李 維 張瑞云

(1. 天津師范大學(xué)教師教育學(xué)院,天津 300387； 2. 天津市耀華中學(xué),天津 300040)

哈斯(Arthur Erich Haas,1884—1941)是現(xiàn)代量子理論的重要?jiǎng)?chuàng)始人之一．哈斯一生涉獵廣泛,除了物理學(xué),他還對(duì)科學(xué)史及法律史感興趣．作為一位科學(xué)家,他在科學(xué)生涯的早期為量子物理學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn),并終身從事宇宙論的研究,為宇宙的起源研究提供了重要的知識(shí)基礎(chǔ)．作為一名資深的科學(xué)教育家,他一生成功地進(jìn)行了上千場科學(xué)講座,并撰寫了多部流傳廣泛的教科書,愛因斯坦因此稱他為“天才教師”．本文在概述哈斯生平的基礎(chǔ)上,對(duì)哈斯的科學(xué)貢獻(xiàn)和教育貢獻(xiàn)進(jìn)行簡要闡述．

1 生平

哈斯1884年出生于摩拉維亞的布魯恩(今布爾諾)．哈斯家境殷實(shí)．他的祖父是當(dāng)?shù)鬲q太社區(qū)的醫(yī)生,他的父親曾在維也納學(xué)習(xí)法律．哈斯從小擅長學(xué)習(xí),上中學(xué)后尤其喜歡物理和歷史,并學(xué)會(huì)了流利地使用拉丁語和希臘語．1902年,他以優(yōu)異的物理和數(shù)學(xué)成績畢業(yè)．同年,他進(jìn)入他的祖父和父親曾經(jīng)就讀過的維也納大學(xué)．雖然他的父親希望他學(xué)習(xí)法律以繼承父業(yè),但哈斯仍然決定學(xué)習(xí)物理學(xué)．在大學(xué)二年級(jí)期間,哈斯受到了波爾茲曼的影響．1905年,哈斯準(zhǔn)備跟隨波爾茲曼做博士論文．玻爾茲曼建議他以熱力學(xué)第二定律的關(guān)鍵歷史分析為選題,但還沒來得及討論論文的細(xì)節(jié),玻爾茲曼就病倒了．在沒有指導(dǎo)的情況下,哈斯選擇了一個(gè)科學(xué)史課題——“古代的光理論”進(jìn)行了研究．在某種程度上,他的選擇取決于他對(duì)希臘語和拉丁語的精通,這使他能夠順利閱讀原文．在短短3個(gè)月內(nèi),他即完成了學(xué)位論文,并被評(píng)為優(yōu)秀．雖然哈斯是玻爾茲曼最后一個(gè)學(xué)生,但玻爾茲曼沒能參加哈斯的論文答辯而于1906年9月自殺,一個(gè)月后哈斯以優(yōu)異成績畢業(yè),獲得博士學(xué)位并提交論文出版．

玻爾茲曼的去世讓哈斯對(duì)未來的職業(yè)生涯猶豫不決．他于1907年服兵役一年,后因身體原因退役并返回維也納．在博士畢業(yè)之后的這段時(shí)間里,哈斯又撰寫了幾篇有關(guān)科學(xué)以及科學(xué)發(fā)展的哲學(xué)與歷史方面的文章.這也是他科學(xué)思想發(fā)展的一個(gè)形成時(shí)期,反映了他對(duì)物理思想起源和演變的興趣．1908年圣誕節(jié),哈斯完成了關(guān)于能量守恒概念發(fā)展的論文并作為特許任教資格論文提交給維也納大學(xué)．盡管論文的哲學(xué)思想贏得了很高的贊譽(yù),但終因物理內(nèi)容不足而被退回．繼而,哈斯于1910年又將他的關(guān)于黑體輻射光譜理論的論文再次提交給維也納大學(xué)．這次雖又被拒絕,但獲得了在維也納科學(xué)院的期刊上發(fā)表的機(jī)會(huì)．這促使他就這一主題又撰寫了兩篇論文,希望能引起德國科學(xué)界的關(guān)注．1911年秋天在比利時(shí)布魯塞爾首次舉行的索爾維會(huì)議上,有很多重要的物理學(xué)家出席．洛倫茲注意到哈斯的論文,并將之放在會(huì)議議程上．[1]根據(jù)與會(huì)專家的建議,哈斯提交了他關(guān)于能量守恒原理發(fā)展的第一篇論文以及另外一篇關(guān)于電子在帶正電的球體中的平衡位置的出版物,作為新的特許任教資格論文提交．哈斯因此于1912年8月獲得了維也納大學(xué)科學(xué)史專題講座的權(quán)利．

由于萊比錫大學(xué)醫(yī)學(xué)史專家蘇德霍夫的賞識(shí)與推薦,哈斯于1913年秋天來到了萊比錫大學(xué)．1914年8月,第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā),從而減緩了哈斯的研究工作．1916年春天開始,哈斯結(jié)合自己多年的講座稿開始著手研究理論物理教科書的寫作．1918年12月,“理論物理學(xué)導(dǎo)論”出版,這本書被譽(yù)為第一本現(xiàn)代理論物理教科書,并立即成為科學(xué)暢銷書．1919年1月,哈斯辭去萊比錫大學(xué)的職務(wù)并返回維也納．

1923年,哈斯被提升為維也納大學(xué)名譽(yù)教授,而這似乎并未能滿足哈斯年輕時(shí)曾為自己設(shè)想的職業(yè)發(fā)展速度．由于他上一本書的成功,他決定多關(guān)注教材編寫這樣的科學(xué)教育工作．由于偶然的邂逅,1924年9月8日哈斯與比他小12歲的德國新娘結(jié)婚．由于數(shù)學(xué)和法律方面的專長,哈斯于1925年被提名為維也納科學(xué)院的精算師．1926年哈斯出版了“原子世界”一書,1928年又出版了他最成功的著作“物質(zhì)波與量子力學(xué)”．同年,哈斯還在美國期刊“科學(xué)月刊”上發(fā)表了他的第一篇文章,向公眾介紹原子能．雖然這是他第一次在美國期刊上發(fā)表文章,但哈斯自1926年以來一直在加強(qiáng)與美國的專業(yè)聯(lián)系．1927年初,哈斯首次訪問美國,歷時(shí)兩個(gè)月．在此期間,他發(fā)表了題為“原子作為能源”的主題演講．其后,哈斯在1930年至1931年期間又訪問了美國的五十所大學(xué)．

1934年,哈斯終于有機(jī)會(huì)在美國擔(dān)任教職,在塔爾曼基金會(huì)的支持下,緬因州鮑登學(xué)院為他提供了一個(gè)訪問職位．1936年,根據(jù)諾特丹大學(xué)校長奧哈拉的科學(xué)計(jì)劃,諾特丹大學(xué)準(zhǔn)備公開招聘一個(gè)在新安裝的靜電加速器上進(jìn)行科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)職位．盡管哈斯不符合招聘條件的工作要求,但愛因斯坦在推薦信中肯定了哈斯在國際物理學(xué)界擁有的巨大知名度和認(rèn)可價(jià)值,以及哈斯在其職業(yè)生涯中所表現(xiàn)出的優(yōu)秀教學(xué)才能．愛因斯坦的來信說服了奧哈拉向哈斯提供這個(gè)職位．1936年8月31日至9月12日,哈佛大學(xué)舉行了成立300周年的紀(jì)念慶?；顒?dòng)．在會(huì)議上,哈斯與美國數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)和美國天文學(xué)會(huì)共同組織了關(guān)于宇宙學(xué)部分的演講．對(duì)于哈斯而言,這是一個(gè)值得驕傲的時(shí)刻,他在科學(xué)生涯的巔峰時(shí)期與兩位科學(xué)英雄——愛因斯坦和愛丁頓齊名．參加此次會(huì)議使哈斯有機(jī)會(huì)成為美國科學(xué)界的正式成員,并成功地建立了新的聯(lián)系,特別是與哈佛大學(xué)的天文學(xué)家沙普利建立了聯(lián)系．他支持哈斯1937年當(dāng)選為美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)的一名成員,這是一項(xiàng)罕見的榮譽(yù),很少有物理學(xué)家能夠?qū)崿F(xiàn)．更重要的是,在宇宙起源的大爆炸理論之父勒梅特訪問美國期間,哈斯在諾特丹大學(xué)組織了第一次宇宙學(xué)國際會(huì)議,并吸引了該領(lǐng)域的百余名專家參會(huì)．1940年11月22日,感恩節(jié)晚宴結(jié)束后,哈斯坐火車去芝加哥參加美國物理學(xué)會(huì)秋季會(huì)議．離開酒店時(shí),他中風(fēng)并癱倒在地上．哈斯于1941年2月20日去世．

2 科學(xué)貢獻(xiàn)

哈斯的科學(xué)貢獻(xiàn)主要集中于量子物理學(xué)和宇宙論兩個(gè)方面．

2.1 對(duì)量子物理學(xué)的貢獻(xiàn)

波爾曾盛贊哈斯是“第一批對(duì)基于量子理論和原子模型的光譜解釋感興趣的人之一”．在1909年,哈斯注意到普朗克的黑體輻射理論盡管能夠預(yù)測整個(gè)頻率范圍內(nèi)的頻譜,但普朗克本人只是將其視為數(shù)學(xué)技巧而非物理現(xiàn)實(shí)．普朗克常數(shù)h作為一種新的基本常數(shù)出現(xiàn),哈斯試圖搞清其物理意義．[2]他認(rèn)為湯姆遜的氫原子模型可以為普朗克的黑體輻射理論提供物理意義．哈斯假設(shè)電子位于半徑為a的球面上運(yùn)動(dòng),球心帶等量正電荷,兩者之間的庫侖力提供電子運(yùn)動(dòng)的向心力,通過創(chuàng)造性地比較電子勢能與普朗克能量子的能量,哈斯發(fā)現(xiàn)普朗克常數(shù)h2與球半徑a之間存在正比關(guān)系．受哈斯研究工作的啟發(fā),3年后玻爾在其原子模型框架中進(jìn)一步推導(dǎo)出玻爾半徑．

哈斯不僅預(yù)測了普朗克常數(shù)與基態(tài)氫原子尺寸之間的關(guān)系,而且還試圖為原子光譜中的里德伯常數(shù)以及經(jīng)驗(yàn)的巴爾末公式等其他唯象的參數(shù)或規(guī)律提供物理解釋．此外,他還針對(duì)當(dāng)時(shí)的兩個(gè)基本粒子——電子和質(zhì)子,估算了它們的質(zhì)量比以及尺寸比．[3]

2.2 對(duì)宇宙論的貢獻(xiàn)

哈斯對(duì)宇宙論的興趣源于學(xué)生時(shí)代受到的玻爾茲曼思想的影響．早在1907年春天,他就撰寫并發(fā)表了“物理發(fā)展的一般規(guī)律及其與熱力學(xué)第二定律的關(guān)系”一文．這是哈斯有關(guān)宇宙論的第一篇論文,他論證了宇宙的熱寂態(tài)是熱力學(xué)第二定律的必然結(jié)果．同年,哈斯出版了他的第一部宇宙學(xué)專著．在書中,他根據(jù)基本物理定律和基本物理常數(shù),得出了宇宙的演化只需要一個(gè)有限時(shí)間的結(jié)論．1912年以后,哈斯進(jìn)一步認(rèn)為宇宙的熵的凈和是恒定的.這意味著宇宙一部分的熵在增加的同時(shí),另一部分的熵則在減少,反之亦然,熵流方向隨時(shí)間波動(dòng)．另外,由于當(dāng)時(shí)核反應(yīng)的可能性尚不清楚,因此普遍認(rèn)為所有放射性元素都會(huì)通過鈾或其他尚未發(fā)現(xiàn)的放射性母元素釋放α粒子的方式而向較輕的元素衰變．如果宇宙是無限的,那么各個(gè)母元素的質(zhì)量必須趨于無窮大,因?yàn)槊總€(gè)衰變過程都需要能量釋放．這種能量的釋放勢必要求當(dāng)前宇宙中的溫度必須遠(yuǎn)高于目前觀測到的溫度．這些是哈斯論證有限宇宙的兩大理論支柱,并且終生都沒有改變．

受哈勃河外星云研究的影響,1930年夏,哈斯建議通過比較宇宙的引力能量來確定宇宙的大小和質(zhì)量密度．哈斯認(rèn)為引力能的絕對(duì)值必須等于或小于宇宙質(zhì)量中包含的總能量．如果假定宇宙的半徑,則可以導(dǎo)出密度,反之亦然．他在1930年由“自然”雜志出版的一篇論文中采用了這種估算宇宙尺寸的方法．其中哈斯利用愛因斯坦方程和哈勃在1926年引用的宇宙質(zhì)量推導(dǎo)出膨脹速度,得到的值2000 km/s與當(dāng)時(shí)觀測到的最遠(yuǎn)星云的膨脹速度相當(dāng)．

1932年,哈斯考慮通過宇宙學(xué)參數(shù)進(jìn)一步解釋普朗克常數(shù)的可能性．哈斯取宇宙半徑R和電子運(yùn)動(dòng)半徑a的比值A(chǔ),并推導(dǎo)出立方項(xiàng)A3應(yīng)為3個(gè)宏觀通用常數(shù)——宇宙質(zhì)量M、宇宙半徑R和光速c的乘積與普朗克常數(shù)h的比值,推進(jìn)了宇宙的宏觀維度與微觀粒子的微觀維度之間的密切關(guān)系的論證．

3 教育貢獻(xiàn)

哈斯的教育貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在科學(xué)講座與教材編寫兩個(gè)方面．

3.1 科學(xué)講座

哈斯的講座始于1912年他進(jìn)入維也納大學(xué)首次講授物理學(xué)史之際． 哈斯為了精心準(zhǔn)備講座,擱置了大部分以前用于研究的時(shí)間．僅1912年,就參加了180多場活動(dòng)．

尤其是1927年初,哈斯首次訪問美國,歷時(shí)2個(gè)月．在此期間,他發(fā)表了題為“原子作為能源”的主題演講．他的第二個(gè)演講題目是“客觀與人的物理學(xué)”,同年在“科學(xué)”雜志上發(fā)表．在這次訪問中,哈斯在耶魯、普林斯頓、哥倫比亞、麻省理工等大學(xué)講學(xué),他總共訪問了東海岸和中西部的26所院校．這些邀請(qǐng)反映了哈斯在學(xué)術(shù)界享有的聲譽(yù)．

1930年至1931年期間,哈斯又訪問了美國的50所大學(xué)．他進(jìn)一步修改了他的主題,講授“原子的現(xiàn)實(shí)”,“物理定律與相對(duì)論”以及“原子與宇宙”等內(nèi)容．所有人都對(duì)他的講座產(chǎn)生了巨大的興趣．堪薩斯工業(yè)家雜志在1931年3月哈斯訪問堪薩斯州立大學(xué)時(shí)曾報(bào)道說:“在科學(xué)講座時(shí)只有站立的空間是不尋常的,但它就發(fā)生在3月6日星期五的晚上．大量的觀眾擠滿了化學(xué)報(bào)告廳并溢出到報(bào)告廳外,只是為了聽維也納大學(xué)物理學(xué)教授哈斯博士發(fā)表關(guān)于科學(xué)的演講”．

3.2 教材編寫

早在1914年,哈斯就有了編寫理論物理教科書的想法,但由于一戰(zhàn)爆發(fā)而受到擱置．1918年12月,“理論物理學(xué)導(dǎo)論”出版,這本書被譽(yù)為第一本現(xiàn)代理論物理教科書．該書的第2版于1921年由萊比錫的德古意特出版社出版．1923年,又出版了該書的修訂版．這本書在以后的10年中取得了巨大的成功,直到1934年被納粹政府禁止．然而幸運(yùn)的是,早在1924年該書已經(jīng)被翻譯成英文,并隨后有多種英文版本在英美國家流行．在1930年“自然”雜志的一篇書評(píng)中說,“這本書具有哈斯教授出版物一貫清晰而精確的風(fēng)格,是非常難能可貴的”．這本書為他作為一名科學(xué)作家的成功奠定了基礎(chǔ),并有多家出版公司向他尋求新版本的書稿．

1919年1月,哈斯在返回維也納大學(xué)以后,計(jì)劃將他有關(guān)現(xiàn)代物理學(xué)方面的講座整理發(fā)表在一本面向非專業(yè)人士的書中,該書取名為“新物理學(xué)的本質(zhì)”,于1920年在萊比錫出版．這本書涵蓋了現(xiàn)代物理學(xué)的各個(gè)方面,并取得了巨大的成功．該書的第2版于1924年出版,第3版于1932年出版．1923年,該書被譯成英文,英文第2版于1930年出版．這一時(shí)期,哈斯還在撰寫另外一本側(cè)重于矢量和張量理論在電動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用的教科書．對(duì)于年輕學(xué)生來說,這是一本具有挑戰(zhàn)性但卻非常重要的書．但哈斯把該書寫得清晰簡潔,因此被廣泛用作大學(xué)教科書．

1926年,哈斯出版了“原子世界”一書．該書全面涵蓋了20世紀(jì)的新物理學(xué),從經(jīng)典物理學(xué)的物質(zhì)和電學(xué)原理出發(fā),一直講到新近的光量子理論及其實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)以及玻爾的氫原子模型．書中還基于索末菲的理論探討了多電子原子系統(tǒng)以及具有轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)帶的復(fù)雜分子系統(tǒng)的光譜學(xué)描述．除了描述原子的世界,該書的最后部分還探討了原子核的問題．在這方面,他總結(jié)了放射性現(xiàn)象,甚至還編入了關(guān)于恒星元素形成的理論．

1928年4月,哈斯又出版了他最成功的著作“物質(zhì)波與量子力學(xué)”,這是對(duì)此前10年間現(xiàn)代物理學(xué)快速發(fā)展的全面概述．該書介紹了從德布羅意到薛定諤與海森伯階段量子物理學(xué)的發(fā)展以及量子統(tǒng)計(jì)的概念、玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)與費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的原理等．這本書取得了巨大成功,第2版于1928年11月出版,第3版于1929年12月出版．英語和法語版本分別于1928年和1930年出版．1934年5月,又發(fā)行了該書的修訂版．同年,哈斯還在美國期刊“科學(xué)月刊”上發(fā)表了他的第一篇關(guān)于原子能的文章．盡管鐳衰變產(chǎn)生能量釋放當(dāng)時(shí)已經(jīng)成為物理學(xué)界公認(rèn)的現(xiàn)象,但那時(shí)還沒有人完全開發(fā)出進(jìn)行必要測量的實(shí)驗(yàn)方案．通過這篇文章,哈斯成功地向公眾推廣了科學(xué)界以外仍不受歡迎的科學(xué)概念．

1929年,哈斯根據(jù)他在維也納物理化學(xué)學(xué)會(huì)的若干講座出版了一本書． 人們普遍認(rèn)為,這本名為“量子化學(xué)導(dǎo)論”的書第一次使用了“量子化學(xué)”這一表述,現(xiàn)在這個(gè)術(shù)語已被廣泛使用．該書涵蓋了化學(xué)周期性、化學(xué)結(jié)合、電子構(gòu)型以及分子結(jié)構(gòu)等主題．

1933年,哈斯在德國斯普林格出版社出版了一本名為“為每個(gè)人的物理學(xué)”的科普書． 他在書中特別談到了最新技術(shù)發(fā)展蘊(yùn)含的物理原理,諸如照相機(jī)、無線電、有聲電影、渦輪機(jī)以及X光機(jī)等．該書再次取得了巨大成功而且銷路很好．成功是如此之大,以至于哈斯在1934年又迅速跟進(jìn)了一本專門用于介紹有聲電影原理的小冊(cè)子．

1934年,哈斯出版了“物理學(xué)的宇宙邏輯問題”一書．這本書被認(rèn)為是最早的宇宙學(xué)教科書之一．該書不僅在前面章節(jié)針對(duì)普通讀者介紹了包括河外星云的觀測、宇宙膨脹、宇宙年齡等新近的宇宙學(xué)知識(shí),而且在書的偏后部分探討了宇宙能量的估算、有限宇宙模型參數(shù)的推導(dǎo)等專業(yè)性較強(qiáng)的問題．該書雖然是用德語寫成,但出版后不久即被“自然”雜志的匿名書評(píng)將其描述為“專家和非專家皆適用的主題優(yōu)秀而客觀的總結(jié)”．

繼這些出版物之后,哈斯于1935年根據(jù)他在維也納大學(xué)的講座出版了一本名為“化學(xué)元素轉(zhuǎn)化”的新書．這本書總結(jié)了近年來核物理學(xué)的發(fā)展,并特別介紹了通過新儀器、新技術(shù)獲得的成就,例如通過質(zhì)量分離器和粒子加速器進(jìn)行核反應(yīng)以及通過新的輻射檢測技術(shù)確定反應(yīng)產(chǎn)物等．

4 結(jié)束語

縱觀哈斯的一生,由于求學(xué)期間深受玻爾茲曼學(xué)術(shù)思想的影響,哈斯畢生都在探索世界的相關(guān)性和系統(tǒng)性,在量子物理與宇宙學(xué)領(lǐng)域?qū)で蠡靖拍钆c自然常數(shù)之間的聯(lián)系．哈斯興趣廣泛,文理皆通,不僅善于從歷史與哲學(xué)的高度提出解決物理學(xué)基本問題的方向,而且為他從全局的視野把握物理學(xué)發(fā)展的前沿,條理清晰地組織講座線索和教材結(jié)構(gòu)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．在20世紀(jì)初物理學(xué)快速發(fā)展的時(shí)期,哈斯不愧為一位積極投身科學(xué)研究并在科學(xué)教育領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)的“天才教師”．