理论研究与科学实践结合的典范
——记彭桓武院士

吴岳良

彭桓武先生是我国著名理论物理学家，也是我国第一位在国外获得教授席位回国的理论物理学家。1935 年他由周培源教授引入理论物理研究的大门，1938 年师从著名物理学家玻恩（Max Born），1940 年获哲学博士学位，之后几年他在理论物理最前沿研究领域做出了一系列开创性的工作。1941—1943 年，彭桓武开展了对宇宙线介子物理理论的研究。他与海特勒（W. Heitler）合作分析了介子散射中辐射阻尼的重要影响，首先注意到把量子场相互作用中出现的无穷大丢掉后得到的有限部分可很好地描述量子场的相互作用和物理过程，并证明在丢掉无穷大后得到的场方程中关于场与粒子的相互作用完全包含了由能量守恒得到的相互作用部分，发现这些新的场方程可同时用一组积分方程来求解而不再遇到任何基本问题。这组新的场方程可自洽地应用到介子的散射过程。彭桓武与海特勒发展的这个量子跃迁理论，可进一步用来处理由核碰撞产生介子的过程。为检验他与海特勒发展的处理相互作用的量子场的方法和量子跃迁理论，彭桓武和合作者将其应用到宇宙线粒子物理的研究中，发展了宇宙线介子理论。他首次成功地解释了宇宙线的能量分布和空间分布，其研究成果成为当时国际物理学界公认的介子理论，并以作者哈密顿（J .Hamilton）、海特勒、彭桓武三人姓氏缩写简称为HHP介子理论。这在物理唯象上进一步表明了丢掉无穷大所得到的有限部分是合理的。虽然当时他没有对为什么简单地丢掉无穷大后所得到的有限部分能解释宇宙线介子物理做进一步的理论分析，但他当时抱着一种物理的直觉和想法，即所有物理观察量应是有限的，不应该出现无穷大。他甚至抱有一种更深刻的观点，即描述自然界的基本理论本身应该是一个有限的理论，不应该出现无穷大。基于这样的想法，他继续与玻恩合作开展对场的量子力学的研究，做出了一系列重要工作，系统地分析了量子场的性质，并通过考虑有限体积元来避免无穷发散问题。为此，彭桓武与玻恩在 1945年共同获得英国爱丁堡皇家学会的麦克杜加耳-布列兹班（Macdougall Brisbane）奖。随后的两年间，彭桓武对量子场论做了深入的研究，重点讨论量子场论中遇到的无穷发散困难和对辐射阻尼的处理，以及用生成泛函方法探讨量子场波函数的表达。这些研究都是当时最热门的课题和最前沿的方向。而就在这时，彭桓武先生看到了中国解放的希望，抱着满腔的爱国热忱回到祖国。回国后，他忙于发展中国的科教事业，没能继续关于量子场论前沿的研究工作。就在他回国后不到两年的时间内，费曼（Richard Feynman）、施温格（Julian S. Schwinger）和朝永振一郎（ともなが しんいちろう）对量子电动力学的发展做出了重要贡献，尤其是提出了处理量子电动力学中无穷大的重整化方案，获得了 1965 年诺贝尔物理学奖。HHP介子理论当时对粒子物理量子介子理论中无穷大的处理方法与量子电动力学中无穷大的重整化处理方法相比虽然有些简单，但他们对散射过程中有限部分所得到的一些基本结论还是成立的，尤其他们得到的一些方程与几年后戴逊（Dyson）得到的方程实际上是一致的。尽管彭先生因当时决定回国而失去了在量子场论方面取得突破的一次良机，但他针对我国当时科教状况和国家需要，从国情出发，把理论研究与科学实践紧密结合，为我国科教事业和原子能事业的发展做出了令人敬佩的贡献，实现了他报效祖国的愿望。

宇宙线是指来自宇宙深处的高能粒子流。宇宙线物理是研究宇宙线性质的物理学分支学科。

量子场对微观粒子的波粒二象性给出了统一描述。

由夸克与反夸克构成的粒子称为介子。夸克是目前认识到的构成物质的最小组元，如质子和中子分别由三个不同的夸克组成。

量子电动力学是用量子场论描述带电粒子之间的电磁相互作用的基本理论。电磁相互作用是构成原子和分子的基本作用力。

彭桓武先生回国后先在云南大学物理系任教，1949 年到清华大学任教授，并立即组织开展关于核力的研究，培养了几位杰出的年轻帅才，为我国原子能事业取得划时代发展奠定了人才基础。在教学方面，除了大学的基础课程外，他还开设了物理的前沿课程，特别针对实际需要和国内基础科研知识的空白开设系列讲座。例如，当时国内实验化学工作者对实验数据如何分析不是很清楚，他就开设实验误差分析和处理的系列讲座，给实验化学工作者“扫盲”。作为当时活跃在国际理论物理前沿的一位年轻教授，彭先生在国外时，周围讨论合作交流的同事都是国际上最著名的物理学大师，如玻恩、薛定谔（Erwin Schrödinger）及海特勒等，而彭先生毫不犹豫地放弃国外良好的学术环境和已取得的名望回到一穷二白的祖国，并不惜舍弃自己对理论物理前沿研究的兴趣，一心一意发展祖国的科教事业。不仅如此，1955 年后，为了祖国的强盛，彭桓武先生急国家之所急，又一心扑在我国原子能事业的发展上，隐姓埋名。《彭桓武选集》中收录的几篇论文就是最好的例子。这些文章看起来是数学物理的理论研究文章，其实都是彭先生从具体的实际问题和科学实践中抽象提炼出来的理论问题，所得到的理论公式可直接应用到实际中解决具体问题。同时，彭先生在此基础上发展了包含界面条件在内的变分近似法。可谓是从实践到理论，又从理论回到实践，使理论得到进一步发展。彭先生还总结出理论研究的两大基本法宝：微扰论和变分法。他超凡的能力在于把复杂的实际问题变成抽象的数学问题，再把抽象的数学问题变成可解的物理问题。彭先生凭着他这种特有的能力为我国许多重要部门的关键工程和项目解决了很多实际难题。常有人想方设法找到他请他帮助解决所遇到的一些具体难题。而彭先生的这些贡献不是能用简单地发表论文来衡量的，对他来说，解决实际问题才是研究的主要目的。

在追求个人学术名望和祖国需要之中，彭桓武先生选择了后者，表现出一个爱国科学家的高风亮节。既有学术的高度，高屋建瓴，又能创造性地应用于实践解决具体问题，在这方面，彭先生为后人树立了典范。

1978 年担任第一任理论物理研究所所长后，彭桓武又开始致力于推动基础理论研究的发展。他还十分注重发展交叉学科。在理论物理研究所建所初期，粒子物理和场论的队伍比较强，他便开始大力倡导凝聚态物理理论和统计物理的发展。20 世纪 90 年代，他又大力倡导生物物理的发展，同时他还一直提倡理论化学物理的研究。晚年，他仍在探索物理学中最基本的问题——引力理论和统一理论，提倡对爱因斯坦（Albert Einstein）广义相对论的发展，还撰写了一篇论文《广义相对论与狄拉克大数假设的统一》，发表在 2004 年的《理论物理通讯》（ Communication for Theoretical Physics ）42 卷第 5 期上。同时，他还在思考多体问题的并行计算、激光核聚变的实现等。彭先生已在量子场论、自洽场理论计算、核物理、引力理论和分子动力学等多个领域做出了重要贡献。

由于对原子弹氢弹设计原理中的物理力学数学理论问题的研究取得了突出成果，1982 年彭桓武领衔和其他同事一起获得了国家自然科学一等奖，1985 年又作为主要成员之一获国家科技进步奖特等奖。1995 年获第二届何梁何利基金科学与技术成就奖，该奖金被彭先生全部用来作为“彭桓武纪念赠款”分批分赠给共同从事过原子能事业的一些同事。1999 年获“两弹一星”功勋奖章。彭先生曾当选为第一、二、三届全国人大代表和第五届全国政协委员，并被选为中国物理学会与中国核学会的名誉理事。彭桓武先生不仅是一位著名的理论物理学家，更是理论研究与科学实践结合的典范，他为我国科技界树立了学习的榜样。