黄昆的三大创新

黄昆于 1919 年 9 月 2 日出生于北京。 是我国固体物理领域的顶级科学家， 也是誉满全球的著名学者， 被人们称之为声子物理第一人。

黄昆生活在文化家庭， 他的父母亲当时都是银行的高级职员， 有文化知识， 有道德修养， 对儿子的学习抓的很紧， 所以黄昆 1937年 18 岁时就考入了燕京大学， 他学习勤奋努力， 年年都获得最高奖学金。 他始终都认为， 不论是学习， 还是工作科研， 主动性都是最重要的。 燕京大学有着浓厚的学习风气， 较为宽松的学习环境， 使他能够在大学三、 四年级竟开始自学量子力学。 相对论与量子力学是 20 世纪物理学发展的两大基石。 这个学习为他一生从事固体物理的研究， 成为声子物理的第一人奠定了良好的基础。



"声子" 是指晶体中以声速传播的原子振动波的能量量子， 为一种量子化的点阵振动。 由于各原子之间存在相互作用， 因此它们的振动相互牵连， 形成许多频率波表示同频率的许多声子， 声子的多少取决于格波的能量。 晶体温度愈高， 振动愈烈， 因而各频率的声子也就愈多。 黄昆的一生跋涉在与声子相关的固体物理的前沿。 黄昆为了使中国人在这一尖端科学上站在前列， 占有一席之地， 他远渡重洋去英国拜读于莫特门下。 莫特当时只有 40 岁， 但却已当了10 年英国皇家学会院士、 布里斯托尔大学资深教授、 国际著名的固体物理学家。 他对许多物理现象极富有洞察力， 往往还有自己的独特见解， 在物理学研究的诸多方面都做了开创性的工作， 发表了很多有权威性的论文。 因此于 1977 年获得了诺贝尔物理奖。 莫特善于透过错综复杂的表面现象， 去把握和捕捉固体内部的本质； 善于用简单的物理模型方法去解决复杂问题， 而不主张用繁杂的数学推导方式解决问题。 黄昆渐渐地领悟到： "避免在数学公式的圈子里绕弯路， 并重视实验与理论的结合。" 从而 10 年内能在几个不同领域都取得了卓著的成就。 黄昆在固体物理学上有三大创新性成就：

第一、 "黄散射" 理论的创立。 他在英国留学的日子里埋头钻研， 矢志不渝， 在莫特老师的指导下写了第一篇论文 《稀固溶体的X光漫散射》。 他在论文中阐述了这种漫散射的系统理论， 并讨论了用实验方法观察的可能性。 他的预言， 经过 21 年后， 由于 X 射线实验技术的进步， 终于得到了证实， 得到了国际同行的公认， 并将它命名为 "黄散射"。 今天， 这种漫散射现象已成为研究固体中杂质状态的有效手段。

第二、 "黄理论" 与 "黄方程" 的研究成功。 1948 年， 应利物浦大学理论物理系主任弗乐里希的聘请， 黄昆担任了该系的研究员，为期 3 年。 在这里黄昆对固体物理进行深层次的研究与探讨。 他特别注意到半导体深能级、 固体发光中心等局域电子态， 与周围晶格原子之间存在着相互作用， 并引起晶格原子的平衡位置发生移动。不同的电子态， 原子平衡位置将有所不同。 这种依赖电子态的晶格畸变现象， 称之为 "晶格驰预"。 黄昆根据 "晶格驰预" 现象发现电子在跃迁过程中， 始态与末态的振动波函数之间不存在严格的正交关系。 这意味着什么呢？ 它表明将发射或吸收多个声子。 黄昆的这一发现， 与 "晶格驰预" 现象直接相关。 后来研究证明 "晶格驰预"

现象是局域电子态的一项基本特征。 在此基础上， 黄昆与同事艾夫·里司 （A·Rhys 后来成为了他的夫人） 共同完成了 《F 中心光吸收与无辐射跃迁多声子理论》 的论文。 黄昆这一创新型的研究工作， 国际同行给予了高度评价， 并将这理论命名为 "黄———Rhys 理论" 或直接称为 "黄理论"， 黄昆的名声在物理界更为响亮了。黄昆对固体物理的研究， 步步深入， 一直奋勇向前。 到 1951年， "晶体中的电磁波和格波是相互藕合" 理论， 在他的深入研究中得到了进一步的发展， 他发现两者藕合成新的振动模式。 不久，这种藕合模式， 经人们用激光拉曼散射等手段， 证实确乎存在， 并称它为 "极化激元"。 黄昆在对这一理论的研究中， 重要成果在于引入了一组描述晶格振动及其极化的方程式。 由于这个方程式反映了问题的本质， 并有明晰的物理图象， 严密而形象的特色， 很快被固体物理学家们在分析类似问题时采用， 便被称为 "黄方程"。 黄昆卓越的才华和令人钦佩的成果为中国人的智能增添了亮丽的光彩。

第三， 《晶格动力学》 的创立者。 1954 年黄昆与德国著名科学家波思合作撰写的专著 《晶格动力学》 在英国牛津大学出版社出版发行了。 波思是 1954 年度诺贝尔物理奖的获得者， 是世界上著名的科学大师， 是英国爱丁堡大学的教授， 是量子力学的创始人之一。1947 年他着手写一部新的用量子力学全面研究晶格动力学的专著。他发现黄昆这位中国青年不同凡响， 不仅熟知这个科学， 而且有深刻的见解和创新精神， 就邀请黄昆在自己手稿的基础上， 再执笔合作著书， 黄昆认为这正是自己的研究范畴， 自己在这方面也有不少经验与体会， 便欣然接受了邀请。 经过多年的执着钻研和苦心写作，书稿进展顺利。 波思教授看完黄昆执笔的 《晶格动力学》 最初的一部分文稿时， 就非常高兴和满意， 在 1954 年他获得诺贝尔奖金后给爱因斯坦的信中说： "我正在跟一位中国的合作者黄昆博士完成一部有关晶格的量子力学的书。 书稿内容已完全超越了我的预想， 我理解年轻的黄昆以我们两人的名义所写的东西， 我很高兴！" 这封信充分显示了这位伟大的学者谦虚和奖携后生的美德， 也合乎分寸地评价了黄昆的横溢才华和卓越贡献。 而黄昆却说： "这本书主要是总结波思学派几十年的成就， 至于我个人所做的是次要的， 即使有所创造都是受波思的启发。" 是多么的谦虚呀！ 多少年来 《晶格动力学》 仍然是这个领域里的一部权威性专著。 黄昆与谢希德合著的《半导体物理学》 是我国半导体科学发展中最重要最早的理论专著，1958 年出版时， 在国际上也属于高新技术的前沿文献。

1980 年黄昆已经年过花甲， 他仍然坚持在科研第一线顽强拼搏， 同年， 他又完成了 《多声子无辐射的绝热近似和静态藕合理论》的论文， 这一有价值的研究成果， 澄清了多年来有关 "声子" 的一些带根本性的疑难问题。 1983 年， 黄昆又参照我国学者贾唯义的相关实验， 与顾宗权一起探讨， 发展了无辐射跃迁理论计算的多频模型， 提出了声子统计分布规律， 提示了多声子跃迁的新内容。 之所以说他们的研究有新 "发展"， 主要是过去的理论是计算电子跃迁几率， 而这次他们提出的是声子分布率， 实际上是阐明在多声子跃迁中射了哪些声子。 因此可以说他们发展的多频模型是从一个崭新的方面推进了多声子理论。 由黄昆与其合作者共同发展的超晶格和量子阱中空穴子带的理论、 超晶格中光学声子模型的理论， 都是国际上影响很大的研究成果。 他与朱邦芬提出的超晶格光学声子模型，已被国际上同行们称之为 "黄———朱模型"。

黄昆几十年的辛勤耕耘， 取得了举世瞩目的卓著成就， 得到了中外科技界的高度赞扬。 1995 年获得何梁何利科学技术奖， 1996 年获得陈嘉庚物理学奖， 2001 年获中华人民共和国最高科学技术奖。他是我国半导体事业的开拓者， 今天我国的晶体管， 大规模集成电路都是他的理论和实践结出的丰硕成果。 我们的手机和电视都含有他的心血和汗水。

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