业方面的要求以外, 也需要满足其他包括体育活动等方面的要求, 培养学生坚强独立的性格, 以期成为全方面发展的人才. 莫特也满怀热情地在这方面做了许多工作, 如开展各种课程的讨论会、设计相关的考试等, 他还希望可以让更多的大学教师也能认可这种观点, 并把这样的教学理念推广到大学去.

虽然莫特是一名物理学家, 但他也曾就任过现代语言协会的主席, 并且发表过一些关于外语学习与科学教育的看法. 莫特提倡让学生学习更多种类的外语. 他以当年自学德语原著的量子力学论文的切身经验举例, 提到“如果我们想阅读这些论文, 就要学习德语, 而如果我们想和德国科学家们讨论量子力学, 我们就要学说德语.”[2]莫特已然敏锐地察觉到, 在未来的世界上学习更多的语言就代表着更多的可能性. 莫特还进一步指出, 科学家们除了科学研究外, 还应当肩负起宣扬科学、为科学营造健全的社会舆论的任务, 而这其中所需要人文素养却是现在的理科学生所缺少的部分. 莫特认为通过对外国语言的学习, 进而对相应国家的历史进行了解, 既能让学生开阔眼界, 同时也是培养学生人文情怀的一个很好的途径.

我国著名的固体物理学家黄昆(1919—2005)正是莫特在二战后所收的第一位博士生, 莫特对他学术风格的形成有很深的影响. 在师从莫特的期间, 黄昆认为莫特具有很强的洞察力, 非常善于透过复杂的表面现象明晰事物的本质, 并且提出简单的物理模型, 用最简单的数学方法解决问题. 他还提到, 莫特并不崇尚泛泛的博学多闻, 而是致力于在一段时期内集中精力思考自己当前研究的具体问题.[10]黄昆所概述的莫特的学术风格其实也正是他自己的风格, 他俨然把莫特当作了自己的榜样.

3.3 与工业的结合

莫特虽然是一名理论物理学家, 但是他非常重视理论研究与实际应用的结合, 并且在这方面做了许多的工作, 甚至推动了剑桥科技园的诞生.

莫特这种重视理论应用的想法首次实现于1938年, 当时他与格尼一同研究了潜影过程, 弄清了潜影效应发生的机制. 柯达公司将这项成果应用于底片制造业.这是莫特与工业领域的第一次紧密合作. 1940年, 莫特获得了英国皇家摄影学会的奖章. 有趣的是, 莫特和格尼之前从未进行过感光材料方面的研究, 他们只是通过自己关于量子力学和固体物理方面的知识进行理论推导来得到他们的结论的. 他们二人偶然间的发现,却完成了感光科学的第二次飞跃.[11]

1939年, 第二次世界大战爆发. 莫特作为战地科学家被派遣到军队中, 并参加了许多国防工作的研究项目, 包括雷达技术、研制碎片手雷以及军备的计算工作等.[12]这让莫特接触到了国家的前沿技术领域——军备的改造及新型军备的研发. 在这个过程中, 莫特愈发体会到理论与应用结合的重要性, 并对自己未来的工作有了一个初步的规划, 他打算战后在布里斯托或者其他地方建立一个与工业相联系的理论物理组, 为工业实用领域的科学家、工程师们提供理论或者计算上的支持, 并做一些工业领域相关的理论研究.

战争结束后, 莫特回到布里斯托大学, 并按照自己的想法, 将固体物理组与工业应用方面建立了紧密的关系. 莫特经常邀请工业人员来学校学习理论知识, 并向他们介绍一些最新的研究发现等, 尤其是美国的工业人员. 这样的合作不仅能为这些工业人员解决他们工作中遇到的理论问题, 还使得莫特的小组能从中得到一些财政帮助, 同时也带来了工业领域的前沿课题.[2]

在担任卡文迪什教授期间, 莫特曾兼任剑桥大学评议委员会主席, 发表了名为《大学和以科学为基础的产业关系》的报告, 即“莫特报告”. 莫特在报告中指出, 科学研究应加强与教学的联系, 同时也应该将科研成果应用于各个工业行业, 比如医学和农业等. 在“莫特报告”的启发下, 剑桥的三一学院在城市西北角建立了剑桥科学园, 促进了整个剑桥地区高技术工业的发展, 也使得科学家有更多的研究方向及资金支持. 剑桥科学园涉及的领域包括生物化学、计算机、医药、通讯激光等等, 这样的合作得到了巨大的反响, 在十几年内产生了许多重大科技成果, 后来人们称之为“剑桥现象”, 大学——工业园的模式也被更多的大学所效仿.

4 结语

莫特是一个谦虚的人, 他在诺贝尔奖获奖演说中提到, 这份荣誉应该与全世界范围内和他谈论通信过的人们共同分享. 他热爱科学, 把创造新理论和与同事辩论当作最高兴的事.[13]在他的著作中, 莫特擅于把复杂的物理现象用简洁的数学理论来阐述, 因而被许多学科用作课本或参考书. 莫特还被认为是半导体物理甚至是固体物理革命的带头人之一, 他一系列开创性的新发现在国际上产生了深远的影响.[8]

莫特很关心教育事业, 并且把将他人引向成功之路作为自己的一大快乐. 他经常给年轻人提出一些很好的建议, 还会帮助他们设计实验, 最后还按照量子力学的观点, 对实验结果一一进行解释. 担任冈维尔——凯斯学院院长期间, 他也是一位在中学教育方面有影响的顾问. 在莫特担任卡文迪什教授的任期内, 他一直提倡自由而活跃的研究气氛, 经常鼓励系内人员进行各种形式的讨论和交流. 在这样优秀的环境里, 诞生了4位诺贝尔奖得主——1973年约瑟夫森(Brian David Josephson, 1940—)获诺奖, 1977年莫特本人获诺奖, 1974年休伊什(Antony Hewish, 1924—)和赖尔(Martin Ryle, 1918—1984)一起获得诺奖. 莫特除了获得诺贝尔奖外, 还获得过不少其他荣誉和奖项. 1941年获得休斯奖章, 1953年获得皇家奖章, 1962年被封为爵士, 1972年获得科普利奖章, 1977年获得国家功勋骑士勋章. 英国伦敦大学、牛津大学、法国巴黎大学以及其他多所大学均曾授予他荣誉科学博士学位.[14]在莫特去世后, 英国物理学会专门设立了一个叫做“莫特奖(Nevill Mott Medal and Prize)”的奖项, 这个奖项主要颁发给对凝聚态物理或固体物理有杰出贡献的人, 以纪念这位极大地推动了固体物理学发展的科学家.