范科苑，尹曉冬

（首都師范大學(xué) 物理系，北京 100048）

英國達(dá)爾文家族是一個(gè)聲名顯赫的科學(xué)家族（圖1）。其家族始于18 世紀(jì)的伊拉斯謨·達(dá)爾文（Erasmus Darwin，1731-1802），他著有詩歌《植物之愛》（Loves of the plants）以及很多傳統(tǒng)科學(xué)著作，他將瑞典植物學(xué)家林奈（Carl von Linné，1707-1778）的植物分類命名方法通過詩歌的方式表達(dá)出來，是早期提出類似演化觀念的學(xué)者之一。［1］伊拉斯謨·達(dá)爾文的兒子羅伯特·韋林·達(dá)爾文（Robert Waring Darwin，1766-1848）是一個(gè)醫(yī)生，眾人所熟知的查爾斯·羅伯特·達(dá)爾文（Charles Robert Darwin，1809-1882）就是他的兒子、伊拉斯謨·達(dá)爾文的孫子。查爾斯·羅伯特·達(dá)爾文的表弟弗朗西斯·高爾頓（Francis Galton，1822-1911）是位探險(xiǎn)家和科學(xué)家，他嘗試從遺傳的角度研究個(gè)別差異形成的原因，開創(chuàng)了優(yōu)生學(xué)（Eugenics）。

圖1 達(dá)爾文家族的家譜（據(jù)[2]修改）

這位世界著名的生物學(xué)家查爾斯·羅伯特·達(dá)爾文有10 個(gè)孩子，其中5 個(gè)是兒子。次子是在天文學(xué)領(lǐng)域頗有成就的喬治·霍華德·達(dá)爾文（George Howard Darwin，1845-1912），他曾提出一個(gè)假說來解釋月球起源（分裂說）；第4 個(gè)兒子倫納德·達(dá)爾文（Leonard Darwin，1850-1943）是英國政治家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家和優(yōu)生學(xué)家，曾是統(tǒng)計(jì)學(xué)家和進(jìn)化生物學(xué)家羅納德·艾爾默·費(fèi)舍爾①羅納德·艾爾默·費(fèi)舍爾（Ronald Aylmer Fisher， 1890-1962），英國著名統(tǒng)計(jì)學(xué)家和遺傳學(xué)家，現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)科學(xué)的奠基人之一。（Ronald Aylmer Fisher，1890 -1962）的導(dǎo)師；最小的兒子賀拉斯·達(dá)爾文（Horace Darwin，1851-1925）是位工程師，專門從事精密科學(xué)儀器的設(shè)計(jì)和制造。喬治·霍華德·達(dá)爾文的兒子（生物學(xué)家查爾斯·羅伯特·達(dá)爾文的孫子）就是文章所要闡述的查爾斯·高爾頓·達(dá)爾文②查爾斯·高爾頓·達(dá)爾文（Charles Galton Darwin，1887-1962），后文中除了特別標(biāo)注，皆指C.G. 達(dá)爾文。［2］（C.G. 達(dá)爾文，圖2）。C.G.達(dá)爾文和凱瑟琳·彭伯（Katharine Pember）于1925 年結(jié)婚，婚后養(yǎng)育了5 個(gè)孩子，其中有4 個(gè)兒子、1 個(gè)女兒（圖1 只列了他的4 個(gè)兒子）。

圖2 達(dá)爾文肖像[3]

1 查爾斯·高爾頓·達(dá)爾文生平

1.1 早年的C.G. 達(dá)爾文(1887-1908)

C.G. 達(dá)爾文于1887 年出生在劍橋的紐納姆田莊（Newnham Grange），孩童時(shí)期的C.G.達(dá)爾文與其他孩子沒有太大差別。他與達(dá)爾文家庭成員在劍橋的生活由他姐姐記錄在回憶錄中，回憶快樂、美好而又獨(dú)特，回憶錄里的C.G. 達(dá)爾文是“一個(gè)開朗活潑、充滿活力的大男孩，幽默風(fēng)趣，對(duì)胡說八道不屑一顧”。他和父親討論質(zhì)數(shù)和電子，給同齡人留下了深刻的印象。他還記得自己被一個(gè)妹妹拿著叉子在花園里瘋狂地追著跑。［3］69

無憂無慮的童年生活過得很快，隨即到了上學(xué)的年紀(jì)。C.G. 達(dá)爾文先在圣費(fèi)斯預(yù)科學(xué)校（The St Faith′s prep school）讀了兩年，然后拿到獎(jiǎng)學(xué)金去馬爾堡學(xué)院（Marlborough College，1901-1906）。在那里，他先接受了兩年普通的古典教育，這使他打下了堅(jiān)實(shí)的希臘語功底。第三年，他進(jìn)入六年級(jí)，主要學(xué)習(xí)的課程是數(shù)學(xué)，此外還學(xué)習(xí)了少量的化學(xué)和物理知識(shí)。在學(xué)習(xí)過程中，他表現(xiàn)十分優(yōu)異。在馬爾堡學(xué)院學(xué)習(xí)期間，他有機(jī)會(huì)到德國訪學(xué)兩次，每次兩個(gè)月，期間他學(xué)習(xí)了德語。第二次訪學(xué)是在哥廷根，他遇到了數(shù)學(xué)家朗格③卡爾·大衛(wèi)·托爾梅·朗格（Carl David Tolmé Runge， 1856-1927），德國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和光譜學(xué)家。（Carl David Tolmé Runge， 1856-1927），朗格發(fā)現(xiàn)一個(gè)學(xué)生的數(shù)學(xué)水平如此之高，令他感到驚訝。1907年，達(dá)爾文前往布里斯托爾大學(xué)（University of Bristol）求學(xué)，經(jīng)過3 年的學(xué)習(xí)，順利地拿到了該校的榮譽(yù)理學(xué)學(xué)士學(xué)位（B.Sc. Bristol）。

1.2 四十年科學(xué)研究及管理生涯（1909-1949）

C.G. 達(dá)爾文于1909 年去劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)，在那里他獲得了三一學(xué)院的獎(jiǎng)學(xué)金。在劍橋他接受了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)訓(xùn)練，并于1910 年獲得了數(shù)學(xué)碩士學(xué)位，這為他后面從事物理學(xué)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。畢業(yè)后，C.G. 達(dá)爾文獲得了曼徹斯特大學(xué)的舒斯特講師（Schuster Reader）職位。當(dāng)時(shí)，盧瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）任曼徹斯特大學(xué)的物理系主任，達(dá)爾文對(duì)盧瑟福的原子動(dòng)力學(xué)模型表現(xiàn)出了濃厚的興趣，并嘗試研究α 射線的吸收理論。但很快隨著勞厄（Max von Laue， 1879-1960）于1912年從理論上預(yù)測(cè)并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了X 射線衍射現(xiàn)象以后，C.G. 達(dá)爾文的研究方向轉(zhuǎn)變?yōu)閄 射線衍射，并相繼發(fā)表了4 篇相關(guān)論文。

隨后爆發(fā)的第一次世界大戰(zhàn)打斷了C.G.達(dá)爾文的物理學(xué)研究。1914 年，C.G. 達(dá)爾文作為曼徹斯特大學(xué)軍官訓(xùn)練團(tuán)（Manchester University O.T.C.）的一名軍官赴法國前線作戰(zhàn)。1年之后，他被派往皇家工兵部隊(duì)服役，加入了英國物理學(xué)家威廉·勞倫斯·布拉格（William Lawrence Bragg，1890-1971）組織的部隊(duì)，這支部隊(duì)的主要任務(wù)是通過聲波探測(cè)敵人的火炮，同時(shí)他被派去指揮一個(gè)大部分時(shí)間駐扎在路斯突出部（the Loos salient）的部隊(duì)。1917 年，他被派遣到奧福德內(nèi)斯（Orfordness）一個(gè)隸屬于英國皇家空軍的試驗(yàn)站研究飛機(jī)噪聲，直到戰(zhàn)爭結(jié)束。［3］72

1919 年，C.G. 達(dá)爾文獲得劍橋大學(xué)基督學(xué)院（Lecturer of Christ′s College）的講師職位。在緊隨其后的3 年里，達(dá)爾文最重要的工作是與拉爾夫·霍華德·福勒（Ralph Howard Fowler，1889 -1944）在統(tǒng)計(jì)學(xué)新方法上的合作，［3］73這種方法后來被稱為達(dá)爾文-福勒方法（Darwin-Fowler method）。因?yàn)檫@項(xiàng)工作和他早期的研究，達(dá)爾文在1922 年被選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。同年，C.G. 達(dá)爾文去美國加州理工學(xué)院做了1 年的訪問教授。1923 年，C.G. 達(dá)爾文在丹麥物理學(xué)家玻爾（Niels Henrik David Bohr，1885-1962）的啟發(fā)下提出了他自己對(duì)光色散理論的非經(jīng)典解釋，該理論為后來狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac，1902-1984）等提出現(xiàn)代量子力學(xué)提供了借鑒。1924 年，C.G. 達(dá)爾文任愛丁堡大學(xué)第一位自然哲學(xué)“泰特”教授（Tait Professor of Natural Philosophy），并在此工作了11 年。在愛丁堡大學(xué)，他見證了舊量子論向現(xiàn)代量子力學(xué)的轉(zhuǎn)變，并在英國積極推廣。其典型的例子是在1931 年，他在哈佛大學(xué)參加了洛厄爾講座（Lowell Lecture Harvard），同年，其講座的內(nèi)容被整理成書，書名是Thenew conceptions of matter（后被譯為《物質(zhì)之新觀念》，在下文中有詳細(xì)的說明）。繼C.G. 達(dá)爾文之后，愛丁堡大學(xué)的自然哲學(xué)泰特教授席位由后來的諾獎(jiǎng)得主馬克思·玻恩（Max Born，1882-1970）于1936 年接任。

1936 年，C.G. 達(dá)爾文重新回到劍橋，被選為劍橋大學(xué)的基督學(xué)院院長，并在余下的職業(yè)生涯中主要致力于教育和管理研究。1938 年，C.G. 達(dá)爾文擔(dān)任英國國家物理實(shí)驗(yàn)室（1938-1949）主任 ，［4］同年，他辭去劍橋大學(xué)基督學(xué)院院長職位，赴卡文迪許實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任物理學(xué)教授。1941-1942 年，他赴美從事科學(xué)聯(lián)絡(luò)工作，擔(dān)任駐美國的英國中央科學(xué)辦公室的首位主任（British Central Scientific Office）。1949 年，C.G. 達(dá)爾文正式退休。退休之后他四處旅行，并積極促進(jìn)科學(xué)和文化領(lǐng)域的國際合作。

1.3 活躍于優(yōu)生學(xué)會(huì)的晚年（1950-1962）

在達(dá)爾文生命的最后12 年里，有關(guān)人口的兩種現(xiàn)象令他十分憂慮：一是世界范圍內(nèi)快速增長的人口，達(dá)爾文認(rèn)為這將導(dǎo)致極端形式的馬爾薩斯問題，而且沒有真正的出路。二是當(dāng)時(shí)高素質(zhì)的人才往往比普通人留下更少的后代。受其叔祖父弗朗西斯·高爾頓的優(yōu)生學(xué)影響，達(dá)爾文也認(rèn)為孩子的智力等素質(zhì)取決于父母，而第二種現(xiàn)象使得他對(duì)人類整體的素質(zhì)表示擔(dān)憂。這兩點(diǎn)促成達(dá)爾文對(duì)優(yōu)生學(xué)的堅(jiān)定支持。這一時(shí)期，達(dá)爾文積極地參與各種與人口有關(guān)的會(huì)議，也嘗試為解決這兩個(gè)問題提供思路和方法。

1959 年，達(dá)爾文參加了在費(fèi)城舉行的紀(jì)念他祖父的達(dá)爾文百年紀(jì)念慶典，該慶典由美國哲學(xué)協(xié)會(huì)舉辦，他本人、他的父親、祖父和曾祖父都是該協(xié)會(huì)的成員。同年，他參加了在芝加哥舉行的達(dá)爾文百年紀(jì)念活動(dòng)。

對(duì)達(dá)爾文一生的主要經(jīng)歷可以總結(jié)為表1。

表1 達(dá)爾文的生平一覽表

C.G. 達(dá)爾文身材高大，舉止端莊，開朗大方。他擅長打高爾夫球，20 世紀(jì)20 年代早期，他和盧瑟福、阿斯頓（Francis William Aston，1877-1945）、福勒經(jīng)常在周日一塊打球。在音樂方面，他學(xué)習(xí)過鋼琴，雖然后來放棄了，但一直保持對(duì)音樂的熱愛，尤其是貝多芬的作品。

1962 年12 月31 日，C.G. 達(dá)爾文在劍橋大學(xué)去世。達(dá)爾文一生獲得過許多榮譽(yù)和獎(jiǎng)?wù)拢?917 年，他獲得了軍功十字勛章；1922 年他被選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員；他是劍橋大學(xué)基督學(xué)院和三一學(xué)院的榮譽(yù)院士；1935 年，他獲得了英國皇家學(xué)會(huì)勛章；1939 年擔(dān)任英國皇家學(xué)會(huì)副會(huì)長。為了表彰他的卓越貢獻(xiàn)，他于1942 年被封為大英帝國騎士（Knight of the British Empire）。

2 主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)

C.G. 達(dá)爾文的研究涉及廣泛，包括經(jīng)典物理和當(dāng)時(shí)方興未艾的量子理論，主要有X 射線反射、量子理論和統(tǒng)計(jì)力學(xué)。他一生筆耕不輟，發(fā)表許多論文（筆者共搜集86 篇），以其發(fā)表文章及時(shí)間作圖，得到圖3。從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，C.G. 達(dá)爾文在物理方面的創(chuàng)造性工作主要集中在1912-1933 年；而在1950-1962 年則對(duì)人口問題有較多著述；1954-1961 年，他把主要精力放在科學(xué)管理。下文將按照以上分析來進(jìn)行論述。

圖3 文章時(shí)間-產(chǎn)出圖

2.1 X 射線與晶體結(jié)構(gòu)

X 射線是一種波長在0.01～100 ? 的電磁輻射，由于X 射線的波長與原子間距相當(dāng)，故可以將晶體當(dāng)作天然光柵分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1912 年，勞厄等人發(fā)現(xiàn)了晶體的X 射線衍射現(xiàn)象，并嘗試對(duì)晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由此提出了勞厄方程。［5-6］勞厄在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)X 射線通過物質(zhì)會(huì)留下象，通過對(duì)X 射線穿過晶體的研究發(fā)現(xiàn)，穿透過的象呈現(xiàn)為粗糙的衍射斑點(diǎn)。這一發(fā)現(xiàn)有兩種作用：一是證明晶體表面原子在相對(duì)應(yīng)尺度呈周期性排列；二是說明X射線是一種電磁波。

緊隨其后的布拉格父子［威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg，1862-1942）和威廉·勞倫斯·布拉格］把晶體抽象成大量原子組成的平行平面，并在此基礎(chǔ)上提出更為簡潔的布拉格方程，［5］改進(jìn)了X 射線分光計(jì)。其后的埃瓦爾德（Paul Peter Ewald，1888-1985）又引入反射球的概念，提出可以利用直觀圖解的方法來描述衍射定律，這極大地形象化了抽象的假設(shè)，使得整個(gè)衍射譜則和倒晶格相對(duì)應(yīng)。［7］但埃瓦爾德還沒來得及將他的理論應(yīng)用于X 射線衍射中，C.G. 達(dá)爾文就于1913 和1914 年發(fā)表了3 篇論文，其中首次提出X 射線衍射理論，并進(jìn)一步擴(kuò)展了晶體理論。［8-10］

雖然布拉格等人對(duì)X 射線動(dòng)力學(xué)有開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，但多波散射還是存在一些問題。為此，C.G. 達(dá)爾文首先對(duì)多波散射做了大量的嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算，并將其應(yīng)用于晶體中的散射，并說明散射存在于布拉格角及其鄰域處。C.G. 達(dá)爾文嘗試將嚴(yán)格的布拉格角和其鄰域看為一個(gè)整體，以計(jì)算其散射。但是計(jì)算得到的結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果小，為了解釋這一矛盾，達(dá)爾文提出一種新的假設(shè)，認(rèn)為晶體并非完美無缺，而是由取向略有不同的塊“鑲嵌”而成，即晶體的嵌鑲結(jié)構(gòu)（mosaic structures），［11］這為晶體位錯(cuò)理論的提出與應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

C.G. 達(dá)爾文、埃瓦爾德及勞厄這三位杰出的物理學(xué)家搭建了X 射線散射的動(dòng)力學(xué)理論的框架，并提供了晶體研究的范式。

2.2 量子理論和統(tǒng)計(jì)力學(xué)

2.2.1 統(tǒng)計(jì)力學(xué)：達(dá)爾文-福勒方法

1922 年受艾倫·費(fèi)斯特（Paul Ehrenfest，1880-1933）和維克多·特爾卡爾（Viktor Trkal，1888-1956）兩人在統(tǒng)計(jì)力學(xué)上的某些工作的啟發(fā)，C.G. 達(dá)爾文與福勒一起合作完成了一篇關(guān)于能量分配的論文——The Partition of Energy，提出了計(jì)算統(tǒng)計(jì)積分的方法，即著名的達(dá)爾文-福勒方法。這篇文章發(fā)表在《哲學(xué)雜志》（Philosophical Magazine）上。［12］達(dá)爾文-福勒方法用于推導(dǎo)具有平均概率的分布函數(shù)。根據(jù)玻爾的對(duì)應(yīng)原理和埃倫費(fèi)斯特（Paul Ehrenfest， 1880-1933）的絕熱假設(shè)，C.G. 達(dá)爾文和福勒給每個(gè)量子化自由度中的每個(gè)允許狀態(tài)賦予了相等的先驗(yàn)“權(quán)重”，以此他們構(gòu)造了一種“配分函數(shù)”，并將這種方法應(yīng)用于最簡單的系統(tǒng)——普朗克諧振子，通過從求和到積分的過程由經(jīng)典力學(xué)過渡到量子論。［13］這種函數(shù)還可以進(jìn)一步應(yīng)用于封閉空間的輻射，從中可以導(dǎo)出普朗克定律以及晶體的內(nèi)能，還可以用來計(jì)算漲落。C.G. 達(dá)爾文在劍橋與福勒發(fā)展的統(tǒng)計(jì)力學(xué)的新方法，即達(dá)爾文-福勒方法，為后來的量子統(tǒng)計(jì)學(xué)提供了一個(gè)有效的基礎(chǔ)。

2.2.2 提出光色散理論推動(dòng)量子力學(xué)發(fā)展

20 世紀(jì)初，普朗克率先提出了量子化假說，隨后愛因斯坦擴(kuò)展了普朗克的量子理論，并以此解釋了光電效應(yīng)。玻爾接受了能量量子化的假設(shè)，提出了以他命名的原子模型——玻爾模型。當(dāng)時(shí)量子理論正在蓬勃發(fā)展，但還不成熟。［14］玻爾模型雖然接受了能量量子化，但還是保留了經(jīng)典的軌道，這導(dǎo)致了以下困難：電子的周期運(yùn)動(dòng)（光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論基礎(chǔ)）在玻爾理論中定態(tài)的頻率與吸收和發(fā)射過程中觀察到的輻射頻率不同。為了解釋這個(gè)難題，科學(xué)家們作出了許多嘗試。19 世紀(jì)20年代初，人們發(fā)現(xiàn)原子發(fā)射和吸收輻射的過程類似于一組經(jīng)典諧振子的行為。而C.G. 達(dá)爾文在1923 年的一篇文章中，闡述了他對(duì)色散理論的理解——不假設(shè)任何電子軌道或物理模型，［15］在面對(duì)入射輻射時(shí)，原子將作為波源，以諧振子方式產(chǎn)生球面波，而這個(gè)過程中能量守恒是統(tǒng)計(jì)的。［16］不過，C.G. 達(dá)爾文的模型中入射輻射不能給原子帶來能量或動(dòng)量，這導(dǎo)致理論的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大。這是否意味著C.G. 達(dá)爾文的理論毫無意義呢？當(dāng)然不是?，F(xiàn)在看來，他的理論至少有兩方面的貢獻(xiàn)：一是統(tǒng)計(jì)能量守恒和抽象原子的諧振子假設(shè)有助于現(xiàn)代量子力學(xué)的誕生。二是通過其自身的缺點(diǎn)揭示了光的波動(dòng)理論在光和物質(zhì)的相互作用中的局限性。

遺憾的是，由于C.G. 達(dá)爾文的本體論預(yù)設(shè)，他認(rèn)為一個(gè)正確的理論必須是可形象化的。想象不到的東西就不可能是真的。因此，在他看來，波動(dòng)力學(xué)比矩陣力學(xué)更好。［17-18］在現(xiàn)代量子力學(xué)出現(xiàn)以后，達(dá)爾文就漸漸淡出量子物理學(xué)前沿，將主要精力放在科學(xué)管理和科學(xué)傳播上面。

3 其他貢獻(xiàn)

3.1 科學(xué)管理促進(jìn)英國科學(xué)發(fā)展

1938 年，C.G. 達(dá)爾文被任命為英國國家物理實(shí)驗(yàn)室主任，之后于1949 年卸任。在擔(dān)任此職位的10 余年中，他充分展現(xiàn)了杰出的管理能力與敏銳的洞察力。上任第2 年，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，C.G. 達(dá)爾文重組英國國家物理實(shí)驗(yàn)室，把某些工作人員借調(diào)到其他政府部門，以便進(jìn)行大量具有軍事重要性的緊急短期工作。重組工作完成后的1941 年，英國選定并派遣他作為駐美國的英國中央科學(xué)辦公室的首位主任，C.G. 達(dá)爾文的職責(zé)是負(fù)責(zé)英美兩國技術(shù)和科學(xué)信息的交流。［20］在任職后期，C.G.達(dá)爾文敏銳地察覺到電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展?jié)摿Γ?945 年、1946 年他分別創(chuàng)立了國家實(shí)驗(yàn)室的數(shù)學(xué)部和電子學(xué)部兩個(gè)新部門。這兩個(gè)部門建立后，吸引了許多科學(xué)家，其中包括著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家艾倫·馬西森·圖靈（Alan Mathison Turing， 1912-1954）。這兩個(gè)部門通力合作，最終在20 世紀(jì)50 年代促成了英國第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（Pilot ACE）的誕生。在科學(xué)和工業(yè)研究部的重組中，C.G. 達(dá)爾文在1947 年和1948 年分別創(chuàng)建水力研究站（Hydraulics Research Station）和國家工程實(shí)驗(yàn)室（National Engineering Laboratory）的前身——機(jī)械工程研究實(shí)驗(yàn)室（Mechanical Engineering Research Laboratory）方面發(fā)揮了重要作用。

3.2 積極推廣量子理論

由于之前在統(tǒng)計(jì)力學(xué)方面的合作，C.G. 達(dá)爾文和福勒很早就接觸到量子論，并通過推廣量子論的相關(guān)文章、撰寫有關(guān)量子論的論文和著作等方法來傳播量子理論，促進(jìn)了量子力學(xué)的發(fā)展。

福勒將量子論介紹給他的學(xué)生狄拉克，狄拉克在1928 年發(fā)表了關(guān)于相對(duì)性電子的第一篇文章，而達(dá)爾文將狄拉克論文中的非對(duì)易代數(shù)（non-commutative algebra）改寫成當(dāng)時(shí)物理學(xué)界更容易接受的微分方程形式，這大大加快了狄拉克觀點(diǎn)的傳播與普及，從而為狄拉克助攻諾獎(jiǎng)。［3］75

1931 年C.G. 達(dá)爾文出席在哈佛大學(xué)的洛厄爾講座時(shí)，向美國學(xué)界介紹量子理論，其講座要點(diǎn)被寫進(jìn)《物質(zhì)之新觀念》（The new conceptions of matter）這本書中，于同年出版。書中采用了“新”量子理論的形式，深入探討了當(dāng)時(shí)的原子理論，并闡述了波粒二象性、測(cè)不準(zhǔn)原理和不相容原理以及這些原理的表現(xiàn)。這本書中也加入了C.G. 達(dá)爾文自己關(guān)于X 射線的一些研究成果。特別值得一提的是，《物質(zhì)之新觀念》這本書于1936 年由楊肇燫（1898-1974）翻譯成中文，交付商務(wù)印書館出版。達(dá)爾文在這本書的序言中闡明了他寫作這本書的目的，即表述他對(duì)物質(zhì)世界基本觀念的理解，以期消除當(dāng)時(shí)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的神秘主義解釋：

“在本書中，余之目的在盡其所能，試行敘明目下流行關(guān)于物理世界基本成分之觀念，以免受指摘為奉秘傳主義。近來有數(shù)本極佳之書出版，取題與吾書相同，但以余觀之，尚有未獲處處說明其題目者，殆由于欲現(xiàn)及之范圍太廣之故。此數(shù)書者，以示意于讀者在物理觀念中有何等非常之困難，而激起其驚奇，頗有類于擅幻術(shù)者其術(shù)似非吾人所能解釋。余今所自負(fù)之任務(wù)，窮謂立志較高，蓋余欲試行說明幻術(shù)如何搬演也。倘任何讀者，不中途費(fèi)書，而耐至終卷，以后遂不復(fù)語及科學(xué)之神秘，而竟稱道吾人所曲喻為自然之自然者，則余即自許為已有成功矣?！盵21]2-3

3.3 對(duì)人口問題的看法和對(duì)優(yōu)生學(xué)的支持

達(dá)爾文以遺傳學(xué)為中心，特別是以馬爾薩斯原理為中心進(jìn)行社會(huì)思考。對(duì)于當(dāng)時(shí)社會(huì)中的人口亂象（主要是人口數(shù)目暴增和富裕階層少生育、不生育現(xiàn)象），達(dá)爾文心生憂慮。

3.3.1 對(duì)人口暴增的悲觀態(tài)度

達(dá)爾文在1952 年出版《下一個(gè)百萬年》一書，書中他對(duì)人類可能的長期未來進(jìn)行了思考，并得出了更為悲觀的結(jié)論，即一般來說，人的自然增長通常會(huì)被饑餓所控制：

“現(xiàn)在看看這個(gè)世界的另一面，目前世界的糧食產(chǎn)量足以養(yǎng)活世界人口。這是一個(gè)事實(shí)，因?yàn)槿绻麤]有太多糧食，過剩的人口就會(huì)死亡……我已經(jīng)指出足夠的食物對(duì)于人類來說是一個(gè)基礎(chǔ)，這里還有一個(gè)重要的問題：人與人和民族之間為了食物而競(jìng)爭。競(jìng)爭將決定未來人口的構(gòu)成。”[22]

達(dá)爾文在書中還就個(gè)人素質(zhì)對(duì)民族生存有較大影響的觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑。在往后的較長的時(shí)間內(nèi)，無論如何，人口有限的國家的優(yōu)越設(shè)備和文化應(yīng)該足以保護(hù)他們免受更多對(duì)手的攻擊。在人口過剩的國家，雖然文明的許多特征依然可尋，但他們將主要是膚淺的，因?yàn)樯钐D難，人們無法深入去提升生產(chǎn)力以增加食物產(chǎn)量來供養(yǎng)眾多的人口。另一方面，在那些成功控制人口數(shù)量的國家，進(jìn)展將會(huì)繼續(xù)，新的發(fā)現(xiàn)將會(huì)出現(xiàn)，這不僅會(huì)改善這些國家的生活，也會(huì)改善整個(gè)世界的生活。

1959 年，在芝加哥大學(xué)的研討會(huì)上，達(dá)爾文受邀參加并提出了自己的觀點(diǎn)：到20 世紀(jì)末世界人口將從大約25 億增加到至少50 億（2000 年世界人口約61 億，達(dá)爾文的估計(jì)還是比較準(zhǔn)確的）。由于科技的發(fā)展，雖然事實(shí)上許多人仍然營養(yǎng)不良，但相當(dāng)多的人的飲食問題將得到解決。但是如果“馬爾薩斯螺旋”繼續(xù)下去，那“ 肯定會(huì)耗盡我們地球有限區(qū)域的資源”，并導(dǎo)致“人類熟悉的后果——饑荒、瘟疫和大屠殺的重現(xiàn)”［23］。與《下一個(gè)百萬年》中的觀點(diǎn)一脈相承，他的主要論點(diǎn)是：一般來說，人的自然增長通常會(huì)被饑餓所控制。他的觀點(diǎn)以其獨(dú)創(chuàng)性和明顯可見的真誠打動(dòng)了讀者，盡管他的結(jié)論是冷酷的。

3.3.2 積極參加優(yōu)生學(xué)會(huì)的活動(dòng)

優(yōu)生學(xué)會(huì)是達(dá)爾文家族參與最廣泛的機(jī)構(gòu)。在弗朗西斯·高爾頓創(chuàng)立優(yōu)生學(xué)之后，英國各地零星成立了許多優(yōu)生學(xué)的研究小組，其中以優(yōu)生教育協(xié)會(huì)最出名（Eugenics Education Society）。而在劍橋大學(xué)，C.G. 達(dá)爾文的五叔賀拉斯·達(dá)爾文和費(fèi)舍爾等在1911 年創(chuàng)立了該校的優(yōu)生學(xué)協(xié)會(huì)，費(fèi)舍爾成為創(chuàng)始主席。第二年，包括費(fèi)舍爾在內(nèi)的劍橋?qū)W會(huì)成員在倫敦主持了第一屆國際優(yōu)生學(xué)大會(huì)，與優(yōu)生教育協(xié)會(huì)取得了聯(lián)系。那時(shí)候C.G. 達(dá)爾文的四叔倫納德·達(dá)爾文擔(dān)任英國優(yōu)生教育學(xué)會(huì)主席（1911-1929），并在1924 年將其改名為優(yōu)生學(xué)會(huì)①Eugenics Society，為了方便區(qū)別，通常稱其為“英國優(yōu)生學(xué)會(huì)”，該協(xié)會(huì)在1989 年更名為“高爾頓研究所”（Galton Institute）。。可能是受到他家族（尤其是叔叔倫納德）的影響，達(dá)爾文在1939 年便參與過高爾頓優(yōu)生學(xué)講座，［24］晚年更是擔(dān)任優(yōu)生學(xué)會(huì)主席6 年之久，并在這里奉獻(xiàn)了他晚年的大量時(shí)間和精力，直至1959 年退休。

在優(yōu)生學(xué)會(huì)的交流中，達(dá)爾文認(rèn)為社會(huì)生育的危機(jī)在于高素質(zhì)人才的低生育率。優(yōu)生學(xué)會(huì)的一種觀點(diǎn)認(rèn)為，下一代的智力等素質(zhì)主要是通過遺傳，如果高素質(zhì)人才少生育，那下一代的素質(zhì)的平均水平將會(huì)下降。從國家的強(qiáng)盛和社會(huì)的發(fā)展來看，這種生育現(xiàn)象是沒有好處的。因此，達(dá)爾文認(rèn)為，如果想讓社會(huì)的平均智力水平不至于下降，只有一個(gè)方法是可能的，那就是鼓勵(lì)經(jīng)濟(jì)上比較成功的社會(huì)成員生育更多的孩子。而達(dá)爾文自己也身體力行，養(yǎng)育了5 個(gè)孩子，并且他的孩子幾乎都學(xué)有所成：塞西莉·達(dá)爾文（Cecily Darwin，1926-）成為一名X 射線晶體學(xué)家；喬治·彭伯·達(dá)爾文（George Pember Darwin，1928-2001）是一名電子工程師；亨利·高爾頓·達(dá)爾文（Henry Galton Darwin，1929-1992）是英國外交部的國際律師；弗朗西斯·威廉·達(dá)爾文（Francis William Darwin，1932-1999）是一名動(dòng)物學(xué)家；愛德華·倫納德·達(dá)爾文（Edward Leonard Darwin，1934-2020）是一名土木工程師。［3］83

4 結(jié)語

縱觀C.G. 達(dá)爾文一生，可以看出達(dá)爾文是一位物理學(xué)家，一位杰出的應(yīng)用數(shù)學(xué)家，更是一位卓有成效的科學(xué)管理者和科學(xué)傳播者以及憂國憂民的優(yōu)生學(xué)者。

C.G. 達(dá)爾文對(duì)物理學(xué)最持久、最重要的貢獻(xiàn)是他對(duì)X 射線衍射的早期研究。他在該領(lǐng)域剛開始發(fā)展的時(shí)候介入，并建立了一個(gè)關(guān)于那些復(fù)雜現(xiàn)象的理論，到現(xiàn)在這個(gè)理論仍然是相關(guān)研究的基礎(chǔ)。特別是晶體表面嵌鑲結(jié)構(gòu)的提出，為后面成熟的晶體位錯(cuò)理論提供了思想來源。位錯(cuò)理論是20 世紀(jì)一項(xiàng)重要的理論，許多人都曾研究過它，其中包括勞厄、布拉格和安德雷德（Edward Neville da Costa Andrade，1887-1971）等著名的晶體學(xué)家，也有留英的中國學(xué)者陸學(xué)善（在勞倫斯·布拉格指導(dǎo)下）、錢臨照（師從安德雷德）等。［25-26］這些留英學(xué)者學(xué)成回國，運(yùn)用學(xué)到的知識(shí)投身到祖國的建設(shè)中，為中國物理學(xué)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。

在統(tǒng)計(jì)力學(xué)方面，C.G. 達(dá)爾文與福勒合作，提出了以他們名字命名的達(dá)爾文-福勒方法，這為后續(xù)的研究提供了很好的工具。在量子物理學(xué)方面，C.G. 達(dá)爾文更多地起到推動(dòng)而不是建設(shè)的作用。無論是和玻爾的交流，還是對(duì)量子化光色散理論的嘗試，他主要是提供一些富有冒險(xiǎn)精神但卻不完全正確的觀點(diǎn)，這給與他交流的人以新的視角來考慮問題，促成了現(xiàn)代量子力學(xué)的誕生。雖然在這之后，由于本體論上的考慮，他偏離了主流的量子力學(xué)，但我們不能忘記他在舊量子論向現(xiàn)代量子力學(xué)的轉(zhuǎn)型時(shí)期做出的有益探索。

達(dá)爾文生平經(jīng)歷過兩次世界大戰(zhàn)，在“一戰(zhàn)”中作為軍官義無反顧地走上戰(zhàn)場(chǎng)，在“二戰(zhàn)”中則在科學(xué)管理方面為反法西斯貢獻(xiàn)自己的力量。他在“二戰(zhàn)”期間為協(xié)調(diào)英美之間的科技工作，來回奔走，身兼數(shù)職，并積極地為科學(xué)前沿提供新的人才。其典例是他為英國國家物理實(shí)驗(yàn)室建立新部門，并有洞見地組織科研人員投身到電子計(jì)算機(jī)的研究中。在即將退休之際，達(dá)爾文更是為組建英國國家工程實(shí)驗(yàn)室投入心力，以期為英國工程學(xué)研究提供好的組織機(jī)構(gòu)。

C.G. 達(dá)爾文一生都是熱心的科學(xué)傳播者。在與玻爾交流舊量子論后，他就積極地向劍橋乃至英國物理學(xué)界介紹量子理論；在現(xiàn)代量子力學(xué)還未成熟之前，他更是積極參與相關(guān)的學(xué)術(shù)活動(dòng)，并且撰寫了自己的一些想法；在狄拉克提出狄拉克方程之后，他以杰出的數(shù)學(xué)才能將達(dá)拉克方程的非對(duì)易代數(shù)翻譯成普遍接受的微分方程形式，為接受狄拉克理論掃除了障礙。除此之外，C.G. 達(dá)爾文還將物理學(xué)最新的知識(shí)帶到了美國，甚至他的著作也被及時(shí)翻譯引進(jìn)到中國，為科學(xué)傳播作出了貢獻(xiàn)。

受弗朗西斯·高爾頓還有他的四叔的影響，年歲漸長的C.G. 達(dá)爾文對(duì)人口問題的興趣漸濃，并積極參與優(yōu)生學(xué)會(huì)的活動(dòng)。面對(duì)世界人口問題過多和社會(huì)精英生育率低下的情況，C.G. 達(dá)爾文參與相關(guān)會(huì)議并著書闡明他自己的觀點(diǎn)，為面對(duì)社會(huì)人口危機(jī)過多提供他自己的解決方案。雖然優(yōu)生學(xué)會(huì)已經(jīng)逐漸淡出人們視野，但包括C.G. 達(dá)爾文在內(nèi)的優(yōu)生學(xué)會(huì)會(huì)員們?yōu)榻鉀Q人口問題做出的有益探索是不應(yīng)當(dāng)被遺忘的。

C.G. 達(dá)爾文是一個(gè)熱愛科學(xué)的人，更是一位熱心的科學(xué)傳播者。除了他的家庭以外，科學(xué)對(duì)他來說是至高無上的。他曾經(jīng)說過，站在科學(xué)知識(shí)浪潮的最前沿是一個(gè)人最幸福的命運(yùn)。［3］82積極追求前沿科學(xué)知識(shí)并熱心地將這些知識(shí)介紹給他人，這就是英國達(dá)爾文家族中另外一位科學(xué)家C.G. 達(dá)爾文留給我們最值得銘記的精神財(cái)富。