1963年2月11日
科学中的艰难跋涉者
——埃尔萨塞

1963年2月11日 在《理论生物学杂志》上刊出了一篇重要论文，题目是“有机体进化理论”。这篇论文使人们注意到了一位奇特的生物学家，他看待生物学的视角和研究方式与当时的一般生物学家不同，而这篇论文所提出的新观点和新方法为这门古老学科注入了一股新气象，也引出了生物学研究的一个新走向。此人就是德裔美国物理学家沃尔特·埃尔萨塞。

更令人惊讶的是，这件事并没有完。从1963年的这第一篇论文开始，在以后的20年间，埃尔萨塞又接连向《理论生物学杂志》发去了6篇重要论文：“完备的普遍性数学阐释”（1969年）、“生物不确定性模型”（1972年）、“生物学新理论的原理：一个综合”（1981年）、“分子生物学的另一面”（1982年）和“第二定律统计概念在生物学中的应用”（1983年）。这些论文以崭新的面貌出现在生物学领域，它们确定了生物学的理论发展方向，为理论生物学这一新学科的发展奠定了基础。

仔细阅读这些论文不难发现，数学和物理学的概念、规律及研究方法不时出现在相关生物学研究的字里行间，这在过去生物学领域是不多见的。有人猜测，这些论文一定是出于对数学、物理极为懂行的人之手。这个判断很正确，埃尔萨塞本来就不是一位生物学家。也可能正因为不是生物科班出身，才使他以其他领域的视角，站在一定的高度，关注到了生物学的“另一面”。他与同时代的奥地利生物学家路德维格·贝塔朗菲一起，几乎在同一时期都关注到了生物学的一个重要发展方向，这就是以系统论的视角和方法，把生物学的研究提高到一个新的制高点。

埃尔萨塞是一位很独特的科学家，其特殊性并不在于天赋，而是顽强而有韧性的“科研生命力”。他的科学生涯，数度走向巅峰，数度遭受坎坷，数度峰回路转，再迈入一个新的高峰。在巅峰的境界中，他曾两度与诺贝尔奖擦身而过，他没有纠结命运的不公，而是数度转身，寻找其他科学生路。遭遇坎坷之后，他走得更宽，攀得更高。在物理学、地球科学、气象学、生物学、物理化学等众多领域中，都留有他的足迹。最终，他成为科学史上一位罕见的打不倒也击不垮的硬汉， 图1 是埃尔萨塞晚年时期的照片。

1904年3月30日埃尔萨塞生于德国曼海姆。父母双方都来自经营棉麻制品的犹太名门望族，父亲获得法律学位后，成为当地的法官，并在曼海姆地方政府任职。埃尔萨塞自小喜欢数学，但他的高中老师建议他学自然科学，这也是祖父的愿望。就这样，他与同龄人——著名物理学家沃尔夫冈·泡利、沃尔纳·海森堡、保尔·狄拉克、奥本海默、钱德拉塞卡一样，成为涌入物理学界的“男孩子”之一，在物理学界，人们亲切地叫他“埃尔”。

1922年，埃尔进入海德堡大学，社会给他上的第一课就让他刻骨铭心。此前，他和家人一样，并没有很深的宗教信仰，也没有在意自己的犹太家族背景。然而，在这所大学里，他目睹了物理学家菲利普·勒纳德公开在大学操场进行的反犹讲演，勒纳德煽动极端民族情绪、鼓噪反犹热潮，这一情景唤起了埃尔的警觉，他预感到，进入这所大学，会与勒纳德在物理实验室相遇，不免会遭遇排挤与敌视。他毅然作出决定，立刻转学到了慕尼黑。就像命运安排好了那样，从那一时刻起，埃尔就开始了“不断转移”的一生，无论是地域上，还是专业上，都使他漂泊不定。

在慕尼黑大学，他成为韦尔海姆·维恩和阿诺尔德·索末菲的学生。然而不久，他再度感到了反犹的威胁，于是决定去往学术气氛更重、志趣相投者更多的哥廷根，这是一代“物理男孩”泡利、海森堡、奥本海默聚集的地方。

埃尔来到哥廷根时，正值物理学处于“黄金时代”的大发展时期，哥廷根成为量子理论的发源地和世界数学物理研究的中心，他被这里活跃的科学讨论气氛所感染，成为了实验物理学家詹姆斯·弗兰克的学生。不久，在学术期刊上一篇美国贝尔实验室戴维逊和昆斯曼的论文引起了他的注意。这篇论文刊载了一幅电子束在铂片上的衍射图。电子衍射现象使当时很多人，甚至包括实验者本人迷惑不解，但是埃尔却看出了些门道。在玻恩主持的原子结构定期讨论会上，他大胆地提出了自己的看法，认为这个现象足以表明电子不仅具有粒子性，也具有波动性，这幅图片正反映了电子波动性的一面。通过计算，他得到了与德布罗意波的设想非常一致的结果。他把这个结果发表在德国物理杂志上。这篇论文成为学术刊物上与德布罗意物质波理论相关的第一篇论文，这篇重磅论文本具有获得诺贝尔物理学奖的分量，遗憾的是，读到埃尔这篇文章的人，包括审稿人爱因斯坦及戴维逊本人，都对这个仅20岁出头年轻人的说法将信将疑。

无奈之下，埃尔想亲自做实验证实他的结论。他详细地提出了检验电子波的实验方案，把方案拿给导师弗兰克看，弗兰克又交给了玻恩。遗憾的是，当时精通理论物理的玻恩很忙，他要应对薛定谔和狄拉克相继发表的论文，从世界各地蜂拥到哥廷根的学生和访问者更使他杂事缠身。此外，他的“电子与氢原子碰撞”的课题长时间没有获解，无暇他顾的玻恩与学生日渐拉开了距离。埃尔的电子衍射实验方案被长时间搁置起来。此时倒霉的埃尔又听信了导师维恩的话，他的天才“只表现在理论上”，他的实验计划就这么夭折了。后来玻恩把埃尔的实验方案带到了英国，但为时已晚，验证实验已经由戴维逊、革末等人完成，他们因电子波的实验验证获得了1937年诺贝尔物理学奖，而更早提出电子波动性及验证方案的埃尔，就这么错过了获奖机会。

1927年，23岁的埃尔与奥本海默同时从哥廷根获得了博士学位，奥本海默拿到了美国的6个邀请，埃尔却连一个工作机会也没得到，他只能到高中去教科学课。正在沮丧的时候，他接到了一封亲笔邀请信。这封信长达6页，是荷兰物理学家埃伦菲斯特写来的，邀请他去莱顿做他的研究助手。拿到这封信，埃尔一时不知所措，不知道对方为什么会选择他。尽管在物理专业会议上他们见过面，却从来没有单独相处过。最后他判断，可能这是出自奥本海默的建议，因为奥本海默与埃伦菲斯特在哥廷根相处过一段时间，而且在莱顿当过他的助手，于是埃尔决定接受这个邀请。

1927年的9月，埃尔登上了去往莱顿的火车。兴冲冲地埃尔到达莱顿不久，就再度遭遇不幸。埃伦菲斯特和埃尔都是比较敏感的人，似乎天然就不能很好地相处。来到莱顿的3周以后，他们由亲密到疏远，最后终于爆发了冲突。依照埃尔的回忆，在10月初的一天，埃伦菲斯特来到埃尔的办公室，发现他用了香水，“我不能容忍在这里使用香水！”埃伦菲斯特大声地喊道，“滚出去，滚回家，滚出去，滚出去，滚出去！”埃尔惊呆了，他不明白为什么香水让人如此反感。过后，他冷静地回到办公室，就像什么事也没发生那样。然而埃伦菲斯特却很当回事，第二天，埃尔被告知，工资已经被结算好了，要他立刻离开。这是他毕业后的第一份工作，面对德国逐渐增长的反犹情绪，他的前途更加渺茫了，他的信心遭受到极大的打击。

沮丧的埃尔回到了柏林的父母家。不管受到多么大的刺激，他还是为参加索尔维大会做了准备。这年的10月底，埃尔如期来到了布鲁塞尔。在这次会上，泡利建议他不妨继续攻读博士后，于是他来到泡利所在的苏黎世。一年后，得到博士后职位的埃尔成为柏林技术学院弗里茨·郝夫曼的助手。1930年夏，埃尔又以技术专家的身份，接受了乌克兰哈尔科夫新物理化学技术研究所的邀请前往乌克兰。尽管在那里他只停留了6个月，因为身体不好返回柏林，但对这段赴苏的经历，他一直怀有深厚的感情。

1931年夏天，埃尔来到法兰克福成为欧文·麦德龙的助手。由于工作的需要，他从物理化学转到了心理学，在系统地阅读了卡尔·荣格的著作之后，他对精神分析学产生了兴趣。工作的稳定、对心理学的兴趣，促使埃尔想在法兰克福定居下来。然而，好景不长，1933年国社党上台，席卷全德的反犹风暴开始，在朋友朗德尔的强烈敦促下，他在1934年4月离开了德国来到苏黎世。泡利为他做好了准备，安排他到法国的约里奥·居里实验室工作。按照泡利对埃尔的认识，法国这个重视人文的地方，才是最适合埃尔的久留之处。

扎实的物理基础，尤其对科学发展动态的天然洞察力，使来到巴黎不久的埃尔就把注意力集中到了核结构上。当时物理界一般的想法是，原子核是由核子组成，而这些核子都是成粒地均匀镶嵌在原子核里的。但是埃尔却认为，与原子的电子壳层结构相似，核子也是以壳层结构形式存在的。他以泡利不相容原理为基础，提出了一个核壳层的理论模型，并从稳定同位素数值的模式中找到了证据。埃尔提出的本是一个极具前途的开创性理论，不幸的是，埃尔身居的环境不是数学家和理论物理学家集聚的哥廷根，也不是有泡利和戴维所在的苏黎世，对于擅长实验的约里奥和他身边的法国实验物理学家和化学家们来说，埃尔的理论过于复杂了，一堆数学符号加上冗长的推导，使人感到枯燥难懂而被约里奥搁置到了一边，埃尔的论文又“触到了浅滩上”被搁置了下来，没能及时送出去发表。不久，核壳层结构理论由玛利亚·葛培特·梅耶尔和汉斯·詹森发展起来，最终他们获得了诺贝尔物理学奖，埃尔再次与诺奖擦身而过。

1935年，埃尔来到了美国。这一时期，美国的理论物理学远远落后于欧洲，埃尔一时找不到适合的领域。当时，罗伯特·密立根正在招兵买马，他认为现代气象学属于综合学科并大有发展前途，想把它发展为加州理工学院的支柱学科。恰好埃尔也有这样的推测，他认为，量子理论正如雨后春笋般在世界各地涌起，而现代气象学正是这一理论在复杂系统方面大展拳脚之处，如果把量子力学与气象学结合起来，所发展起来的现代气象学一定能成为有发展前途的热点，也将是一个最富有成果的领域。

埃尔毫不犹豫地接受了密立根的邀请。在加州理工学院，他非常有眼光地选择了“红外辐射下的大气热过程研究”。这个课题正是现代气象学的核心，也是一般气象学家因对理论物理不熟悉难以触摸到的地方。很快地，埃尔就有了丰富的成果，不到两年，就在这个领域有了名气。在正常情况下，就埃尔的学术水平，他本应能在这一方向上顺理成章地发展起来。然而世事难以料想，埃尔却意外地“躺枪”。埃尔在现代气象学的开拓性成果受到了当局的注意，1941年，美国气象局企图说服加州理工把埃尔放到系主任的位置上，这一举措的本意是想使通晓数学和理论物理，并有深厚研究功底的埃尔施展更大的才能，成为加州理工学院在这一学科上的领军人，然而其效果却适得其反。

原来，从正式的行政系统上说，加州理工的气象学研究隶属于流体动力学家西奥多·冯·卡门管辖。来自国家气象局的这个授意，令卡门认为是“外界对他的干预”，他对埃尔既不了解，也没有前嫌，但在一气之下，他把埃尔解雇了。无辜的埃尔只得来到了哈佛蓝山观象台做短暂的停留。即使是个短暂的安置，“科学生命力强大”的埃尔仍在此间发表了一篇关于红外辐射气象研究的重要论文，随后他作为“平民专家”，参加了陆军通信兵团，在蒙默斯堡研究“不受气象情况干扰的雷达电子仪器”。战时的这项研究是个热门，埃尔准备把未来的专业方向转移到“气象雷达”之上。正在他准备大展拳脚之时，战争结束了，这项研究被紧缩，蒙默斯气象局解散，归并到了普林斯顿和宾夕法尼亚大学观象台，埃尔再度面临重新选择。

“二战”后，埃尔来到了犹他大学，他看中这里的一个研究领域。其实，从20世纪30年代开始，他就在关注着这个领域，这就是地磁学。他认为这一领域适合自己，因为它涉及自30年代以来他所耕耘的所有领域——量子力学、磁学、光谱学、核物理和气象学。

1945年，通过考察地球磁场的历史变迁，参考以前研究大气环流的经验，埃尔建立了一整套地磁起源的“自激式电机”原理。这个原理认为，地球内部充满离子化的金属熔液，他引入科里奥利力建立的磁流体动力学方程，从理论上解释了地磁的起源。他认为，最初这些流体只是在微弱磁场中运动从而产生感应电流，而感应电流产生的再生磁场又使原来的磁场得到增强，一方面是正反馈下的磁场增强，一方面是在摩擦生热下，削弱电流而减弱磁场，两种作用达到动态平衡后，最终使磁场稳定下来，形成现今的地磁场。利用这一原理，不仅可以解释天体磁场的演化，也开创了地球矿物岩石磁定位的研究。

20世纪50年代中期，犹他州的年轻物理学家尤金·纽曼·帕克和英国物理学家爱德华·布拉德等人在埃尔地磁电机模型的基础上，用数学方法证明了地磁场的“自续性”，埃尔地磁场的电机原理终于被广泛接受。埃尔的地磁学原理成为等离子体电动力学研究的核心元素，以埃尔的理论为先导，瑞典物理学家汉尼斯·阿尔文获得了1970年诺贝尔物理学奖。

在犹他州时期，埃尔还关注到了另一个领域，这就是系统生物学。由于物理学方面的坚实基础，使埃尔得以从另一高度看待生物学，也使他发现生物学与物理学的不同。量子理论所研究的微观个体，例如电子彼此都是相同的，但生物学研究的客体却相反，例如蛋白质可以有多如天文数字般的各种不同形态或变化方式。正因这种差异的存在，以“同一性”或“均等性”进行生物学研究往往会遭遇困难。他把这一特征叫做“广义的互补性原理”，这个说法正是来自于哥本哈根的尼尔斯·玻尔。

为了把生物学的研究提高到一个新的水平，埃尔指出，关键的问题是遵从整体性原则，即从系统论的角度建立一个合理的模型，找出普遍性的规律，从中研究系统的共同属性。他的这个思路对系统生物学的研究产生了重要的影响，他所发表的一系列论文也成为那一时期的经典。

1957年，埃尔被选为美国国家科学院的院士，美国地球物理学会颁发给埃尔这一领域的最高荣誉——威廉·博威奖（William Bowie Medal）。1971年，由于对地磁学的贡献，埃尔获得约翰·亚当·弗莱明奖。1977年和1979年，埃尔分别获得美国地理学会的高斯奖和彭罗斯奖。1987年，由于利用量子理论在大气辐射传播和气象学方面的成果，以及在行星磁性和地球板块理论方面的贡献，埃尔获得了美国科学最高奖——国家科学奖。在科学之路上艰难跛行一生的埃尔萨塞，辗转到除了数学之外的几乎所有科学领域，最后终于修成正果。

关键词： 沃尔特·埃尔萨塞，Walter Elsasser

图1： https://en.wikipedia.org/wiki/Walter_M._Elsasser rv0KR1daETuFhGKkokIJ7lWRkXMlDpXCigZ0bsW8mVVTutfnzsuM+XvJ0CTaZrbM