美国物理学家大卫·丹尼森与密歇根大学

李振楠 尹晓冬

摘   要   大卫·丹尼森是20世纪美国理论物理学家，他为当时密歇根大学物理系成为理论和实验分子研究的世界中心作出了重要贡献。依据密歇根大学对丹尼森进行的口述采访、相关资料，研究与探讨丹尼森的生平、科学成就及他为密歇根大学物理系所做的贡献。

关键词   大卫·丹尼森  理论物理  红外光谱  原子理论  量子理论

中图分类号    N09： O4-09

文献标识码    A

20世纪初期，相对论、量子力学先后在欧洲诞生，构成了现代物理学的基本框架。相较于欧洲，美国物理学处于明显落后状态，尤其是在理论物理学方面。随着第一次世界大战的爆发，欧洲和美国的物理学家们都面临着新的机遇与挑战。20世纪20年代开始，美国物理学界展开了一系列以提高物理学理论研究水平为目的的自我改进运动[1]，这让美国物理从20世纪30年代开始迅速走向物理学研究的国际最前沿（[2]， pp. 60—61）。美国的各个大学依靠若干大基金会的资金支持，在短短十几年的时间里，培养并引进了大量高质量的理论物理人才。在这些高等院校中，最成功的改进典范当属密歇根大学——不仅培养物理学者前往欧洲学习最先进的物理知识，同时引进欧洲的优秀理论物理人才。20世纪30年代，密歇根大学物理系成为理论和实验分子研究的世界中心，这不仅归功于几代物理系主任的不懈努力，也归功于为物理系付出心血与年华的人。自1841年密歇根大学物理系创建，到1965年，共有5位物理系的系主任（表1）。大卫·丹尼森（David Dennison，1900—1976，图1）作为密歇根大学物理系的第五任主任，不仅是物理系所取得成就的见证者，更是参与者。

以研究生的身份进入密歇根大学物理系后，丹尼森凭借自己敏锐的直觉、大胆的尝试，完成密歇根大学物理系的第一篇理论物理文章，使物理系主任认识到发展理论物理的重要性并及时采取措施。留欧回来，丹尼森以讲师的身份重返密歇根大学物理系后，便再也没有离开过。40多年以来，他一直坚持科研与教学并重，不仅为理论物理发展作出重要贡献，同时培养出众多理论物理人才。本文希冀能从丹尼森的人生经历管窥当时的理论物理在密歇根大学及美国的發展状况。论文对丹尼森的研究一方面参考他发表的学术著作——包括约百篇论文和8本书籍，其中有5本书籍收藏于密歇根大学的宾利（Bentley）图书馆，另外3本分别收藏在密歇根大学的布尔（Buhr）图书馆、特殊收藏（Special Collections）研究中心和夏皮罗（Shapiro）大学图书馆，另一方面参考美国物理学会网站收录的1964年1月对丹尼森进行的详尽的电子版口述访谈。

一   科学萌芽

大卫·丹尼森出生在俄亥俄州奥伯林的一个学术氛围浓厚的家庭里，父亲沃尔特·丹尼森（Walter Dennison）是当时奥伯林学院（Oberlin College）的古典教授，母亲名叫安娜格林（Anna L. Green）（[3]， pp. 220—222）。

1902年，由于父亲转到了密歇根大学教授拉丁语和希腊语，两岁的丹尼森和家人搬到密歇根州的安娜堡（Ann Arbor， Michigan）。对于父亲沃尔特来说，能回到自己研究生期间就读过的密歇根大学来任教是一件很棒的事情。父亲的这种“寻根”思想深深地影响了丹尼森，也由此开始了他与密歇根大学的“不解之缘”; 七岁时，父亲利用带薪休假的一年，带着全家人去了意大利的罗马。这一年丹尼森觉得非常孤单，因为住处周围都是贵族孩子，他无法和他们一起玩耍。尽管如此，丹尼森还是找到了自己热爱的东西——他开始对各种移动轮子类的机械感兴趣并痴迷地看着它们旋转，朦胧的科学兴趣在丹尼森的内心渐渐生根; 十岁时，全家搬到了宾夕法尼亚州的史瓦兹摩尔（Swarthmore， Pennsylvania），在这里，丹尼森继续他的小学教育。频繁的搬迁，使得丹尼森的性格变得相当安静、内向、害羞。

在史瓦兹摩尔，丹尼森家附近的一位教会牧师每周会给附近的男孩子们讲授数学知识或做科学实验，丹尼森觉得很有意思，他很喜欢参加，对自然科学的兴趣在他心中悄悄地发芽。这种兴趣持续伴随着他，他长大之后，也同样喜欢收藏科学仪器——比如轮船航海经线仪、精加工的车床、精致照相机、物理摆、来自二战轰炸瞄准器的陀螺仪，等等。对科学仪器的观察促进了他探索科学的兴趣。一个有趣的例子是，多年后丹尼森发现放在家中地下室楼板梁上的傅科摆过了几个星期后发生偏转，他好奇地进行探究并判断这是由于一个系统误差造成的，这些奇妙的发现使他能一直拥有不断探索科学的乐趣。

二   从数学转向物理

1917年，丹尼森进入史瓦兹摩尔学院主修数学①，同年3月父亲的离世，令他的大学生活变得艰难起来。为了能完成学业，丹尼森的母亲在学校的女生宿舍当宿管，丹尼森大一时也获得了史瓦兹摩尔学院的助学贷款。尽管当时的生活条件很艰苦，丹尼森还是求着母亲帮忙买了一本便宜版的《大英百科全书》。他把书中所有与科学相关的内容看完后，深受感触，同时坚定了自己的人生目标： 今后一定要像父亲一样从事学术研究。1918年秋——第一次世界大战快要结束时，美国加入了战争，丹尼森不得不参加了当时的学生军训练团。1918年11月18日战争结束后，丹尼森又继续他的大学课程。大二时，丹尼森开始学习他的第一门物理课——基础物理学，但是这门课他既不理解也不关注，期末成绩也偏低。尽管如此，大学时期所上的与物理相关的课程，让他清楚地知道自己真正的兴趣是数学和物理，而数学又让他看到了物理学中的东西，丹尼森尤其喜欢物理实验课，在课堂上展现出了优秀的实验操作水平。

到了大三，丹尼森与现代物理学课老师的一次交谈真正引起了他对物理学的兴趣。他认识到，所有自己感兴趣的东西，无论是化学、仪器仪表、生物学、天文学亦或是其它——都是以物理为中心的。在这门课上，丹尼森第一次听说了玻尔原子理论。“我不知道它有多么的美妙！”①他对玻尔原子理论很感兴趣并希望能有机会继续研究。

大三结束后的暑假，通过一位老师的引荐，丹尼森获得了在纽约斯克内克塔迪（Schenectady）的通用电气研究实验室（GERL）兼职的机会。在实验室里，他第一次看到了物理学家们做实验的情景，他们专注的工作状态使丹尼森觉得物理是一种美丽的知识产业。丹尼森向实验室主任提出了想做有关玻尔原子理论方面研究的想法，于是实验室主任把他介绍给了正在进行原子和分子计算的欧文·朗缪尔（Irving Langmuir），朗缪尔是丹尼森当时所知道的唯一一个非常关心量子方面的人（尽管朗缪尔当时对此并不能深刻理解）。暑假还没过去一半，丹尼森就已經跟着朗缪尔进行了许多理论计算工作，但是丹尼森认为这种计算方法有问题并选择退出，朗缪尔同意了并把他介绍给正在做粉末X射线结构和晶体结构方面研究的阿尔伯特赫尔（Albert W. Hull）。暑假的后半段，通过赫尔的指导，丹尼森进行冰的晶体结构的实验研究，并发表了他人生中的第一篇物理文章——“冰的晶体结构”（The Crystal Structure of Ice），虽然文章内容简短，但是它标志着丹尼森开启了通往物理专业的大门。

1921年，丹尼森获得史瓦兹摩尔学院的学士学位。他拒绝了通用电气公司实验室提供给他的继续研究的工作机会，而是希望按照大学初期自己定下的目标前进——像父亲一样继续进行学术研究。多年后丹尼森曾回忆道：“当我看到我同事们的儿子们都直接跟随他们父亲的脚步，而不是为他们自己考虑时，我感到的不是伤心，而是不快乐。但恐怕当年的我也自然地做了同样的事情——追随了父亲的脚步。”②亦如丹尼森的父亲在密歇根大学结束作为研究生的研究后，前往欧洲三年读取博士学位的事实，这给丹尼森产生了影响，让他确信自己在完成研究生学业后也要去欧洲继续深造。

没过多久，在纽约举办的一个自然科学会议上，丹尼森遇见了来自密歇根大学物理系的系主任哈德森·兰德尔（Harrison M. Randall）教授，兰德尔热情地邀请他来密歇根大学深造，并为他提供每学年800美元的奖学金。尽管摆在丹尼森面前的有很多大学可供他选择，但是他毫不犹豫，很快便接受了兰德尔的邀请，因为密歇根大学不仅是父亲就读和工作过的地方，密歇根大学所在的安娜堡也是丹尼森从小长大的地方，他有着强烈的思乡和寻根情感。

三   密歇根大学第一篇理论物理论文

1921年秋，丹尼森顺利进入密歇根大学物理系。很快，他被沃尔特·科尔比（Walter F. Colby）教授研究的理论物理吸引。虽然之前没有人告诉过丹尼森，但根据他对玻尔理论的理解，他确定这就是理论物理学，并明确地向物理系主任兰德尔教授提出了自己想要做理论物理方向的研究工作。由于美国从事研究的物理学家主要是在实验物理学方面，密歇根大学物理系的实验研究也较为优秀[2]，而在此之前理论研究还从未被资助过，虽然兰德尔对他的提议感到非常吃惊，但是明智的兰德尔还是同意了。兰德尔教授及他的成员们当时正在进行甲烷的红外光谱测量，为了方便理论与实验结果比对，丹尼森顺势开始进入到了甲烷的红外光谱理论解释的工作之中。

另一方面，丹尼森提出做理论物理研究的想法启发了兰德尔教授和科尔比教授，他们意识到物理系在理论物理方面的薄弱并决定采取行动。虽然现实残酷：没有基金会支持，缺乏与欧洲物理学家广泛接触的国际视野，地理位置和学术名望都不如哈佛、加州、麻省等名校 [4]。但他们变被动为主动，运用密歇根大学的有利资源： 首先，兰德尔教授和科尔比教授开始尝试教授理论物理课程，创新物理系的人才管理制度;  其次，科尔比教授前往欧洲招募理论物理人才，并在1923年9月将奥斯卡·克莱恩（Oskar Klein）招入麾下; 再次，兰德尔教授计划培养已崭露头角的学生前往欧洲学习深造。

克莱恩来到密歇根大学之前，是在哥本哈根的理论物理学研究所（1965年改名为尼尔斯玻尔研究所，下文简称玻尔研究所）与尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）共事五年，他既是玻尔亲密无间的助手又是玻尔非常要好的朋友（图2）①。克莱恩的到来无疑将欧洲最新的理论物理研究带到了密歇根大学物理系。1923—1925年，克莱恩留在密歇根大学物理系的两年时间里，他一直和玻尔保持通信联络。在工作上，克莱恩和玻尔讨论如何处理当时量子理论面临的危机、自己正在研究的论文和教学等;  在生活中，克莱恩迫不及待地向玻尔分享自己第一个儿子出生的喜悦（[5]， pp. 8—9）。

克莱恩到来时，恰逢丹尼森在进行甲烷的红外光谱理论研究。在论文写作的内容和方法上，他都给予丹尼森非常耐心的指导。通过克莱恩，丹尼森了解了欧洲物理学前沿的发展情况，他强烈地希望去哥本哈根深入学习[6]。1923年秋，尼尔斯·玻尔来到美国密歇根大学做演讲，玻尔顺道访问克莱恩时遇见了丹尼森。丹尼森给玻尔留下了很好的印象，玻尔邀请他前往哥本哈根继续研究，这让丹尼森更加坚定了自己拿到博士学位后，要像父亲一样留学欧洲深造的目标。同时他也意识到，前往哥本哈根需要资金资助。丹尼森主动寻求美国国家科学研究委员会的资金资助，但了解到目前国家科学研究委员会只能提供给他国内深造的助学金后，丹尼森婉拒了。

1924年，是丹尼森人生中非常重要的一年：这一年春，通过史瓦兹摩尔学院一个教授的帮助，丹尼森获得了洛克菲勒基金会给予的两年欧洲留学——约2000美元的助学金[6];  丹尼森和认识一年、来自密歇根州立大学的海伦（Helen Lenette Johnson）订婚并于8月结婚，后来他们育有两个儿子;  在导师奥斯卡·克莱恩和科尔比教授的指导下，丹尼森完成了自己的博士论文——“甲烷的分子结构和红外光谱”（The Molecular Structure and Infra-Red Spectrum of Methane），文章于1924年9月刊登在美国《天体物理学杂志》上，密歇根大学的第一篇理论物理学论文就这样诞生了;  是年9月，丹尼森带着他的新婚妻子乘坐斯堪的纳维亚美国线（Scandinavian America Line）的赫利格·奥拉夫（Hellig Olav）号轮船前往欧洲哥本哈根的玻尔研究所。1926年夏天，丹尼森再次前往欧洲的苏黎世大学留学一年。

四  欧洲求学

刚来到哥本哈根的一段时间里，丹尼森就感受到了竞争与压力。1924—1926年，几乎所有优秀的物理学家都来到了玻尔研究所：维尔纳·海森伯（Werner Heisenberg）、克拉默斯（Hendrik Kramers）和仁科芳雄（Yoshio Nishina）大多数时间都在这里;  洪特（Friedrich Hund）、泡利（Wolfgang E.Pauli）、拉尔夫·福勒（Ralph Fowler）、狄拉克（Paul Dirac）、乌伦贝克（George E. Uhlenbeck）和高德思密特（Samuel A. Goudsmit）等很多物理学家都来过这里。这里的物理学家们工作优秀，彼此间竞争激烈，丹尼森非常担心自己会陷入创造力枯竭的尴尬境地，并极力想要摆脱这种困境。他尝试向玻尔提出处理异常塞曼效应的想法，结果并未成功。于是丹尼森继续沿着他的博士论文方向进行分子谱分析。但更多的时间里，丹尼森是在了解和学习玻尔研究所甚至是整个欧洲的物理学最新进展。那时候的欧洲，物理学家们为摆脱物理困境所提出的各种观点层出不穷、讨论激烈，他对此非常感兴趣并奔走于欧洲各地，尽可能多地参加会议并与物理学家们积极交流。

1926年，在即将结束哥本哈根的两年研究时，密歇根大学的兰德尔教授尚未准备好新的职位给丹尼森①，但又非常想留住他，因此便给予资金资助他继续在欧洲留学。丹尼森对1926年薛定谔新发表的三篇著名论文中所提到的波动方程很感兴趣，在与薛定谔信件沟通后，于1926年秋前往苏黎世大学同他一起工作。这段时间，丹尼森经常和薛定谔相互探讨，但两人也时常因找不到出路与解决方法而困惑。1926年秋丹尼森完成了一篇分子结构的理论论文，正如他自己所说，写论文的時候自身都感到非常困惑。尽管丹尼森在量子力学创造之前所做的一些解释是错误的，但是建立的方法确立了后续分子结构研究的模式。

在欧洲三年的研究时光里，丹尼森见证了量子力学的创造过程。他在1927年春天再次返回哥本哈根玻尔研究所并参加了海森堡第一次不确定性原理研讨会，丹尼森后来回忆说： “对我们所有听过他报告内容的人来说，这绝对是一个非常棒的体验。”[7]他珍惜每次能来到哥本哈根参加会议的机会，几十年后——1963年在哥本哈根召开的尼尔斯 · 玻尔纪念会议（图3），丹尼森也是积极参加。

1927年春——丹尼森在准备返回美国的前夕，来自剑桥大学的拉尔夫·福勒（Ralph Fowler，1889—1944）邀请他前往剑桥大学做三次演讲。福勒是20世纪英国剑桥大学的数学物理学家，他不仅结束了牛顿传统在数学领域的统治的地位，还在剑桥大学确立了数学物理研究[8]。20世纪20年代，福勒关注到量子理论，并非常关注量子物理在英国的传播与发展。因此他开始采取行动：一方面，福勒与当时剑桥各个物理领域的前沿人物密切交往;另一方面，福勒曾亲自前往哥本哈根的玻尔研究所做相关研究并保持玻尔与剑桥大学间的联系——玻尔每年到剑桥卡文迪许实验室做讲座，剑桥的很多科学家也会来哥本哈根与玻尔进行学术交流。丹尼森和福勒的相识是在哥本哈根的玻尔研究所，福勒对丹尼森的研究内容很感兴趣，  并抓住机会成功地邀请了即将回国的他前来演讲。

1927年春末，丹尼森来到了剑桥大学的卡文迪许实验室，并在这里连续待了两个月。丹尼森在旧演讲室演讲时不禁感到兴奋，因为这里的高天花板和陡峭倾斜的长椅都是麦克斯韦多年前使用过的。在第三次演讲时，丹尼森提出了之前自己用有关氢的比热解释遇到的问题，突然想到了海森伯1926年对氦原子量子力学处理的影响，另辟蹊径，成功解决了氢分子比热的计算值和测量值之间的差异，使解释符合实验，福勒对他的演讲感到兴奋。丹尼森把思路写成了一篇论文并将手稿的副本邮寄给了玻尔，几天后他收到了玻尔的回复，玻尔确信这是有关氢气比热的问题的正确解决方案。丹尼森非常高兴，他也认为这是一项重要的贡献，于是把论文发表在伦敦皇家学会会议上。这篇文章非常有意义，它提供了第一个定量质子自旋的证据，由此丹尼森发现了质子的自旋。虽然对于世界物理学的研究进步而言，丹尼森只是做出了很小一部分的研究且他很快就离开了欧洲，但对氢的比热的理论解释是新的量子理论在简单二体模型上的首次应用，成为了丹尼森在欧洲三年里最重大成就，并因此在分子物理界享有盛名。

20世纪20年代，世界物理学正处于旧量子理论衰弱、新量子理论逐渐强大的过程中。在欧洲的三年，丹尼森游走于世界物理学的研究中心：  哥本哈根的玻尔研究所、瑞士的苏黎世大学、英国剑桥大学的卡文迪许实验室。他接触到一大批物理学界的领军人物，汲取最前沿的理论物理知识与方法。他曾看到维尔纳·海森伯的第一篇矩阵力学手稿文章、埃尔温·薛定谔第一次尝试运用相对论力学的复印版手稿。丹尼森努力尝试理解着这些前所未有的概念：  薛定谔理论、氢原子波动方程……丹尼森是量子力学诞生的见证者更是亲历者，他不仅得到了理论物理知识的提升，而且对世界物理前沿有了更客观的认识，为其回到密歇根大学奠定了坚实的基础。

五   重返密歇根大学物理系

1927年，丹尼森返回美国密歇根州安娜堡，成为密歇根大学物理系的一名讲师[3]。在教学的同时，他开始了新兴的红外光谱学的实验研究，先后对水蒸气、甲烷、二氧化碳、氨和甲醇等简单分子进行光谱解释。这些分子实验测量工作在以兰德尔为领导的密歇根大学的实验项目上展开。长期以来，丹尼森的理论研究都紧密地与团队们所得到的实验数据相联系，并在红外光谱学实验中展现出强大的带头和引领作用。

物理系还雇佣了三位年轻、潜力无限的理论物理研究者：研究光谱学的拉波特（Otto Laporte）①、1925年发现电子自旋的乌伦贝克和高德思密特。丹尼森在物理系的队伍中迅速崛起并于1935年成为正教授。1928年，在得到了兰德尔和科尔比教授的强烈支持后[9]，这四位年轻人开始着手推进物理系夏季理论物理研讨会的举办，旨在使密歇根大学物理团队产出更多的优秀成果和在全美获得更高的声誉。

七   结语

1955—1965年，丹尼森担任密歇根大学物理系主任，并于1970年以名誉主任的身份退休，但直到1976年去世以前，他都坚持进行物理研究。在密歇根大学任教的44年间，丹尼森获得了诸多荣誉： 1951年，被任命为第七届纯物理和应用物理国际联盟大会的代表; 1952年，  被选为密歇根大学的亨利罗素（Henry Russel）讲师①，获得高级教师的荣誉; 1953年，被选为美国国家科学院院士，并获得美国物理学会的奖金; 1963年，获得密歇根大学的杰出教师成就奖;1964年，成为密歇根大学研究俱乐部的主席; 1975年，受邀参加法国图尔市举办的第四届分子光谱学的国际性学术会议并主讲，获得了图尔市的荣誉居民称号。1976年，密歇根大学新建的物理天文大楼以丹尼森的名字命名，不仅是由于他是建成这座建筑的主动力，同时也是为了纪念丹尼森所取得的科学成就。

纵观丹尼森的一生，他恰好生在了近代物理学发展最充满机遇与挑战的年代之中。美国、欧洲理论物理学发展的不对等，使他成为了两个地区间的众多联络者之一，他将欧洲先进的理论物理知识及研究方法带回美国、带回密歇根大学，将自己毫无保留地奉献给热爱的科研与教学。丹尼森不仅为密歇根大学成为理论和实验分子研究的世界中心贡献了一份力量， 还培养出三位优秀的中国物理学者，为中国物理学的发展及人才培养做出了重要贡献。

参考文献

[1] 赵佳苓. 美国物理学界的自我改进运动[J]. 自然辩证法通讯， 1984， （4）： 29—40.

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[3] Charles， G.. Dictionary of Scientific Biography[M]. New York： Macmillan Library， 1981.

[4] 杨庆余. 密歇根大学理论物理研究团队的筹建、运作与启示[J]. 大学物理， 2017， 36（7）： 45—50.

[5] Lindstrom， U.. The Oskar Klein Centenary[M]. Singapore： World Scientific Publishing Co.Pte.Ltd， 1995.

[6] Dennsion， D.. Recollections of physics and of physicists during the 1920s[J]. American Journal of Physics， 1974， 42： 1051—1056.

[7] Frederic L， Holmes. Dictionary of Scientific Biography[M]. American Council of Learned Societies， 1981. Vol 17 supplement II. 220—222.

[8] 尹沛， 尹晓冬. 英国剑桥大学20世纪初数学物理的弄潮儿： 拉尔夫·霍华德·福勒[J]. 自然辩证法通讯， 2011， 33（5）： 116—128.

[9] H. Richard Crane. Biographical Memoir[J]. National Academy of Sciences， 1980. 139—159.

[10] Dennsion， D.. The Parallel Type Absorption Bands of Ammonia[J]. Physical Review， 1932， 39： 938—947.

[11] Dennsion， D.. The stability of orbits in the racetrack[J]. Physical Review， 1946， 70： 58—67.

[12] 戴念祖， 劉娜. 顾静徽： 中国第一个物理学女博士[J]. 物理， 2009， 38（3）： 169—173.

[13] 尹晓冬， 李睿. 巴伯奖学金与中国近代八位女物理博士[J]. 中国科技史杂志， 2016， 37（3）： 313—326.

Abstract：David Denison was an American theoretical physicist in the 20th century， who contributes a lot to make the department of physics of the university of Michigan become the world center for theoretical and experimental molecular research. According to the oral interviews conducted by the university of Michigan and relevant materials， this paper makes a research and discussion on Denison's life， scientific achievements and his contributions to the department of physics of the university of Michigan.

Keywords： David Denison， theoretical physics， infrared spectrum， atomic theory， quantum theory