堪称“天才教师”的物理学家——哈斯

李 维 张瑞云

(1. 天津师范大学教师教育学院,天津 300387； 2. 天津市耀华中学,天津 300040)

哈斯(Arthur Erich Haas,1884—1941)是现代量子理论的重要创始人之一．哈斯一生涉猎广泛,除了物理学,他还对科学史及法律史感兴趣．作为一位科学家,他在科学生涯的早期为量子物理学的发展做出了重要贡献,并终身从事宇宙论的研究,为宇宙的起源研究提供了重要的知识基础．作为一名资深的科学教育家,他一生成功地进行了上千场科学讲座,并撰写了多部流传广泛的教科书,爱因斯坦因此称他为“天才教师”．本文在概述哈斯生平的基础上,对哈斯的科学贡献和教育贡献进行简要阐述．

1 生平

哈斯1884年出生于摩拉维亚的布鲁恩(今布尔诺)．哈斯家境殷实．他的祖父是当地犹太社区的医生,他的父亲曾在维也纳学习法律．哈斯从小擅长学习,上中学后尤其喜欢物理和历史,并学会了流利地使用拉丁语和希腊语．1902年,他以优异的物理和数学成绩毕业．同年,他进入他的祖父和父亲曾经就读过的维也纳大学．虽然他的父亲希望他学习法律以继承父业,但哈斯仍然决定学习物理学．在大学二年级期间,哈斯受到了波尔兹曼的影响．1905年,哈斯准备跟随波尔兹曼做博士论文．玻尔兹曼建议他以热力学第二定律的关键历史分析为选题,但还没来得及讨论论文的细节,玻尔兹曼就病倒了．在没有指导的情况下,哈斯选择了一个科学史课题——“古代的光理论”进行了研究．在某种程度上,他的选择取决于他对希腊语和拉丁语的精通,这使他能够顺利阅读原文．在短短3个月内,他即完成了学位论文,并被评为优秀．虽然哈斯是玻尔兹曼最后一个学生,但玻尔兹曼没能参加哈斯的论文答辩而于1906年9月自杀,一个月后哈斯以优异成绩毕业,获得博士学位并提交论文出版．

玻尔兹曼的去世让哈斯对未来的职业生涯犹豫不决．他于1907年服兵役一年,后因身体原因退役并返回维也纳．在博士毕业之后的这段时间里,哈斯又撰写了几篇有关科学以及科学发展的哲学与历史方面的文章.这也是他科学思想发展的一个形成时期,反映了他对物理思想起源和演变的兴趣．1908年圣诞节,哈斯完成了关于能量守恒概念发展的论文并作为特许任教资格论文提交给维也纳大学．尽管论文的哲学思想赢得了很高的赞誉,但终因物理内容不足而被退回．继而,哈斯于1910年又将他的关于黑体辐射光谱理论的论文再次提交给维也纳大学．这次虽又被拒绝,但获得了在维也纳科学院的期刊上发表的机会．这促使他就这一主题又撰写了两篇论文,希望能引起德国科学界的关注．1911年秋天在比利时布鲁塞尔首次举行的索尔维会议上,有很多重要的物理学家出席．洛伦兹注意到哈斯的论文,并将之放在会议议程上．[1]根据与会专家的建议,哈斯提交了他关于能量守恒原理发展的第一篇论文以及另外一篇关于电子在带正电的球体中的平衡位置的出版物,作为新的特许任教资格论文提交．哈斯因此于1912年8月获得了维也纳大学科学史专题讲座的权利．

由于莱比锡大学医学史专家苏德霍夫的赏识与推荐,哈斯于1913年秋天来到了莱比锡大学．1914年8月,第一次世界大战爆发,从而减缓了哈斯的研究工作．1916年春天开始,哈斯结合自己多年的讲座稿开始着手研究理论物理教科书的写作．1918年12月,“理论物理学导论”出版,这本书被誉为第一本现代理论物理教科书,并立即成为科学畅销书．1919年1月,哈斯辞去莱比锡大学的职务并返回维也纳．

1923年,哈斯被提升为维也纳大学名誉教授,而这似乎并未能满足哈斯年轻时曾为自己设想的职业发展速度．由于他上一本书的成功,他决定多关注教材编写这样的科学教育工作．由于偶然的邂逅,1924年9月8日哈斯与比他小12岁的德国新娘结婚．由于数学和法律方面的专长,哈斯于1925年被提名为维也纳科学院的精算师．1926年哈斯出版了“原子世界”一书,1928年又出版了他最成功的著作“物质波与量子力学”．同年,哈斯还在美国期刊“科学月刊”上发表了他的第一篇文章,向公众介绍原子能．虽然这是他第一次在美国期刊上发表文章,但哈斯自1926年以来一直在加强与美国的专业联系．1927年初,哈斯首次访问美国,历时两个月．在此期间,他发表了题为“原子作为能源”的主题演讲．其后,哈斯在1930年至1931年期间又访问了美国的五十所大学．

1934年,哈斯终于有机会在美国担任教职,在塔尔曼基金会的支持下,缅因州鲍登学院为他提供了一个访问职位．1936年,根据诺特丹大学校长奥哈拉的科学计划,诺特丹大学准备公开招聘一个在新安装的静电加速器上进行科学研究的实验职位．尽管哈斯不符合招聘条件的工作要求,但爱因斯坦在推荐信中肯定了哈斯在国际物理学界拥有的巨大知名度和认可价值,以及哈斯在其职业生涯中所表现出的优秀教学才能．爱因斯坦的来信说服了奥哈拉向哈斯提供这个职位．1936年8月31日至9月12日,哈佛大学举行了成立300周年的纪念庆祝活动．在会议上,哈斯与美国数学学会和美国天文学会共同组织了关于宇宙学部分的演讲．对于哈斯而言,这是一个值得骄傲的时刻,他在科学生涯的巅峰时期与两位科学英雄——爱因斯坦和爱丁顿齐名．参加此次会议使哈斯有机会成为美国科学界的正式成员,并成功地建立了新的联系,特别是与哈佛大学的天文学家沙普利建立了联系．他支持哈斯1937年当选为美国科学促进会的一名成员,这是一项罕见的荣誉,很少有物理学家能够实现．更重要的是,在宇宙起源的大爆炸理论之父勒梅特访问美国期间,哈斯在诺特丹大学组织了第一次宇宙学国际会议,并吸引了该领域的百余名专家参会．1940年11月22日,感恩节晚宴结束后,哈斯坐火车去芝加哥参加美国物理学会秋季会议．离开酒店时,他中风并瘫倒在地上．哈斯于1941年2月20日去世．

2 科学贡献

哈斯的科学贡献主要集中于量子物理学和宇宙论两个方面．

2.1 对量子物理学的贡献

波尔曾盛赞哈斯是“第一批对基于量子理论和原子模型的光谱解释感兴趣的人之一”．在1909年,哈斯注意到普朗克的黑体辐射理论尽管能够预测整个频率范围内的频谱,但普朗克本人只是将其视为数学技巧而非物理现实．普朗克常数h作为一种新的基本常数出现,哈斯试图搞清其物理意义．[2]他认为汤姆逊的氢原子模型可以为普朗克的黑体辐射理论提供物理意义．哈斯假设电子位于半径为a的球面上运动,球心带等量正电荷,两者之间的库仑力提供电子运动的向心力,通过创造性地比较电子势能与普朗克能量子的能量,哈斯发现普朗克常数h2与球半径a之间存在正比关系．受哈斯研究工作的启发,3年后玻尔在其原子模型框架中进一步推导出玻尔半径．

哈斯不仅预测了普朗克常数与基态氢原子尺寸之间的关系,而且还试图为原子光谱中的里德伯常数以及经验的巴尔末公式等其他唯象的参数或规律提供物理解释．此外,他还针对当时的两个基本粒子——电子和质子,估算了它们的质量比以及尺寸比．[3]

2.2 对宇宙论的贡献

哈斯对宇宙论的兴趣源于学生时代受到的玻尔兹曼思想的影响．早在1907年春天,他就撰写并发表了“物理发展的一般规律及其与热力学第二定律的关系”一文．这是哈斯有关宇宙论的第一篇论文,他论证了宇宙的热寂态是热力学第二定律的必然结果．同年,哈斯出版了他的第一部宇宙学专著．在书中,他根据基本物理定律和基本物理常数,得出了宇宙的演化只需要一个有限时间的结论．1912年以后,哈斯进一步认为宇宙的熵的净和是恒定的.这意味着宇宙一部分的熵在增加的同时,另一部分的熵则在减少,反之亦然,熵流方向随时间波动．另外,由于当时核反应的可能性尚不清楚,因此普遍认为所有放射性元素都会通过铀或其他尚未发现的放射性母元素释放α粒子的方式而向较轻的元素衰变．如果宇宙是无限的,那么各个母元素的质量必须趋于无穷大,因为每个衰变过程都需要能量释放．这种能量的释放势必要求当前宇宙中的温度必须远高于目前观测到的温度．这些是哈斯论证有限宇宙的两大理论支柱,并且终生都没有改变．

受哈勃河外星云研究的影响,1930年夏,哈斯建议通过比较宇宙的引力能量来确定宇宙的大小和质量密度．哈斯认为引力能的绝对值必须等于或小于宇宙质量中包含的总能量．如果假定宇宙的半径,则可以导出密度,反之亦然．他在1930年由“自然”杂志出版的一篇论文中采用了这种估算宇宙尺寸的方法．其中哈斯利用爱因斯坦方程和哈勃在1926年引用的宇宙质量推导出膨胀速度,得到的值2000 km/s与当时观测到的最远星云的膨胀速度相当．

1932年,哈斯考虑通过宇宙学参数进一步解释普朗克常数的可能性．哈斯取宇宙半径R和电子运动半径a的比值A,并推导出立方项A3应为3个宏观通用常数——宇宙质量M、宇宙半径R和光速c的乘积与普朗克常数h的比值,推进了宇宙的宏观维度与微观粒子的微观维度之间的密切关系的论证．

3 教育贡献

哈斯的教育贡献主要体现在科学讲座与教材编写两个方面．

3.1 科学讲座

哈斯的讲座始于1912年他进入维也纳大学首次讲授物理学史之际． 哈斯为了精心准备讲座,搁置了大部分以前用于研究的时间．仅1912年,就参加了180多场活动．

尤其是1927年初,哈斯首次访问美国,历时2个月．在此期间,他发表了题为“原子作为能源”的主题演讲．他的第二个演讲题目是“客观与人的物理学”,同年在“科学”杂志上发表．在这次访问中,哈斯在耶鲁、普林斯顿、哥伦比亚、麻省理工等大学讲学,他总共访问了东海岸和中西部的26所院校．这些邀请反映了哈斯在学术界享有的声誉．

1930年至1931年期间,哈斯又访问了美国的50所大学．他进一步修改了他的主题,讲授“原子的现实”,“物理定律与相对论”以及“原子与宇宙”等内容．所有人都对他的讲座产生了巨大的兴趣．堪萨斯工业家杂志在1931年3月哈斯访问堪萨斯州立大学时曾报道说:“在科学讲座时只有站立的空间是不寻常的,但它就发生在3月6日星期五的晚上．大量的观众挤满了化学报告厅并溢出到报告厅外,只是为了听维也纳大学物理学教授哈斯博士发表关于科学的演讲”．

3.2 教材编写

早在1914年,哈斯就有了编写理论物理教科书的想法,但由于一战爆发而受到搁置．1918年12月,“理论物理学导论”出版,这本书被誉为第一本现代理论物理教科书．该书的第2版于1921年由莱比锡的德古意特出版社出版．1923年,又出版了该书的修订版．这本书在以后的10年中取得了巨大的成功,直到1934年被纳粹政府禁止．然而幸运的是,早在1924年该书已经被翻译成英文,并随后有多种英文版本在英美国家流行．在1930年“自然”杂志的一篇书评中说,“这本书具有哈斯教授出版物一贯清晰而精确的风格,是非常难能可贵的”．这本书为他作为一名科学作家的成功奠定了基础,并有多家出版公司向他寻求新版本的书稿．

1919年1月,哈斯在返回维也纳大学以后,计划将他有关现代物理学方面的讲座整理发表在一本面向非专业人士的书中,该书取名为“新物理学的本质”,于1920年在莱比锡出版．这本书涵盖了现代物理学的各个方面,并取得了巨大的成功．该书的第2版于1924年出版,第3版于1932年出版．1923年,该书被译成英文,英文第2版于1930年出版．这一时期,哈斯还在撰写另外一本侧重于矢量和张量理论在电动力学中的应用的教科书．对于年轻学生来说,这是一本具有挑战性但却非常重要的书．但哈斯把该书写得清晰简洁,因此被广泛用作大学教科书．

1926年,哈斯出版了“原子世界”一书．该书全面涵盖了20世纪的新物理学,从经典物理学的物质和电学原理出发,一直讲到新近的光量子理论及其实验基础以及玻尔的氢原子模型．书中还基于索末菲的理论探讨了多电子原子系统以及具有转动和振动带的复杂分子系统的光谱学描述．除了描述原子的世界,该书的最后部分还探讨了原子核的问题．在这方面,他总结了放射性现象,甚至还编入了关于恒星元素形成的理论．

1928年4月,哈斯又出版了他最成功的著作“物质波与量子力学”,这是对此前10年间现代物理学快速发展的全面概述．该书介绍了从德布罗意到薛定谔与海森伯阶段量子物理学的发展以及量子统计的概念、玻色-爱因斯坦统计与费米统计的原理等．这本书取得了巨大成功,第2版于1928年11月出版,第3版于1929年12月出版．英语和法语版本分别于1928年和1930年出版．1934年5月,又发行了该书的修订版．同年,哈斯还在美国期刊“科学月刊”上发表了他的第一篇关于原子能的文章．尽管镭衰变产生能量释放当时已经成为物理学界公认的现象,但那时还没有人完全开发出进行必要测量的实验方案．通过这篇文章,哈斯成功地向公众推广了科学界以外仍不受欢迎的科学概念．

1929年,哈斯根据他在维也纳物理化学学会的若干讲座出版了一本书． 人们普遍认为,这本名为“量子化学导论”的书第一次使用了“量子化学”这一表述,现在这个术语已被广泛使用．该书涵盖了化学周期性、化学结合、电子构型以及分子结构等主题．

1933年,哈斯在德国斯普林格出版社出版了一本名为“为每个人的物理学”的科普书． 他在书中特别谈到了最新技术发展蕴含的物理原理,诸如照相机、无线电、有声电影、涡轮机以及X光机等．该书再次取得了巨大成功而且销路很好．成功是如此之大,以至于哈斯在1934年又迅速跟进了一本专门用于介绍有声电影原理的小册子．

1934年,哈斯出版了“物理学的宇宙逻辑问题”一书．这本书被认为是最早的宇宙学教科书之一．该书不仅在前面章节针对普通读者介绍了包括河外星云的观测、宇宙膨胀、宇宙年龄等新近的宇宙学知识,而且在书的偏后部分探讨了宇宙能量的估算、有限宇宙模型参数的推导等专业性较强的问题．该书虽然是用德语写成,但出版后不久即被“自然”杂志的匿名书评将其描述为“专家和非专家皆适用的主题优秀而客观的总结”．

继这些出版物之后,哈斯于1935年根据他在维也纳大学的讲座出版了一本名为“化学元素转化”的新书．这本书总结了近年来核物理学的发展,并特别介绍了通过新仪器、新技术获得的成就,例如通过质量分离器和粒子加速器进行核反应以及通过新的辐射检测技术确定反应产物等．

4 结束语

纵观哈斯的一生,由于求学期间深受玻尔兹曼学术思想的影响,哈斯毕生都在探索世界的相关性和系统性,在量子物理与宇宙学领域寻求基本概念与自然常数之间的联系．哈斯兴趣广泛,文理皆通,不仅善于从历史与哲学的高度提出解决物理学基本问题的方向,而且为他从全局的视野把握物理学发展的前沿,条理清晰地组织讲座线索和教材结构奠定了坚实的基础．在20世纪初物理学快速发展的时期,哈斯不愧为一位积极投身科学研究并在科学教育领域做出了重要贡献的“天才教师”．