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第896期(总第896期) 2016年12月29日   本期二版  上一期  下一期  更多期次  
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一位物理学家的家国宇宙

———追记我国著名理论物理学家、物理教育家段一士先生



作者:本报记者吴振荣 学通社记者刘慧



和“爱因斯坦”合影


与夫人黄友梅在莫斯科大学留学期间合影


弹奏钢琴


1977年杨振宁访问兰州大学时合影


2002年,受邀在南开大学与陈省身先生讨论科学问题


他在国际上首次提出任意自旋场的广义协变狄拉克方程。
他克服爱因斯坦、朗道等人的守恒定理只适用于准伽利略坐标系的缺陷,提出新的广义协变守恒定理。
他不仅与学生葛墨林在国际上最早提出规范势可分解和具有内部结构的新理论,还将这些理论广泛应用于宇宙学等多个领域,继而开辟了被国际上誉为“段学派”的研究领域。
他的研究引得杨振宁1977年专程来兰大访问,听完他的报告后,杨振宁夸赞:“妙!妙!妙极了!”
他研制出珍宝岛反击战中的非接触反坦克火箭,受到了叶剑英元帅赞扬;他扎根兰大讲坛60年,在西北培植起理论物理的一颗大树,把种子播撒到全国;他是我国理论物理学界的 “无冕之王”。
他就是蜚声海内外的著名理论物理学家段一士。

 

                         赤子报国心: 从少年飞行员到军工专家


“我要先成为一名飞行员,要去炸东京。”1937年日本军队进攻卢沟桥,抗日战争全面爆发,段一士随父母离开北京去往成都,在路上,他亲眼目睹了家园被炸得支离破碎,树上路上到处挂着国人的残骸。而到了成都情况更糟糕,“把半个城都炸了,房子都炸倒了,炸碎了。我就恨日本恨的要命,想长大了一定要打日本。”所以他决定先成为一名空军。1940年,刚满13岁的他就考入四川灌县空军幼年学校,梦想学成后能亲自驾机轰炸东京,在1946年的时候,段一士先生升入杭州笕桥航校学习飞行。
1945年日本无条件投降后,段一士先生又在想,虽然中国胜利了,但这场胜利是付出惨痛的代价的,只有拥有“硬本事”才能不被人欺负。段一士所在的空军幼年学校因战争原因有很多华西的大学教授任教,也因此他在初中阶段学习了微积分和基础物理并对数学和物理产生了深厚的兴趣。抗战胜利后,已能驾机单飞的段先生抱着学习物理和用科学强国的强烈愿望,主动离开航校,“探求”新的爱国之路。
抱着科学兴国的决心,从1947年考入金陵大学的物理系到独自一人靠卖报完成学业,从1951年留任南京大学任教到1953年去莫斯科留学,从1956年研究生毕业后担任朗道教授的助教到1957年回到兰州大学任教,段一士先生始终坚持做对国家有用的事,做对科学有价值的事。
1969年3月,在珍宝岛自卫反击战时,中国的火箭本来是接触引信,可是苏联的坦克前面不是垂直的,而是一个斜面,不怕我们的火箭弹,它一接触就跳弹了。段一士先生说他能解决,就买了一些小的晶体管,自己开始做非接触引信。他用集成电路和晶体管做成引信,然后拿香烟里的锡箔纸当成坦克的夹板,再用小灯泡的亮或不亮来判断是否引爆。在一次次的试验下,他终于做成功了,然后从国家申请项目正式进行研究。成功后,段一士先生亲自去北京南口打靶,当时有些国家首长都在。段一士先生回忆说:“他们拿白石灰画了个圈,我一炮就打到了这个圈里,立刻就打穿了,把里面的狗都打死了。叶剑英元帅观摩后就鼓励我们搞这个反坦克火箭。”
他在反坦克火箭国防科研方面的这一突出贡献,解决了当时中国武器装备的迫切需要,获得了中国人民解放军科技进步奖。


                         探求真理志:身居西北心系瀚宇


段先生六十岁赋诗:
万物始于一,常道法自然。
深观宇宙妙,穷极粒子玄。
这是段先生的宇宙观和学术追求。
广义相对论被现代德国物理学家玻恩比作“一件伟大的艺术作品”。段先生在广义相对论中提出新的广义协变能量动量守恒定律,克服了爱因斯坦、朗道等人的守恒定律只适用于准伽利略坐标系的缺陷,让这件艺术作品更加完美!
段一士先生终生都在物理科学前沿探索奋斗。此外,他在国际上最早提出引力规范理论中任意自旋场的广义协变狄拉克方程;与学生葛墨林在国际上最早提出规范场理论中规范势可分解和具有内部结构的新观点,得到了SU(2)规范场论中N个运动磁单极的拓扑流理论;后又与学生张胜利将拓扑流理论应用于固体缺陷,建立了位错和旋错的规范理论,在国际上首次直接统一了固体缺陷的几何与拓扑,在国际上得到了该领域权威学者的高度评价。段先生于20世纪70年代初在国际上首先提出规范场理论中的规范势可分解和具有内部结果理论,并广泛应用于宇宙学、凝聚态物理、额外维理论、微分几何与拓扑等领域,在国际上被誉为“段学派”。
1972年杨振宁回国发现西北也有人在研究规范场,就想着一定要见段一士。所以在1977年,杨振宁专程来到兰州看望段一士,在听完段一士关于规范场的报告后,杨振宁激动地说:“妙,妙,妙极了!”并赞叹道:“没想到在山沟沟里也可以研究规范场。”
物理学家玻恩也曾说过,广义相对论是“哲学领悟、物理直觉和数学技巧最惊人的结合。”段一士先生能长期从事广义相对论、粒子理论、规范场理论、拓扑场论和宇宙学等方面的研究工作,在国内外学术刊物上发表论文190多篇,正是他在哲学、物理和数学功底方面的综合实力的彰显。
段先生很喜欢马克思的关于真理的比喻“最好将真理比作燧石,他受到的敲打越厉害,散发出来的光辉就越灿烂。”在莫斯科大学深造时,适逢朗道和福克的一次关于广义相对论的激烈辨论,在场的朗道问先生”你站在哪一边?”先生的回答是“我站在真理一边!”正是这种不畏权威,崇尚真理的科学风骨,让先生的科学生涯中铸造了一个又一个的成就。
段先生有深厚的数学功底。2002年,他受邀在南开大学与著名数学家陈省身先生讨论陈先生的Gauss-Bonnet-Chern定理和段先生的新见解,以及GBC定理在拓扑场论中的应用等问题,讨论得很深入。段先生曾证明,由规范场张量乘积在GBC定理中构成的不变量可严格表述为相应黎曼流形上矢量场的φ映射拓扑荷。在兰大,几乎所有的数学系的教授都认识段一士。在路上,段一士经常会突然拦住他们聊:“你们数学系最近都研究些什么啊?”20世纪80年代以来,全国有5位数学系的博士到兰州大学理论物理博士后流动站做博士后,段先生就是他们的指导老师。
段先生的学术造诣和成果,蜚声海内外,但他却扎根西北,不忘初心。2003年9月18日应邀在南京大学作一场关于理论物理的报告,做完报告有人问他,在兰州搞这方面还成吗?段先生就现场吟诗达意:“深究拓扑绝佳处,超越创新颐天年。”意思是说我们兰州这儿研究拓扑是最好的地方。十月份先生在备课时,又认为“超越创新颐天年”是从前的提法,不能光顾自己颐天年,所以把后一句改成 “才子留此共创新”———勉励学生 “你们愿意搞的留在这儿,我们共同奋斗!”

 

                                    科教育人情:筑牢基础启发创新


“搞科研是为了发现新的东西,要打好基础,有正确的观点才行。”段一士先生曾在接受采访时这样说。段一士先生在教学中严格要求自己的学生,十分重视学生的理论基础。段一士先生的学生、中国科学院院士我国著名物理学家葛墨林回忆说:“朗道-栗弗席茨的《理论物理教程》,是当时理论物理最好的教程,段先生要求读四本,习题基本都做,工作量很大,这就是一辈子的基础。”
“用最简单的语言表达最复杂的东西”是先生追求的思维和思考效率。早在1956年在莫斯科大学给世界著名物理学家朗道做助教期间,他就能将好几大页的文献最终凝练成一道习题,朗道夸他是“最聪明的中国青年”,也是因为这种极强的归纳总结能力,段一士先生能快速地掌握一个新的研究方向并将其消化。先生把从文献转化成的科研手稿视为珍宝,近年来,他的学术好友丘成桐院士,学生葛墨林院士以及葛墨林的学生、先生的“徒孙”孙昌璞院士等人争相要把这些资料和文集出版弘扬。
“从选题到资料收集再到撰写论文,他都全程参与。”兰州大学物理科学与技术学院原院长杨孔庆是段一士先生1978年招的研究生,他回忆当时写毕业论文的时候,段一士先生在每周的日程安排里,至少有三到四天时间是通宵,按固定的时间给学生一对一地指导论文。“你这个论文为什么要这么考虑?”“思路是什么?”“哪个文献是这样讲的?”“你自己的想法又是什么?”他每个问题都会刨根究底,所以学生们不得不扎扎实实地准备。杨孔庆跟段一士先生修订论文的时间一般排在凌晨2点到4点,为了不被段先生问住,他都会埋头苦干,扎扎实实地准备好久,晚上11点多才睡觉,闹钟上到1点半,到时间后准时爬起来。虽然给他排的时间是2点到4点,但有时候跟段一士先生聊着聊着聊到兴起处天也就亮了。
“只要它是前沿,世界主流的科学家都在搞,我们中国学者就一定要掌握它,不要觉得难懂就放到那儿!就像打仗一样,抗美援朝的上甘岭,我们控制了,北朝鲜就没有问题了。”段一士先生很重视在学术上的创新,他认为科学的进步就在于创新,而创新的前提就是打牢基础,而后去了解学科内最前沿的东西,还要敢于创新。他常常在给研究生上课时鼓励他们说:“一方面尊重他,一方面就要超越。杨振宁规范场研究是上世纪50年代的,我们不能老停留在那个水平上啊!还有爱因斯坦的广义相对论,坐标条件、守恒定律,那好多东西,他是不一定都对,那么我们就要超越他!你要超越才能创新!科研我们要创新,教学啊,也要有这种志气!”
先生带学生不是提供给学生一个小学生所渴望的那种确定的、心满意足的答案,而是启发学生从积习的思路和常识中解放出来,对普通事物做出多层次、多角度和种种可能性的思考。
先生给学生上课,从最佳知识体系的严谨设计到“天马行空”的宇宙思维和哲学思维交织启发,给学生的思维插上想象的翅膀。2006年,80高龄的先生为研究生开设了《复流形与Calabi-Yau流形》的课程,从段一士先生的学生兰州大学物理学院副教授任继荣整理的当年的课堂笔记我们看到,他从复流形中鄣符号的读法,讲到外微分种类,再到复流形。讲到额外维理论时先生说:有生于无,现在看来额外维还是“无”,但我们不能简单的说它是胡说,就认为相信额外维就是唯心主义,而要勇敢的探索额外维存在,弄清楚它对现实世界有没有效应,如果没有效应,怎么知道它能够存在呢?他还鼓励学生们说,如果我们弄清楚了,那就是对马克思主义的发展。
在多年的教学实践和科学研究中,凝练出“言简意赅,珠联璧合,集纳新说,返朴归真”的教学之道和“去其糟粕,取其精华,去伪存真,止于至善”的治学之道,培养研究生近百名,其中很多已成为科学院院士、高校校长、院长、所长。段先生2006年退休后,仍不辞辛劳,长期担任“物理隆基班”导师。葛墨林悼念先生:“在西北立起理论物理的一颗大树,种子扩散到全国,他是兰大的骄傲。没有段先生,就没有我们兰大理论物理人的今天。在我的心中,段先生属于中国物理界无冕之王的行列。我年纪也大了,将来进了天堂,我一定还要做段先生的学生!”

                

                                       激情梦想路:知行合一乐在其中


“我是搞理论的,但是也做出了实验科学。解决了物理学量子力学的薛定谔方程,普通计算解决不了,我们可以解决。”说起自己在兰大生涯中记忆犹新特别开心的一件事,段先生神采奕奕娓娓道来:1958年“大跃进”,段先生拒绝土法大炼钢铁,提出研制模拟电子计算机,带领学生学习电子学、电磁学和量子力学。仅仅4个月时间,1万元经费,一台机柜长5米、高2米的电子管计算机在兰大物理楼5楼中央诞生了。这台模拟式电子计算机装有200个电子管、6000个电阻、300个电容及其他一些精密仪器,是我国最早的电子管模拟式计算机之一,受到了甘肃省政府的表彰。
研制计算机需要多方面的知识,所以物理系的普通物理和四大力学得以正常开课,也因此为国家保留了物理研究的火种。段先生很欣赏托尔斯泰的处世哲学:没有智慧的头脑就像没有蜡烛的灯笼。在历次政治运动中,段先生认为“遇合理之事以礼从之,不合理之事出谋拒之”,无论世事变迁,他矢志不渝自己科学人的身份并以坚强意志克服困难追求科学理想。
先生一生对点滴生活和科学发展怀有独特的美感和激情,几乎对所有学科前沿性的研究都感兴趣,当中国内陆第一个穿越南极的兰州大学教授秦大河回来后,段一士见到他问的第一句话就是:“指南针放在南极点,它会指向哪呢?”在先生的家里摆放着各种他搜罗起来的诸如磁悬浮、单摆小球等小玩意儿。先生在医院治疗的日子里,“徒子徒孙”们会不间断地排班去照顾他,“每当老师或学生手里有什么纸片他都要过来看一下,这应该是段先生多年研究学术养成的对材料的敏感,以及对知识的好奇!”物理学院的研究生喻豪感慨道。
据《南风窗》采访报道,爱因斯坦是段一士一生的偶像,段一士更佩服爱因斯坦搞科研的精神。“他临去世前还在搞科研。陈省身也是,90多岁还在搞。伟大的科学家都这样。”段一士家里保存有爱因斯坦的黑白照片。爱因斯坦爱弹钢琴,段一士也买了钢琴弹。爱因斯坦爱骑自行车,段一士也爱骑自行车,80岁了还骑自行车上下班。
他还鼓励学生们爱好音乐,他说:“如果音乐发展了,对学习理论物理而言,大脑就更平衡了。”段一士先生经常是从学校一回到家里就开始弹钢琴,而夫人黄友梅一听见琴声响起,不论是在干什么,都会跑过来拍手叫好。黄先生回忆说:“他喜欢弹琴,我喜欢唱歌,在家里我们没事儿就会来一段儿像《红梅花儿开》这样的老歌。”就连在病床上的时候,学生们也会下载几首像《致爱丽丝》《土耳其进行曲》这样的音乐给他听。“给我印象最深的就是先生家中各类琳琅满目的书籍,涉及到科学、艺术、哲学等多方面,还有先生在住院期间还坚持看文献的那种活到老学到老的精神。”物理学院大四的学生王慧敏回忆说。
雅致而简朴的格调是先生理想的生活,执着而卓越的科学目标是先生生活的理想。先生曾在接受《兰州大学报》采访的时候说,没有理想的人生是有缺陷的人生,他寄语青年:在工作上,科研、教学上都对自己要求高点。
“兰大不是土包子,我们照样能培养出人才,希望兰大可以培养出诺贝尔奖获得者。”在兰大百年校庆上接受著名记者水均益采访时,段先生对兰大的教育寄予厚望,鼓励兰大学子勇于成长为世界一流的科学家。
家国常驻心间,“宇宙”陪伴一生。他的一生是泯化小我、回复大我的科学家的一生,先生走了,完全与宇宙融为了一体。后辈们会继续探求拓扑场论、黑洞分子、相对论和额外维的宇宙奥秘。
解密宇宙的讯息,将是为他捎去的最美的问候。


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