超流發(fā)現(xiàn)的歷史回溯

朱燕南 張志輝

摘 ?要 ? 1978年，蘇聯(lián)物理學(xué)家卡皮查因其在低溫物理學(xué)的重要貢獻(xiàn)而與美國兩位發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的科學(xué)家共享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其中，卡皮查的獲獎(jiǎng)理由是表彰他對(duì)“低溫物理領(lǐng)域的基本發(fā)明和發(fā)現(xiàn)”。然而，近年來科學(xué)界出現(xiàn)了一種爭(zhēng)議，認(rèn)為卡皮查應(yīng)該與另外兩位加拿大籍科學(xué)家艾倫和米森納共享諾貝爾獎(jiǎng)，因?yàn)楹髢晌慌c卡皮查同時(shí)發(fā)現(xiàn)了超流。從科學(xué)史的角度剖析卡皮查、艾倫和米森納發(fā)現(xiàn)超流的主要論文和工作，并對(duì)卡皮查是否應(yīng)該與艾倫等人分享諾貝爾獎(jiǎng)進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞 ? 卡皮查 ?艾倫 ?米森納 ? 超流 ? 諾貝爾獎(jiǎng) ? 優(yōu)先權(quán)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?N09：O4-09

中圖分類號(hào) ? ?A

20世紀(jì)30年代，實(shí)驗(yàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液態(tài)氦-4的溫度降低到2.17K時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出一系列與普通液體截然不同的性質(zhì)，具體表現(xiàn)為可流暢地通過毛細(xì)管，這種完全沒有阻尼的現(xiàn)象被稱作超流（Superfluid）。這是繼荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯①在1908年實(shí)現(xiàn)氦的液化之后，低溫物理學(xué)的又一大重要進(jìn)展。超流可以被認(rèn)為是“量子”液體，是一種肉眼可見的宏觀量子現(xiàn)象。自液氦超流被發(fā)現(xiàn)后，它逐漸成為了科學(xué)家對(duì)量子多體體系集體行為的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)平臺(tái)，催生出多項(xiàng)重要成果，至今仍是量子物理重要的研究領(lǐng)域。

盡管超流的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是20世紀(jì)物理界具有標(biāo)志性的事件之一，這項(xiàng)具有開創(chuàng)性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)卻遲遲沒有得到諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的肯定，直到40年后才被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1978年，蘇聯(lián)物理學(xué)家彼得·列昂尼多維奇·卡皮查①與美國的阿爾諾·彭齊亞斯（Arno A. Penzias，1933—）、羅伯特·威爾遜（Robert W.Wilson，1936—）共享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其中，卡皮查的獲獎(jiǎng)理由是表彰他對(duì)“低溫物理領(lǐng)域的基本發(fā)明和發(fā)現(xiàn)”，其他兩位科學(xué)家則因?yàn)椤鞍l(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射”而獲獎(jiǎng)。然而，近年來科學(xué)界出現(xiàn)了一種聲音，加拿大多倫多大學(xué)的物理學(xué)教授阿蘭·格里芬（Allan Griffin，1939—2011）認(rèn)為，卡皮查應(yīng)該與另外兩位加拿大籍科學(xué)家杰克·艾倫②、唐·米森納③共享諾貝爾獎(jiǎng)這一榮譽(yù)[1， 2]。目前學(xué)術(shù)界不乏有關(guān)卡皮查和超流歷史的研究文章，但是對(duì)于這一爭(zhēng)論尚未見有深入的討論。本文從科學(xué)史的角度，剖析他們發(fā)現(xiàn)超流的主要論文和相關(guān)工作，分析雙方關(guān)于超流研究及其優(yōu)先權(quán)問題，并對(duì)卡皮查是否應(yīng)該與艾倫等人共享1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)進(jìn)行討論。

一 ? ?《自然》同期發(fā)表的兩篇文章

1938年1月8日，著名科學(xué)雜志《自然》（Nature）的第74、75頁同時(shí)登載了兩篇關(guān)于超流的文章，一篇的作者是莫斯科物理問題研究所的卡皮查，標(biāo)題是“λ點(diǎn)以下液氦的粘性”[3]，投稿時(shí)間為1937年12月3日; 另一篇作者是英國劍橋皇家蒙德實(shí)驗(yàn)室的艾倫和研究生米森納，篇名為“液氦Ⅱ的流動(dòng)”[4]，投稿時(shí)間為1937年12月22日（圖1）。

對(duì)比這兩篇文章，會(huì)觀察到一個(gè)有趣的現(xiàn)象，即與現(xiàn)在動(dòng)輒有幾十篇參考文獻(xiàn)的論文相比，這兩篇文章的參考文獻(xiàn)屈指可數(shù)?？ㄆげ榈恼撐囊昧巳墨I(xiàn)，艾倫的論文引用了兩篇文獻(xiàn)。巧合的是，卡皮查的三篇參考文獻(xiàn)中包含了艾倫引用的兩篇參考文獻(xiàn)。

再對(duì)這三篇參考文獻(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步考察，發(fā)現(xiàn)艾倫的論文引用的兩篇參考文獻(xiàn)，分別是多倫多大學(xué)物理系主任埃里·波頓（Eli Franklin Burton，1879—1948）于1935年在《自然》發(fā)表的只有半頁的短文[5]和1937年艾倫本人及合作者在《自然》發(fā)表的論文[6]?？ㄆげ楸劝瑐惗嘁囊黄獏⒖嘉墨I(xiàn)，其實(shí)是1935年波頓短文介紹的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。波頓在其短文的末尾注明：“這個(gè)工作是由威爾海姆，米森納和克拉克完成的?！盵5]米森納后來成為了艾倫的博士生，他也是艾倫1938年1月發(fā)表的那篇論文的作者之一。有趣的是，艾倫和米森納1938年的文章沒有引用那篇由米森納作為署名作者之一的實(shí)驗(yàn)文章，反而是卡皮查同時(shí)引用了波頓的文章和米森納的文章。由此，我們才得以注意到這個(gè)細(xì)節(jié)，并挖掘出一段幾乎被湮沒的歷史。

正因?yàn)榭ㄆげ樵?938年1月發(fā)表的文章中引用了艾倫在1937年發(fā)表的論文，這就成為格里芬提出爭(zhēng)議的主要證據(jù)。他在提出艾倫和米森納應(yīng)與卡皮查分享諾貝爾獎(jiǎng)榮譽(yù)的文章中認(rèn)為：“如果沒有艾倫和米森納的早期工作，我懷疑卡皮查就不會(huì)對(duì)測(cè)量液氦粘度產(chǎn)生興趣，更不用說因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)了?！盵1]那么，事實(shí)果真如此？為了還原歷史原貌，筆者認(rèn)為有必要對(duì)卡皮查、艾倫和米森納他們?nèi)豢茖W(xué)家的主要工作經(jīng)歷和他們發(fā)現(xiàn)超流的過程進(jìn)行較為系統(tǒng)的考察。

二 ? 卡皮查的主要工作經(jīng)歷

關(guān)于卡皮查（圖2）的生平和主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，學(xué)術(shù)界已不乏介紹，比如他在劍橋時(shí)的博士生大衛(wèi)·休恩伯格（David Shoenberg，1911—2004）和他蘇聯(lián)的助手帕維爾·葉夫根尼維奇·魯賓（Pavel E. Rubinin，1925—2006）等人撰寫的書和文章[7， 8]，不僅詳細(xì)記錄了卡皮查一生豐富的經(jīng)歷和工作，還收錄了卡皮查與家人、同事和朋友們的書信等。國內(nèi)也有不少關(guān)于卡皮查的研究文獻(xiàn)，其中代表性文章有清華大學(xué)劉兵教授的“奇特的經(jīng)歷與特殊的成就——蘇聯(lián)物理學(xué)家卡皮查”[9]和旅美學(xué)者華新民先生的“蘇維埃的海歸——卡皮查和他的‘克林姆林宮書簡(jiǎn)”[10]等。筆者參考相關(guān)文獻(xiàn)，簡(jiǎn)述卡皮查的工作經(jīng)歷，并重點(diǎn)介紹他在液氦領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作。

卡皮查出生于學(xué)術(shù)世家，他的外祖父是一位杰出的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家和物理學(xué)家，父親是有軍銜的軍事工程師，母親是文學(xué)家?？ㄆげ樵谏倌陼r(shí)期就表現(xiàn)出具有出眾的數(shù)學(xué)才能，1918年畢業(yè)于圣彼得堡工學(xué)院后留校任教。1921年5月，27歲的卡皮查來到英國劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室采購儀器。那時(shí)，蘇聯(lián)政府在阿布拉姆·約飛（A. F. Joffe，1880—1960）推動(dòng)下，建立了“蘇聯(lián)科學(xué)院恢復(fù)與其他國家聯(lián)系委員會(huì)”[9]，供科學(xué)界從西方購買科研設(shè)備。約飛等人非常欣賞卡皮查，因此他得到了去英國的機(jī)會(huì)。卡皮查跟隨約飛前往劍橋大學(xué)拜訪了著名物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937），盧瑟福熱情地接待了他。但當(dāng)卡皮查試探的詢問是否可以在他這里學(xué)習(xí)時(shí)，盧瑟福的態(tài)度立即變得冷淡起來，他拒絕了卡皮查，說實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)滿員了?？ㄆげ楸痪芙^后，問了盧瑟福一個(gè)毫不相干的問題，就是問他做實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠接受多小的誤差。雖然有些詫異，盧瑟福還是回答卡皮查，能接受大概3%的誤差。卡皮查說，您的實(shí)驗(yàn)室有30個(gè)學(xué)生，加上我一個(gè)對(duì)您的實(shí)驗(yàn)室毫無影響。因?yàn)槲疫@3%的誤差是您可以接受的結(jié)果。盧瑟福被卡皮查的機(jī)智和勇敢所折服，于是收下了他[11]。

縱觀卡皮查的一生，評(píng)價(jià)他為全能的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家毫不為過。他擅長(zhǎng)設(shè)計(jì)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，盧瑟福交給他的幾個(gè)工作他都出色的完成，并且在第一年就發(fā)表了論文。很快他便成為盧瑟福的重要助手，并于1923年夏天破例獲得了劍橋大學(xué)的博士學(xué)位。1925年，他被聘為劍橋大學(xué)三一學(xué)院的研究員; 1929年，他作為1914年之后唯一的外國人被選入皇家學(xué)會(huì)，幾個(gè)月后被選為蘇聯(lián)科學(xué)院的通訊院士，成為歐洲學(xué)術(shù)界冉冉升起的新星。

從1921—1930年近十年的時(shí)間里，卡皮查的學(xué)術(shù)地位得到了極大的提升，而這只是他輝煌的開始。1930年，他向盧瑟福提出了一個(gè)想法，希望建立一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)室來繼續(xù)他的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和低溫實(shí)驗(yàn)。盧瑟福欣然同意，并幫助他申請(qǐng)到了皇家學(xué)會(huì)蒙德基金（Royal Society Mond Fund）15，000英鎊的支持。由此著名的蒙德實(shí)驗(yàn)室（Mond Laboratory）于1931年建成，卡皮查擔(dān)任首任實(shí)驗(yàn)室主任。1932年，他開始設(shè)計(jì)一種新的氦液化器，在1934年獲得成功。1934年4月19日，在卡皮查給母親的信件中，他激動(dòng)地寫道：“今天我的新型液化器終于成功的生產(chǎn)出了液氦。我已經(jīng)整整研究了十三個(gè)月零十四天了。這是低溫物理學(xué)界的一個(gè)重要的進(jìn)展。利用這個(gè)方法，我們可以獲得至少十倍于常規(guī)液化器制造出的液氦，而且速度更快。重要的是，我們不再需要使用液氫作為冷卻劑，而是直接用液體空氣。這使得整個(gè)過程更加安全和簡(jiǎn)單?！盵7]其實(shí)，液化器并非卡皮查獨(dú)創(chuàng)，在昂尼斯于1908年制造出液氦以后，全世界的低溫實(shí)驗(yàn)室都是使用昂尼斯的液氦制作方式。但是，這種方式效率較低，制造液氦的費(fèi)用昂貴?？ㄆげ閷?duì)液化器進(jìn)行了改進(jìn)，他基于氣體膨脹而不是使用液態(tài)氫作為中間步驟，研發(fā)了一種新型液化器。卡皮查改進(jìn)液化器是一項(xiàng)獨(dú)具開創(chuàng)性的技術(shù)突破，這種改進(jìn)不僅為劍橋大學(xué)接下來的15年間提供了液氦，他的設(shè)計(jì)思路還被氦液化器的工業(yè)化所借鑒。氦液化器的工業(yè)化使得建造低溫物理實(shí)驗(yàn)室的門檻不再那么高不可及，低溫物理由此獲得了迅速的發(fā)展。如果說昂尼斯是低溫物理的開山鼻祖，卡皮查則是將低溫物理發(fā)揚(yáng)光大的一代宗師。

然而，正當(dāng)卡皮查在低溫物理研究道路上闊步向前時(shí)，一件突發(fā)事件打斷了他的腳步。1934年卡皮查回蘇聯(lián)度假時(shí)被蘇維埃政府扣留下來，他被告知不能再回英國了。走投無路的他甚至拜訪了巴甫洛夫，想要改行[7]。另一方面，盧瑟福等同事和朋友們也在通過各種渠道，希望能幫助他回到劍橋，還為卡皮查申請(qǐng)了劍橋大學(xué)一年的假期。然而，蘇維埃政府早已下定決心，為卡皮查建造了物理問題研究所，讓他擔(dān)任所長(zhǎng)?？ㄆげ橐庾R(shí)到自己無法離開蘇維埃之后，也逐漸接受了這樣的現(xiàn)實(shí)。他通過保羅·狄拉克（Paul Dirac，1902—1984）等人向盧瑟福求助，希望盧瑟福能幫助他購置實(shí)驗(yàn)室需要的設(shè)備。盧瑟?？犊卮饝?yīng)了他的要求，條件是要遠(yuǎn)程維持蒙德實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行。劍橋大學(xué)還給了卡皮查在劍橋的兩個(gè)主要助手一年的假期，允許他們?nèi)ヌK聯(lián)幫助卡皮查搭建實(shí)驗(yàn)室。

1936年，物理問題研究所竣工并投入使用，卡皮查開始迅速搭建實(shí)驗(yàn)室。在研究所的最初20年里，卡皮查研究的重心主要集中在低溫物理學(xué)領(lǐng)域。課題之一是低溫下液態(tài)氦的輸運(yùn)性質(zhì)，由于他在劍橋時(shí)期發(fā)明的新式氦液化器，他的研究所得以大量生產(chǎn)液氦，為他們?cè)敿?xì)研究液氦的流動(dòng)性質(zhì)提供了良好的條件。1938年1月，他在《自然》雜志上發(fā)表的短文宣稱發(fā)現(xiàn)了超流[10]。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)及接下來的一系列實(shí)驗(yàn)為蘇聯(lián)贏得了兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)： ?一是卡皮查進(jìn)行的液氦低溫超流的研究，另一個(gè)是1962年列夫·朗道①解釋了卡皮查的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了量子液體的理論[12]。1941年，卡皮查實(shí)驗(yàn)室在低溫物理方面的工作被衛(wèi)國戰(zhàn)爭(zhēng)打斷，他轉(zhuǎn)向理論和實(shí)用化研究。通過利用膨脹渦輪法，卡皮查開始大規(guī)模生產(chǎn)工業(yè)用氧氣。1946—1953年間， ?他因?yàn)榈米锪水?dāng)時(shí)蘇維埃政府的第二號(hào)人物拉夫連季·貝利亞，被剝奪了一切職務(wù)。卡皮查居住在郊區(qū)的度假屋里，在那里建造了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行球形閃電等方面的研究，還做了一些理論性的研究[8]。然而，他人生中的后30余年沒有再觸及超流這個(gè)領(lǐng)域。

三 ? 艾倫和米森納的主要工作經(jīng)歷

與卡皮查的情況不同的是，目前中國學(xué)術(shù)界尚未見有任何關(guān)于艾倫和米森納（圖3）情況的介紹。筆者搜索到艾倫撰寫的幾篇關(guān)于發(fā)現(xiàn)超流的文章[4， 6， 13， 14] ，以及他制作的一個(gè)關(guān)于液氦超流的科學(xué)視頻。另外，在2001年艾倫去世時(shí)，《自然》刊發(fā)了一段關(guān)于他的生平簡(jiǎn)歷[15]。

艾倫1908年出生于加拿大溫尼伯，有良好的家庭背景，學(xué)習(xí)成績(jī)十分優(yōu)異。艾倫早年畢業(yè)于加拿大曼尼托巴大學(xué)，獲得學(xué)士學(xué)位，其父是該校的物理系主任。1929年艾倫到多倫多大學(xué)學(xué)習(xí)，開始了低溫物理的研究工作，1933年獲得博士學(xué)位。之后他在約翰·麥克林南（John McLennan，1867—1935）的實(shí)驗(yàn)室做過兩年博士后。麥克林南的低溫實(shí)驗(yàn)室是世界第二個(gè)可以使用液氦進(jìn)行低溫物理研究的實(shí)驗(yàn)室，他們使用的氦液化器和昂尼斯1908年發(fā)明的是同類型的。麥克林南是盧瑟福的好友，這也許是艾倫之后來到劍橋工作的原因之一。如前文所述，卡皮查被留在蘇聯(lián)之后，導(dǎo)致蒙德實(shí)驗(yàn)室的低溫研究的工作陷于停頓，蒙德實(shí)驗(yàn)室由約翰·科克羅夫特（John D. Cockcroft，1897—1967）負(fù)責(zé)維持運(yùn)轉(zhuǎn)。為了能讓低溫物理的研究工作繼續(xù)開展，1935年9月盧瑟福邀請(qǐng)艾倫來到了蒙德實(shí)驗(yàn)室工作。在邀請(qǐng)艾倫時(shí)，盧瑟福開始沒有給他薪酬，但答應(yīng)在艾倫用工作證明自己能夠勝任后，才把卡皮查的一半薪資付給他。那時(shí)實(shí)驗(yàn)室還抱持著卡皮查終究會(huì)歸來的希望。艾倫利用卡皮查留下的液化器等設(shè)備，開展了液氦的低溫研究工作。

1935年，多倫多大學(xué)的一位研究生米森納對(duì)液氦的粘度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。他于1937年來到劍橋的蒙德實(shí)驗(yàn)室，師從艾倫攻讀博士學(xué)位，兩人著手研究毛細(xì)管中的流動(dòng)現(xiàn)象。1937年下半年，他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液氦可以流過非常小的毛細(xì)管，在溫度低于2.17K時(shí)，粘度基本上為零。在獲知卡皮查已向《自然》投稿，他們也把文章投給《自然》，兩篇文章得以在1938年1月8日同期發(fā)表。

除發(fā)現(xiàn)超流的工作之外，艾倫在低溫物理領(lǐng)域還做了許多重要的工作。1937年，他引入了O形密封圈作為真空系統(tǒng)的密封件。1947年，他發(fā)明了銦墊圈用于制造低溫密封件。艾倫還用攝像機(jī)拍攝了他的實(shí)驗(yàn)，包括1938年他發(fā)現(xiàn)的超流氦噴泉現(xiàn)象。他拍攝了關(guān)于液氦-4所展現(xiàn)的兩種流體現(xiàn)象的電影，是早期使用影像來記錄實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家之一。

1947年，艾倫離開劍橋前往蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)擔(dān)任教授。1949年，他被選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1966—1969年，他擔(dān)任國際純物理與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)超低溫委員會(huì)主席、英國皇家學(xué)會(huì)物理委員會(huì)成員。1978年退休后，他在英國繼續(xù)生活了23年，于2001年去世。

米森納在發(fā)現(xiàn)超流時(shí)是艾倫的一名博士生。通過現(xiàn)有資料，只能了解到他1911年生于加拿大，1935年從多倫多大學(xué)畢業(yè)，1937年加入了艾倫在劍橋的實(shí)驗(yàn)室，后來他回到了加拿大西安大略大學(xué)（現(xiàn)韋仕敦大學(xué)）任教，1996年去世。

四 ? 超流發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)分析

1938年1月《自然》同期發(fā)表的兩篇文章中，卡皮查的文章定性的給出了在相變溫度點(diǎn)以下，液氦Ⅱ的粘度比液氦Ⅰ下降了至少1500倍的結(jié)論。艾倫則在文章中定量的測(cè)量了在溫度分別為1.07K和2.17K時(shí)，液氦在兩個(gè)毛細(xì)管中的流速與壓強(qiáng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)液氦在低溫下的流速是高溫下的10倍。但本質(zhì)上，這兩篇論文都是研究了液氦Ⅱ在壓強(qiáng)差下流過狹窄通道時(shí)的粘性，最終結(jié)論是氦Ⅱ流過通道時(shí)的粘度幾乎為零。

卡皮查在實(shí)驗(yàn)中使用的是接觸在一起的兩塊拋光的光學(xué)平板玻璃，通過光學(xué)衍射測(cè)量出它們之間大概有0.5微米的縫隙。艾倫則是使用了一根500微米的毛細(xì)管以及半長(zhǎng)軸為20微米、半短軸為10微米的橢圓形的毛細(xì)管。在此之前，大家都認(rèn)為相變點(diǎn)以下的液氦Ⅱ只是粘滯系數(shù)比較小的液體，沒有人想到過會(huì)出現(xiàn)阻尼為零的情況。兩篇文章都給出了相變點(diǎn)以下的液氦Ⅱ的粘度上限。然而，兩篇論文最大的區(qū)別在于，艾倫和米森納只給出了這么小的粘度卻在當(dāng)時(shí)沒有任何理論可以解釋的結(jié)論，而卡皮查敏銳的察覺到，這種粘度極小的性質(zhì)與超導(dǎo)的電阻趨近于零的性質(zhì)在本質(zhì)上可能是一樣的，于是他在論文中首次大膽的提出了類似超導(dǎo)的“超流”概念：“根據(jù)目前可測(cè)量到的極小粘度，我們也許可以推論，就像超導(dǎo)那樣，λ點(diǎn)以下的液氦進(jìn)入了一種全新的物態(tài)，我們可以稱之為超流。”[3]這是非常重要的結(jié)論或猜想。在科學(xué)界普遍認(rèn)可的做法是，科學(xué)家對(duì)某個(gè)新概念、新現(xiàn)象的命名基本代表了宣稱所有權(quán)，這也成為諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)評(píng)選的重要參考依據(jù)。所以，卡皮查正式提出“超流”概念是非常明智而且有前瞻性的，也可以體現(xiàn)出一位偉大的物理學(xué)家的超凡直覺。

格里芬提出爭(zhēng)議的主要證據(jù)是卡皮查引用了艾倫和米森納等人發(fā)表于1935和1937年的文章，并在提出超流概念的短文中評(píng)論了米森納等人的工作，他猜測(cè)卡皮查是受到艾倫等人的啟發(fā)才有興趣研究液氦的超流問題。那么，我們?cè)賮砜纯ㄆげ楹桶瑐惗家玫?937年的這篇文章。該文的標(biāo)題是“液氦中的熱傳導(dǎo)”[6]。艾倫領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的液體不同的是，液氦Ⅱ的熱傳導(dǎo)與溫度梯度并不成正比，而是反比。而且當(dāng)溫度梯度接近于零時(shí)，熱傳導(dǎo)趨于無窮大。而對(duì)于給定的溫度梯度，熱傳導(dǎo)系數(shù)從相變溫度時(shí)候的接近于零，在2K左右達(dá)到極限值，然后隨著溫度進(jìn)一步降低開始減小。艾倫在《低溫物理工程進(jìn)展》這本書中撰寫了題為“1936—1939，劍橋的早期超流研究”的一章，其中提到，他們認(rèn)為這個(gè)現(xiàn)象非常奇怪[14]，然后就寫了這樣一篇文章投給《自然》并得以發(fā)表。這表明艾倫團(tuán)隊(duì)對(duì)于超流的研究還是比較系統(tǒng)性的，但是這篇文章在業(yè)內(nèi)并沒有引起太多的關(guān)注?？ㄆげ樵谝眠@篇論文時(shí)提到，他發(fā)現(xiàn)的超流中反常的阻尼為零現(xiàn)象，可能可以解釋艾倫等人1937年發(fā)表的論文中提到的這個(gè)奇怪現(xiàn)象。由此可以判斷，卡皮查的工作是與艾倫的工作是幾乎同時(shí)且各自獨(dú)立進(jìn)行的。

值得一提的是，在艾倫和米森納1938年發(fā)表的文章中，兩次提到“我們得到了卡皮查論文中同樣的結(jié)論”。顯然，在論文發(fā)表之前，他們已經(jīng)讀過卡皮查的論文，或者知道了卡皮查的結(jié)論。實(shí)際上，在同一本雜志上同時(shí)發(fā)表兩組科學(xué)家關(guān)于同一個(gè)成果的文章較為罕見。艾倫在發(fā)表前就讀過卡皮查的論文，這看來有點(diǎn)不可思議。關(guān)于艾倫如何能讀到卡皮查的論文，值得進(jìn)行深入梳理?？ㄆげ樵诮o《自然》編輯寫的信里寫道：“這是一個(gè)很重要的工作，我希望你能盡快發(fā)表。請(qǐng)不要再把文章寄回到莫斯科給我清樣，因?yàn)檫@需要太長(zhǎng)的時(shí)間。如果需要，請(qǐng)將它寄給狄拉克、科克羅夫特或韋伯斯特……，我的好朋友們都可以迅速的完成此工作?！盵7]那時(shí)的通訊都是通過郵遞信函，如果編輯讓作者核對(duì)清樣，從倫敦發(fā)函至莫斯科往返肯定需要一些時(shí)間。所以，卡皮查向編輯提供幾位在英國的好友幫忙完成清樣，是完全可以理解的。那么，艾倫是否在發(fā)表前看到或知道卡皮查的論文結(jié)論？后來他在其它兩篇文章中的說法略有不同。1988年他在《物理世界》發(fā)表的一篇科普文章中提到：“正在我們寫（1938年那篇）論文的時(shí)候，《自然》編輯把（卡皮查的）論文寄給了科克羅夫特（艾倫當(dāng)時(shí)所在的蒙德實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人）清樣，科克羅夫特就把我們的論文也發(fā)給了《自然》編輯，希望（和卡皮查的文章）一起發(fā)表?！盵13]而在1989年的低溫物理工程大會(huì)發(fā)言中（1990年出版）他又說：“卡皮查要求《自然》編輯把他的論文寄給了我們，請(qǐng)我們清樣?！盵14]在科克羅夫特1937年12月18日給卡皮查的信件中也提到：“昨天，我們的實(shí)驗(yàn)剛剛完成……韋伯斯特讓我替他給你的文章清樣，因?yàn)樗シ▏?，我們的論文這周末也會(huì)投稿到《自然》?！盵7]

由此可以確定，艾倫在卡皮查的論文發(fā)表前了解到該文的清樣，這也就清楚的說明了卡皮查的論文先于艾倫團(tuán)隊(duì)的論文投稿到《自然》，同時(shí)可以判定，艾倫的論文是因?yàn)榭瓶肆_夫特向《自然》編輯提的要求，才得以與卡皮查的論文一同發(fā)表。到此，我們可以列出整件事情的大概時(shí)間脈絡(luò)：

1937年2月22日，卡皮查在莫斯科重建的實(shí)驗(yàn)室新制冷劑開始生產(chǎn)液氦-4[7];

1937年6月，玻爾訪問卡皮查時(shí)，卡皮查告訴他，他準(zhǔn)備研究溫度在λ點(diǎn)之下的液氦的阻尼;

1937年6月22日，艾倫向《自然》投稿“液氦中的熱傳導(dǎo)”一文，并于7月10日發(fā)表;

1937年11月11日，艾倫和米森納在實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)本中記載了他們首次發(fā)現(xiàn)超流;

1937年12月3日，卡皮查投稿給《自然》;

1937年12月18日，科克羅夫特寫信給卡皮查說他們的實(shí)驗(yàn)17號(hào)剛剛完成;

1937年12月22日，艾倫投稿給《自然》;

1938年1月8日，兩人的論文同時(shí)發(fā)表。

雖然無從得知卡皮查究竟是何時(shí)通過實(shí)驗(yàn)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)超流，但是在科學(xué)界有一個(gè)慣例，就是由論文的投稿時(shí)間作為確定某個(gè)工作的完成時(shí)間。可以確認(rèn)的是，雖然卡皮查與艾倫團(tuán)隊(duì)都是獨(dú)立完成超流的工作[16]，但是卡皮查的投稿時(shí)間比艾倫早，又是第一個(gè)明確提出“超流”概念的人。

目前，低溫物理學(xué)術(shù)界都認(rèn)可卡皮查與艾倫小組分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)超流。在1978年諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上，拉梅克·霍爾滕①的頒獎(jiǎng)詞中也提到了，在卡皮查發(fā)現(xiàn)超流的同時(shí)，艾倫和米森納也同時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了超流，可見諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)是清楚這一事件的。但他們還是選擇將諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了卡皮查?？ㄆげ楂@得諾貝爾獎(jiǎng)的完整理由是：“當(dāng)物質(zhì)被冷卻到非常低的溫度時(shí)，它們的性質(zhì)就會(huì)改變。液氦的優(yōu)勢(shì)在于它既可以被冷卻，也可以冷卻其他的物質(zhì)。1934年，彼得·卡皮查發(fā)明了一種大量產(chǎn)生液氦的方法，它促進(jìn)了許多低溫相關(guān)研究。此外，彼得·卡皮查還在1937年發(fā)現(xiàn)，在非常低的溫度下，液氦可以毫無阻力的流動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為超流。”②這段話清楚的說明了卡皮查獲得諾貝爾獎(jiǎng)的理由是由于他發(fā)明了新式液化器和發(fā)現(xiàn)超流這兩項(xiàng)工作。

五 ?結(jié)語

作為一位偉大的物理學(xué)家，卡皮查獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)是當(dāng)之無愧的，但是過程卻十分漫長(zhǎng)。在1937年之后的40年里，卡皮查一直被提名諾貝爾獎(jiǎng)。在諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)上可以查到，卡皮查自1938—1966年間共被提名了34次諾貝爾獎(jiǎng)，提名者不乏尼爾斯·玻爾、朗道、狄拉克等著名科學(xué)家，而艾倫一次也沒有被提名。1978年，卡皮查終于獲得了諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的肯定，以84歲高齡獲得諾貝爾獎(jiǎng)，此時(shí)距離他1937年發(fā)現(xiàn)超流已經(jīng)過去了40年。在領(lǐng)獎(jiǎng)致辭中，他對(duì)發(fā)現(xiàn)超流這件事情只是一帶而過，卻著重提到了他在蘇聯(lián)做的熱核聚變等離子體物理學(xué)方面的工作。有人說這是他對(duì)自己遲來的諾貝爾獎(jiǎng)的抗議，也有人說卡皮查不想提到艾倫和米森納。不過，由于卡皮查比艾倫大14歲，兩人處于同一領(lǐng)域，艾倫后來又接管了卡皮查在劍橋的實(shí)驗(yàn)儀器，卡皮查或許一直將艾倫視為在他劍橋的實(shí)驗(yàn)室里工作的后輩，而非競(jìng)爭(zhēng)者。筆者尚未查到卡皮查公開場(chǎng)合下聲明不愿與艾倫等人共享諾貝爾獎(jiǎng)的資料，所以本文無法對(duì)這一疑問做出解釋。

關(guān)于卡皮查是否應(yīng)該與艾倫和米森納共享諾貝爾獎(jiǎng)，筆者認(rèn)為，與卡皮查對(duì)低溫物理學(xué)做出的整體貢獻(xiàn)相比，艾倫的工作有亮點(diǎn)，但不夠豐富。根據(jù)諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的頒獎(jiǎng)理由，卡皮查改進(jìn)液化器和發(fā)現(xiàn)超流是兩個(gè)并列的重要工作。艾倫在卡皮查被困于蘇聯(lián)之后，來到劍橋大學(xué)蒙德實(shí)驗(yàn)室，他發(fā)現(xiàn)超流的工作是利用卡皮查搭建好的實(shí)驗(yàn)儀器上取得的。因此可知，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)把1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給卡皮查以表彰他在低溫物理學(xué)上杰出貢獻(xiàn)是毋庸置疑的。

實(shí)際上，在許多研究超流和低溫物理的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中，都提到了艾倫小組與卡皮查獨(dú)立發(fā)現(xiàn)超流的工作?？赡芤?yàn)槲传@諾貝爾獎(jiǎng)的緣故，艾倫和米森納并不像卡皮查一樣為人們所熟知。艾倫是一位優(yōu)秀的科學(xué)家，他或許沒有像卡皮查那樣跌宕起伏的一生，但他和卡皮查都為低溫物理做出了卓越的貢獻(xiàn)，他們分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)超流的事跡將永載史冊(cè)。

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Abstract： In 1978， Kapitza from Soviet Union shared Nobel prize in Physics with another two American scientists who discovered cosmic microwave background radiation. The award-winning reason of Kapitza was “for his basic inventions and discoveries in the area of low-temperature physics”. However， in recent years， there has been a controversy in the science community that Kapitza should share his Prize with two other Canadian scientists， Allen and Misener， because they found superfluid at the same time as Kapitza. From the perspective of the history of science， this article analyzes the major papers and work on discovering superfluid of them and answers whether Kapitza should share the Nobel Prize with Allen and Misener.

Keywords： Kapitza， Allen， Misener， superfluid， Nobel Prize， priority