物理學(xué)經(jīng)典著作《晶格動(dòng)力學(xué)理論》評(píng)析

丁志強(qiáng)

摘 要：晶體原子最基本的運(yùn)動(dòng)方式之一就是圍繞平衡位置進(jìn)行微小振動(dòng)，晶格動(dòng)力學(xué)研究的主要內(nèi)容是固體熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)受晶格震動(dòng)、晶格原子震動(dòng)、晶體結(jié)構(gòu)的影響。黃昆和馬克思·玻恩合著的《晶格動(dòng)力學(xué)理論》以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)晶格動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了全面深入的論述。本文將對(duì)《晶格動(dòng)力學(xué)理論》一書(shū)的歷史進(jìn)行介紹，并在此基礎(chǔ)上闡述個(gè)人對(duì)于該書(shū)的感悟。

關(guān)鍵詞：晶格動(dòng)力學(xué) 理論 物理

《晶格動(dòng)力學(xué)理論》是20世紀(jì)物理學(xué)家黃昆和馬克思·玻恩合著的權(quán)威物理學(xué)著作，該著作對(duì)于晶格動(dòng)力學(xué)的發(fā)展具有重要意義，當(dāng)前這本著作仍是物理學(xué)研究的主要依據(jù)和參照。該書(shū)分為兩部分，這兩部分分別由黃昆和玻恩主寫(xiě)，其中黃昆寫(xiě)的是第一部分基礎(chǔ)理論，這一部分對(duì)于繼續(xù)學(xué)習(xí)和閱讀第二部分至關(guān)重要，也是吸引讀者進(jìn)行深入閱讀的部分。第二部分是普遍理論，這部分的內(nèi)容更加抽象，是建立在第一部分基礎(chǔ)之上的。這部著作的形式和內(nèi)容設(shè)置是由黃昆確定的，他在第一部分對(duì)該書(shū)內(nèi)容進(jìn)行了基礎(chǔ)性的闡述，使得更多人開(kāi)始接觸這一領(lǐng)域并且能夠更加容易地理解第二部分。在我國(guó)物理學(xué)研究中很多學(xué)者使用了這一權(quán)威著作，對(duì)我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

一、《晶格動(dòng)力學(xué)理論》概述

玻恩是量子力學(xué)和晶格動(dòng)力學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者，量子力學(xué)建立后，他便開(kāi)始嘗試對(duì)晶格動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行重新闡述，隨后便產(chǎn)生了《晶格動(dòng)力學(xué)理論》這一著作。第二次世界大戰(zhàn)開(kāi)始后，他又繼續(xù)寫(xiě)了幾個(gè)章節(jié)，但是之后由于各種原因?qū)憰?shū)一事就停了下來(lái)。直至1947年，黃昆將耗時(shí)一年半完成的論文在布列斯托大學(xué)發(fā)表，然后他又去拜訪了玻恩，二人對(duì)晶格動(dòng)力學(xué)都開(kāi)展了深入的研究，玻恩讓黃昆瀏覽晶格動(dòng)力學(xué)理論一書(shū)的手稿，之后二人便開(kāi)始合作寫(xiě)書(shū)。

該著作出版后就被用作固體物理學(xué)教學(xué)書(shū)使用，同時(shí)其他晶格動(dòng)力學(xué)專(zhuān)著的寫(xiě)作也常常借鑒其中的內(nèi)容。通過(guò)學(xué)習(xí)該著作，很多物理學(xué)家開(kāi)始走入晶格動(dòng)力學(xué)這個(gè)領(lǐng)域，晶格動(dòng)力學(xué)權(quán)威W.Cochran在他的著作中強(qiáng)調(diào)了《晶格動(dòng)力學(xué)理論》在該學(xué)科的地位仍是無(wú)法撼動(dòng)的。20世紀(jì)80年代這本書(shū)停止印刷了三年，但有學(xué)者呼吁再次出版。就這樣該著作又被再次出版，并且被收納到“牛津經(jīng)典物理著作叢書(shū)”中。出版社編輯說(shuō)，這本著作在出版之初是該領(lǐng)域的代表作，現(xiàn)在很多方面仍然引領(lǐng)著這個(gè)領(lǐng)域，幾十年后人們?nèi)栽谫?gòu)買(mǎi)和引用這本書(shū)。根據(jù)SCI上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，當(dāng)前這本書(shū)已經(jīng)被引用近萬(wàn)次，也就是說(shuō)每年都有幾百個(gè)人在引用這本著作，可見(jiàn)《晶格動(dòng)力學(xué)理論》對(duì)于該領(lǐng)域的影響程度之深、時(shí)間之久。

二、個(gè)人就《晶格動(dòng)力學(xué)理論》的感悟

20世紀(jì)末北京大學(xué)出版社印制了千冊(cè)《晶格動(dòng)力學(xué)理論》，這些書(shū)很快便售完。對(duì)于該書(shū)，筆者已經(jīng)拜讀多年，具體有以下幾點(diǎn)感受：

首先，《晶格動(dòng)力學(xué)理論》結(jié)合了黃昆和玻恩兩種完全不同風(fēng)格的研究。玻恩的研究通常遵循一般到特殊的規(guī)律，在這本著作中他打算將量子理論的最一般理論作為出發(fā)點(diǎn)，然后通過(guò)演繹的方法對(duì)晶體的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行推導(dǎo)。與玻恩抽象演繹風(fēng)格不同，黃昆與莫特的風(fēng)格更為接近，研究通常是以具體物理問(wèn)題為起點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建模型獲得具有物理意義的結(jié)果。黃昆認(rèn)為社會(huì)效益是科學(xué)研究的主要目的和價(jià)值，所以提議將“基礎(chǔ)理論”（比較容易理解的第一部分）部分寫(xiě)出來(lái)，從具體轉(zhuǎn)化為抽象，玻恩寫(xiě)普遍理論（第二部分）。對(duì)于在本書(shū)的量子力學(xué)推導(dǎo)前是否增加導(dǎo)論性的內(nèi)容，黃昆和玻恩存在不同的觀點(diǎn)，最后玻恩做出了妥協(xié)，而這也是黃昆參與寫(xiě)作的重要前提。所以，該書(shū)的撰寫(xiě)和形式很大程度上是黃昆確定的。該著作包括基礎(chǔ)理論和普遍理論兩部分，黃昆主寫(xiě)的基礎(chǔ)理論部分則由晶體彈性與穩(wěn)定性、晶格振動(dòng)、原子結(jié)合力三章構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)都囊括其中。而玻恩主寫(xiě)的普遍理論則由光學(xué)效應(yīng)、自由能、長(zhǎng)波方法、量子力學(xué)基礎(chǔ)四部分構(gòu)成，一般理論及由此導(dǎo)致的更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)實(shí)施也都有所設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在來(lái)看，兩者的互補(bǔ)作用明顯，該著作的影響力之所以這么大，雖然與物理學(xué)在后期的發(fā)展和繁榮不無(wú)關(guān)系，但是基礎(chǔ)理論部分在其中也發(fā)揮了巨大作用，相對(duì)于抽象理論，唯象理論更易于引起實(shí)驗(yàn)工作者的興趣。同時(shí)理論物理學(xué)家也從中受益良多，很多學(xué)者在完成第一部分的學(xué)習(xí)后，能更加清晰和透徹地學(xué)習(xí)第二部分，這樣就能夠更加有效地運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)中。

其次，《晶格動(dòng)力學(xué)理論》的很多內(nèi)容還未在其他文獻(xiàn)上發(fā)表，內(nèi)容具有不可替代性。玻恩在概述的序言中指出，本書(shū)并不是匯編已發(fā)表的結(jié)果，這本書(shū)不僅對(duì)玻恩學(xué)派已經(jīng)發(fā)表的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，還囊括了黃昆先生進(jìn)一步研究的創(chuàng)新成果，如對(duì)Bom-Oppen

heimer近似的闡述、晶格力常數(shù)、紅外譜線寬度量子理論、色散的唯像處理等。在ERA Report上發(fā)表了黃方程和繩子激化激元有關(guān)理論的詳細(xì)推導(dǎo)，這在一定程度上造成了《晶格動(dòng)力學(xué)理論》的長(zhǎng)壽。另外，晶體中紅外線吸收的精細(xì)結(jié)構(gòu)、晶體中的拉曼散射等本書(shū)中預(yù)言的化學(xué)現(xiàn)象，就在激光出現(xiàn)后被一一證實(shí)。由此可見(jiàn)，本書(shū)是學(xué)術(shù)專(zhuān)著，并不是總結(jié)已有結(jié)果。國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行偶記超晶格模型的研究，就是從《晶格動(dòng)力學(xué)理論》中埃瓦爾的方法和宏觀場(chǎng)的分離獲得靈感，分離短程快變部分和長(zhǎng)程緩變部分，這種方法在凝聚態(tài)物理理論中較為常用，也是黃昆重要的成就之一。

最后，《晶格動(dòng)力學(xué)理論》的另外一個(gè)特征就是不會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)。該著作中的理論計(jì)算非常繁復(fù)，在出版后的這段時(shí)期還沒(méi)有人指出其中存在的差錯(cuò)。對(duì)于這一點(diǎn)玻恩感到很欣慰，但這一點(diǎn)黃昆貢獻(xiàn)要更多。曾經(jīng)發(fā)生的一件事也許能夠說(shuō)明這一點(diǎn)，玻恩雖然具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底，并且曾經(jīng)有選擇數(shù)據(jù)職業(yè)的想法，但長(zhǎng)且復(fù)雜的計(jì)算確實(shí)是他的軟肋，一些初級(jí)、笨拙的錯(cuò)失經(jīng)常出現(xiàn)在他的工作中，而他身邊的同事、朋友也都了解這一點(diǎn)。曾經(jīng)他正在寫(xiě)一篇論文，主要內(nèi)容是關(guān)于電子和氫原子碰撞，然后他請(qǐng)求奧本海默對(duì)理論中的計(jì)算進(jìn)行檢查?？戳酥髪W本海默說(shuō)道：“這確定是你自己寫(xiě)的嗎，怎么會(huì)一點(diǎn)錯(cuò)誤都沒(méi)有找到？”對(duì)此玻恩很欣然地接受，因?yàn)樗朗澜缟衔ㄒ荒軌蜻@樣直率說(shuō)出的人就是奧本海默。實(shí)際中長(zhǎng)科學(xué)計(jì)算也不是黃昆的強(qiáng)項(xiàng)，但是他個(gè)人的性格嚴(yán)謹(jǐn)，總是反復(fù)推敲自己所研究問(wèn)題的每個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)常是否定過(guò)多次后才確定最終結(jié)論。黃昆說(shuō)他的想法有90%都是不正確的，所以他用更多的時(shí)間進(jìn)行推敲。同時(shí)他是反對(duì)在研究物理問(wèn)題時(shí)使用過(guò)于繁瑣的數(shù)學(xué)方法的，但他又非常仔細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計(jì)算，他的每一個(gè)成果都需要反復(fù)多遍的檢驗(yàn)，這也是其研究成果能夠經(jīng)受時(shí)間考驗(yàn)的重要原因。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在閱讀《晶格動(dòng)力學(xué)理論》時(shí)說(shuō)到，雖然閱讀英文版多遍，但是仍沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其中存在的任何錯(cuò)誤，反而在很多中文譯本中看到翻譯錯(cuò)誤和印刷錯(cuò)誤，所以也非常希望在以后的《晶格動(dòng)力學(xué)理論》中文版的出版中，出版社能夠提升翻譯和印刷水平，能夠?qū)ⅫS昆和玻恩先生的研究成果準(zhǔn)確地展現(xiàn)在國(guó)內(nèi)學(xué)者面前。另外《晶格動(dòng)力學(xué)理論》作為一本傳世之作，物理學(xué)后續(xù)發(fā)展的內(nèi)容不可能囊括進(jìn)去，但是人們能夠從經(jīng)典著作中獲得更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的啟示和影響，那些新近發(fā)表的綜述文章或新書(shū)是不可與之同日而語(yǔ)的。

學(xué)科的開(kāi)創(chuàng)和發(fā)展都是一代又一代科學(xué)家努力的成果，后來(lái)科學(xué)的發(fā)展都是建立在前人有益經(jīng)驗(yàn)和成果的基礎(chǔ)上的?！毒Ц駝?dòng)力學(xué)理論》是物理學(xué)者黃昆和玻恩的重要學(xué)術(shù)成果，一直引領(lǐng)著這一領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)于世界物理和中國(guó)物理都做出了重要的貢獻(xiàn)。我國(guó)學(xué)者應(yīng)當(dāng)科學(xué)看待《晶格動(dòng)力學(xué)理論》這一著作，在科學(xué)研究中借鑒其中的有益內(nèi)容、經(jīng)驗(yàn)、方法，但是該書(shū)不可能概括后續(xù)的物理學(xué)發(fā)展內(nèi)容。本文對(duì)該著作的寫(xiě)作進(jìn)行了介紹，并且闡述了個(gè)人對(duì)這一著作的感悟。文本還存在一定局限，希望行業(yè)人員能夠加強(qiáng)重視，正確認(rèn)識(shí)《晶格動(dòng)力學(xué)理論》在該領(lǐng)域的地位和作用，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)物理學(xué)的發(fā)展。

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