康夫納：從建筑師到物理學(xué)家及其人文含義

黃尚永

(中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所 北京 100190；中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049；北京建筑大學(xué)理學(xué)院 北京 102612)

科學(xué)和人文是人類生活中不可缺少的兩個(gè)維度，一般來說科學(xué)意味著理性和嚴(yán)謹(jǐn)，而人文則更多地聯(lián)系到感性和自由.雖然科學(xué)和人文有著各自鮮明的特點(diǎn)，但在不少科學(xué)家身上都得到了相輔相成的體現(xiàn)，也有不少在這方面展開分析和討論的文章.如張開遜認(rèn)為，科學(xué)家的人文情懷體現(xiàn)在3個(gè)方面，即治學(xué)、參與公共事務(wù)、哲人氣質(zhì)[1].莫武興則系統(tǒng)回顧了科學(xué)精神和人文精神的歷史關(guān)系，詳細(xì)分析了科學(xué)精神和人文精神的融合，并把愛因斯坦作為融合了科學(xué)精神和人文精神的典范[2].

物理學(xué)家康夫納(Rudolph Kompfner,1909.5.16-1977.12.3)，并不為人熟知，也沒有獲得過諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).但他早期曾經(jīng)做過建筑師，后來成為物理學(xué)家，發(fā)明了行波管，并在通信領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)，這樣的經(jīng)歷也是獨(dú)一無二的.本文將在介紹康夫納主要生平和貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，討論他身上所體現(xiàn)出來的科學(xué)精神和人文含義.

1 康夫納的早年歲月和建筑師生涯

康夫納1909年出生在奧地利維也納的一個(gè)猶太人家庭，他的父親是一位會計(jì)兼作曲家，曾為維也納郊區(qū)的一個(gè)樂隊(duì)伴奏，所以康夫納也有一些音樂方面的天賦和才能.他求學(xué)期間喜歡讀物理方面的書，尤其受物理學(xué)家阿拉貢(Arago)的作品影響較深.但他的家庭更希望把他培養(yǎng)成一個(gè)建筑師，因?yàn)樗木司耸且粋€(gè)建筑師.康夫納于1933年獲得維也納高等工學(xué)院(Technische Hochschule in Vienna)建筑學(xué)的學(xué)位.這個(gè)時(shí)候正處于二戰(zhàn)前夕，猶太人在維也納的處境比較艱難，康夫納借助英國的親戚關(guān)系于1934年來到了英國，并在親戚的建筑公司里工作，直到1941年[3].

康夫納從事建筑師工作的這幾年，參與了倫敦一些建筑物的設(shè)計(jì)和制造，他對建筑有著深刻的體驗(yàn)和理解.他曾高度贊嘆維也納議會大廈的雄偉壯觀，也曾點(diǎn)評威尼斯圣馬可大街上相鄰的兩座建筑，認(rèn)為一座是奇跡，一座是垃圾.多年后康夫納進(jìn)入貝爾實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，也用上了他建筑方面的技能，參與設(shè)計(jì)和創(chuàng)建了貝爾實(shí)驗(yàn)室位于克勞福德(Crawford)山上的辦公樓.關(guān)于康夫納的建筑師生涯，曾經(jīng)有過一段有意思的對話，有人問康夫納:“先生，聽說您是一位奧地利的建筑師?”康夫納表示認(rèn)同，對方問：“希特勒也是一位奧地利的建筑師，告訴我，你和希特勒誰的作品更好？”康夫納的回答是“我的作品都還健在”.

雖然康夫納完全能勝任建筑師的工作，但他依然在心底保留著對物理學(xué)的熱愛.他經(jīng)常趁晚上等空閑時(shí)間去圖書館閱讀物理圖書和期刊，并記下自己感興趣的內(nèi)容和想法.早在1935年開始，他就陸續(xù)記錄過電視機(jī)顯像管，微波管等方面的內(nèi)容，并相繼發(fā)表了一些論文，申請了一些專利.1941年9月，由于他在物理學(xué)方面的才能，被推薦到伯明翰大學(xué)物理系從事研究工作，主要研究高功率磁控管，這是雷達(dá)的核心器件，對他來說正中下懷.從此康夫納就告別了建筑師的生涯，專職轉(zhuǎn)向物理學(xué)的研究.

2 康夫納的科學(xué)貢獻(xiàn)

2.1 發(fā)明行波管

康夫納一生最突出的成就是發(fā)明了行波管.他在晚年自己撰寫的文章里，回顧了行波管的發(fā)明歷程.他提到，“沒有比閱讀發(fā)明和發(fā)現(xiàn)的文章更能吸引我了，尤其是發(fā)明人自己撰寫的文章，這也是我寫這篇文章的原因.”[4]

康夫納剛到伯明翰大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的任務(wù)，是要為雷達(dá)接收器制造更靈敏的速調(diào)管放大器.經(jīng)過一年左右的研究和實(shí)驗(yàn)，康夫納發(fā)現(xiàn)速調(diào)管存在一個(gè)致命的缺陷，那就是諧振腔間隙中的射頻場和電子束間耦合太弱.為得到有效增益，需要利用低速電子束，但電子束在諧振腔間隙場中耗費(fèi)太長時(shí)間，也就丟掉了原來積累的能量.康夫納就想到能否讓射頻場隨電子束運(yùn)動(dòng)，以使電子一直在加速.他和其他研究人員進(jìn)行了討論，提到了螺旋形結(jié)構(gòu)的線圈設(shè)計(jì)，有相關(guān)專家明確表示不可行.

康夫納自己繞了一個(gè)螺旋形結(jié)構(gòu)的線圈，用來傳送微波.他驚喜地發(fā)現(xiàn)，波的傳輸并沒被阻止，但速度慢下來了.他又花了很多時(shí)間具體計(jì)算這種結(jié)構(gòu)中電子束橫向和軸向的電場，這些電場會使電子束產(chǎn)生偏離和翻轉(zhuǎn).他計(jì)算了這些偏離和翻轉(zhuǎn)對波傳輸?shù)挠绊?，通過計(jì)算有了超乎意料的發(fā)現(xiàn)，他最初只是設(shè)想和電子相同速度行進(jìn)的電磁波中的電場會對電子有強(qiáng)作用，后來他還發(fā)現(xiàn)隨著電子電流增加，管子中形成微波振蕩，不僅電磁波使得電子聚成束，聚集的電子束也反過來加強(qiáng)了電磁波.康夫納對此現(xiàn)象進(jìn)行了反復(fù)分析，詳細(xì)計(jì)算了電場和電子如何相互影響.計(jì)算證實(shí)，這種相互作用會使輸出端的能量相對輸入端極大增加，螺旋結(jié)構(gòu)的線圈是可以實(shí)現(xiàn)電子束和行波相互作用的合適介質(zhì)，線圈和電子束共同構(gòu)成了能在相當(dāng)寬的頻段內(nèi)提供超高增益的放大器.

1943年秋，在進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，康夫納制造出了實(shí)用的行波管，也就是靠連續(xù)調(diào)制電子束的速度來實(shí)現(xiàn)放大功能的微波電子管.雖然后來行波管的理論和實(shí)驗(yàn)還在不斷發(fā)展，但康夫納是無可爭議的行波管的發(fā)明者.貝爾實(shí)驗(yàn)室的皮爾斯也從事這方面的研究，他到英國考察時(shí)了解到康夫納的工作，形容自己是“震驚”的.

2.2 在貝爾實(shí)驗(yàn)室的工作

1944年，貝爾實(shí)驗(yàn)室安排皮爾斯到英國出差調(diào)研，他參觀了英國20多所工業(yè)實(shí)驗(yàn)室，結(jié)識了康夫納.后來通過皮爾斯的聯(lián)系和推薦，康夫納于1951年來到貝爾實(shí)驗(yàn)室工作，之后1955年擔(dān)任電子研究部主管，1957年擔(dān)任電子和無線電研究主管，1962年擔(dān)任通信科學(xué)部的副執(zhí)行董事.在貝爾實(shí)驗(yàn)室期間，皮爾斯和康夫納是長時(shí)間并肩作戰(zhàn)的伙伴，兩人共同組織和參與了衛(wèi)星通信、光通信等項(xiàng)目.

2.2.1 衛(wèi)星通信

20世紀(jì)五六十年代，大西洋兩岸對通信的容量需求不斷增長.如果鋪設(shè)海底電纜，傳輸?shù)碾娫捫盘柹偾一ㄙM(fèi)巨大，而衛(wèi)星通信相對于海底電纜能提供更多的信道.皮爾斯較早提出可以通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)通信，不過前期投資也會比較大，并沒有得到貝爾實(shí)驗(yàn)室高層的支持,他的主要支持者正是康夫納，康夫納在上到政府部門、貝爾實(shí)驗(yàn)室高層的協(xié)調(diào)、經(jīng)費(fèi)的申請，下到技術(shù)細(xì)節(jié)具體的運(yùn)行和實(shí)施方面都發(fā)揮了重要作用.

我們可以通過康夫納的一篇文章了解到衛(wèi)星通信的研究背景和實(shí)施過程[5].1958年是初步的可行性研究，貝爾實(shí)驗(yàn)室對衛(wèi)星可能涉及的多個(gè)系統(tǒng)都開展了研究，以便對接下來的活動(dòng)進(jìn)行綱領(lǐng)性的指導(dǎo).1959年是項(xiàng)目研究和開發(fā)的開始，來自貝爾實(shí)驗(yàn)室多個(gè)不同部門的人員組成特別的團(tuán)隊(duì)，啟動(dòng)了數(shù)個(gè)直接和后期的衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)相關(guān)的研究項(xiàng)目.1960年開始進(jìn)行初步的衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多個(gè)要素積累經(jīng)驗(yàn).首個(gè)項(xiàng)目稱為“回聲”(Echo)一號，于1960年成功發(fā)射. 1962年,搭載更加先進(jìn)的有源衛(wèi)星項(xiàng)目“泰事達(dá)”(Telstar)的火箭升空，衛(wèi)星和火箭分離后進(jìn)入軌道，并圍繞地球運(yùn)行.

2.2.2 光通信

1960年梅曼發(fā)明世界上第一臺激光器，康夫納就意識到光波將會在通信中發(fā)揮重大作用. 他隨即在貝爾實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了涉及眾多人員的復(fù)雜的研究項(xiàng)目，包括埋在地下管道中的系列棱鏡，以及配套的平面鏡，根據(jù)不同溫度下氣體折射率不同而營造的氣體棱鏡等，這些實(shí)驗(yàn)在世界范圍內(nèi)都是領(lǐng)先的.

1965年,康夫納在《科學(xué)》(Science)期刊上發(fā)表文章，題目是《光通信：對多種技術(shù)的評價(jià)和達(dá)成實(shí)用系統(tǒng)前需要做的工作》[6].他認(rèn)為，電信發(fā)展的歷史就是要追求越來越大的帶寬，越來越高的頻率.激光由于頻率極高，如果能應(yīng)用于通信，其可以攜帶的信息容量將不可估量.

1966年，“光纖通信之父”高錕發(fā)表論文，提出如果將光纖損耗降低到合適程度，就可以用作通信的傳輸介質(zhì)，這是世界范圍內(nèi)首篇提出光纖通信的論文[7].康夫納也很快注意到了高錕的論文，隨即督促貝爾實(shí)驗(yàn)室材料部門的人員開始研究此類高純度纖維. 1972年，康夫納又寫了一篇綜述性文章《貝爾實(shí)驗(yàn)室的光通信》[8],他回顧了光通信的早期歷史，提到了激光的發(fā)明、光束在諧振腔中的模式、共焦鏡等概念，討論了光的量子特性、大氣中的光傳輸、連續(xù)波導(dǎo)、介電波導(dǎo)中的損耗、傳輸系統(tǒng)、相干和非相干光源、調(diào)制器、放大器、集成光學(xué)等幾乎涵蓋光通信各個(gè)方面的內(nèi)容.結(jié)論是光通信系統(tǒng)中的各個(gè)元件，從激光光源到不同的傳輸介質(zhì)，再到調(diào)制器和放大器等，都取得了很大進(jìn)步，從工程的角度看，很有信心能將光通信系統(tǒng)做到實(shí)用化.

所以，雖然光通信涉及的項(xiàng)目和人員眾多，但是康夫納功不可沒，他很早就認(rèn)識到了光通信的巨大潛力，并進(jìn)行了較大投入.他以自己敏銳的眼光和較強(qiáng)的執(zhí)行力推動(dòng)了光通信在貝爾實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展.

1973年康夫納從貝爾實(shí)驗(yàn)室退休，之后還在斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理系以及牛津大學(xué)工程科學(xué)系擔(dān)任教授職務(wù)，于1977年12月去世，時(shí)年68歲[9].

3 從康夫納看科學(xué)和人文精神的結(jié)合

作為一名科學(xué)家，康夫納一生中最重要的貢獻(xiàn)就是行波管的發(fā)明，他基于行波管研究的書籍、論文和專利眾多，到貝爾實(shí)驗(yàn)室后在通信方面的工作也是成績卓著.他是美國國家科學(xué)院院士，一生獲得過包括美國國家科學(xué)獎(jiǎng)在內(nèi)的很多獎(jiǎng)項(xiàng)，也是多個(gè)大學(xué)的榮譽(yù)博士和多個(gè)協(xié)會的榮譽(yù)會員.

康夫納性格熱情而達(dá)觀，很容易和陌生人熟悉起來.他愛好廣泛，除了建筑方面的成就外，也喜歡音樂，喜歡游泳和滑雪等運(yùn)動(dòng)，他和妻子就是在倫敦的一個(gè)游泳俱樂部認(rèn)識的. 他生性幽默，當(dāng)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了視頻電話后，他辦公室也安裝了一部，他把自己的一張照片放在電話前，這樣接視頻電話時(shí)他就不用一直對著電話了.

康夫納很早就喜愛物理學(xué)，但由于家人的影響選擇了建筑，并做了幾年的建筑師，雖然他建筑師也做得很好，但在更強(qiáng)烈的興趣驅(qū)動(dòng)下又轉(zhuǎn)回了物理學(xué)研究.建筑和物理雖然看似相差較遠(yuǎn)，但實(shí)際上也有著密切的聯(lián)系.一座合格的建筑，必然要充分考慮受力、傳聲、導(dǎo)熱、布電、采光等幾乎涉及到物理學(xué)各個(gè)方面的因素.康夫納的物理學(xué)知識必然也在建筑實(shí)踐中有著用武之地，而建筑方面的經(jīng)歷又對他科學(xué)素質(zhì)的塑造和科學(xué)研究的進(jìn)展影響深遠(yuǎn).從事建筑學(xué),一是要強(qiáng)調(diào)打好基礎(chǔ)，基礎(chǔ)扎實(shí)才能萬丈高樓平地起；二是要考慮全面，要從各個(gè)角度各個(gè)層次做好分析和布局，在科學(xué)研究中也是類似的道理.康夫納能在建筑學(xué)和物理學(xué)間游刃有余，各有成就，在于他個(gè)人的能力和追求，也說明科學(xué)和人文不是對立的，而是可以相輔相成，完美地體現(xiàn)到同一個(gè)人身上.

德布羅意也是一位結(jié)合了科學(xué)和人文精神的偉大科學(xué)家，而且他的學(xué)科背景跨度更大.德布羅意出身于法國的一個(gè)貴族世家，于1909年在巴黎大學(xué)獲得歷史學(xué)學(xué)位.但兩方面的因素使他轉(zhuǎn)向了物理學(xué)研究，一是他閱讀了當(dāng)時(shí)著名物理學(xué)家和科學(xué)思想家龐加萊的著作，對自然科學(xué)有了新的認(rèn)識；二是1911年首屆物理學(xué)家的頂級會議索爾維會議在布魯塞爾召開，他的哥哥是會議的工作人員，德布羅意得到了會議的全部文件，這些關(guān)于輻射和量子論的研究引起了他的極大興趣.后來他于1913年獲得科學(xué)碩士學(xué)位,并順應(yīng)了當(dāng)時(shí)科學(xué)發(fā)展的潮流,為波粒二象性的解釋和波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)建做出了貢獻(xiàn),成為一名偉大的物理學(xué)家[10].

4 結(jié)論

康夫納從建筑師轉(zhuǎn)向物理學(xué)家，源于他自身對物理學(xué)的喜愛和對科學(xué)美的追求.雖然由于家庭背景等因素從事了幾年建筑師的工作，但對物理學(xué)孜孜不倦的追求使他最終實(shí)現(xiàn)了自己的初心，做出了卓越的貢獻(xiàn).建筑師的經(jīng)歷和建筑美的塑造并不是反面的，他只是更喜歡物理學(xué).建筑師的生涯使得他的經(jīng)歷更豐富，底蘊(yùn)更深厚，愛好更廣泛，對他物理學(xué)上的成就也有促進(jìn)作用.科學(xué)精神和人文素養(yǎng)可以很好地在同一個(gè)人身上得到體現(xiàn).