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汉斯·贝特20世纪最多产的物理学家之一摘要：本文通过对贝特在众多领域取得重大成就的描述，充分展现了贝特独特的科研风格和杰出的科学家形象，为我们的科研提供了典型的范例．关键词：汉斯·贝特，粒子物理学和核物理学，天体物理学，量子理论HansBetheoneoftheproductivephysicistsin20thconturyAbstract：Inthispaper，throughdescribingBethe'simporantachierementsinalotofresearchfields，Bethe'sindividualscientificresearchstyleandoutstandingscientistfigureareadequatelydisplayed．Allofthosearetypicalparadigmforourscientificresearch．Keywords：HansBethe，particlephysicsandnuclearphysics，astrophysics，quantumtheory德国出生的美籍物理学家汉斯·贝特，是20世纪一位天才的理论物理学家；他博学多才，硕果累累，物理学前沿发展到那里，他的智慧触角就延伸到那里．他善于发明一些新的数学技巧，来协调理论和实验之间的矛盾，这使他在理论物理学家中树立了持久的声望．依靠他那不同寻常的知识汇集，使他在粒子物理学、原子核物理学、天体物理学和量子理论等众多领域作出了一流的贡献．他在《现代物理学评论》上发表了总结若干核子理论的长篇著作，被人们誉为“贝特圣经”．由于他“对核反应理论所做的杰出贡献，特别是涉及恒星能量生成问题的发现”，使他摘取了1967年度诺贝尔物理学奖的桂冠．1贝特的生平1906年7月2日，汉斯·贝特（HansAlbrechtBethe）出生于德国阿尔萨斯一—洛林的斯特拉斯堡，他的父亲是一位生理学家，母亲是斯特拉斯堡大学一位医学教授的女儿；1915～1924年，贝特在法兰克福的哥德中学完成中学学业，后进法兰克福大学学习物理，两年以后，导师发现他在理论方面的才能，就把他送到慕尼黑大学的阿诺德·索末菲（A．Sommerfled）那里接受训练．索末菲曾训练出约1／3德语世界的理论物理学正教授，他的学生包括马克斯·冯·劳厄（M．V．Laue）、沃尔夫冈·泡利（W．Pauli）和维尔纳·海森堡（W．Heisenberg）．当贝特来到这里时，美国化学家莱纳斯·鲍林（LinusPauling）正同索末菲一起工作，此外还有拉比（I．I．Rabi）和爱德华·特勃（E．Teller）等人．1928年，贝特在索末菲教授的指导下，做关于电子衍射理论的博士论文，这篇文章迄今仍有重大价值；1929年，他研究晶体中能级的分裂，指出了晶体中的对称电场对其能级的影响．1930年贝特获得博士学位，毕业后先在慕尼黑大学任教，接着依靠洛克菲勒奖学金去剑桥卡文迪什实验室的卢瑟福（E．Rutherford）门下，然后去罗马在费米（E．Fermi）的指导下工作，并于1932年至1933年度回国接受蒂宾根大学的任命．1933年希特勒上台，纳粹德国疯狂迫害犹太科学家，许多著名科学家被解职（其中包括爱因斯坦），贝特因两个犹太人的外祖父母，而成了1／4犹太人，因此他失去职务并逃离德国，靠奖学金去哥本哈根同玻尔一起工作，随后又去英国曼彻斯特大学和布里斯托尔大学工作一年．在英国，贝特弄清了高能粒子被电磁场作用偏转而发生辐射的方式．1935年2月赴美国康奈尔大学当助理教授，1937年升为正教授．1938年，他提出了恒星提供能量的核反应详情，这是贝特在科学上的最大贡献．1939年，贝特与他的慕尼黑大学的导师厄瓦尔德（P．Ewald）的漂亮谜人的女儿结婚．1941年春季，贝特夫妇宣誓效忠于美国而成为美国公民．第二次世界大战期间，他在麻省理工学院辐射实验室工作，随后担任实现曼哈顿计划的洛斯·阿拉莫斯科学实验室的理论部主任，负责设计原子弹．1954年他当选为美国物理学会会长，1957年成为英国皇家学会外籍会员和美国科学院院士；1961年因为在原子能的发展和应用上的成就被授予费米奖；1967年，他又因为“对核反应理论所作的贡献，特别是1
涉及恒星能量生成的发现”获诺贝尔物理学奖．他是20世纪最多产的物理学家中又一位杰出代表．2粒子物理学和核物理学方面的贡献贝特生长在物理学崛起的年代，在他完成博士论文以后的10年中，物理学蓬勃发展、生机盎然．在这之前的20年，量子力学的革命性发展是人们注意的中心．1932年查德威克发现了中子，这一发现的意义是极为重大的，中子不带电，它与核之间不存在静电力的作用，这为人们轰击原子核提供了一颗极为有效的炮弹，并为核物理研究指明了新的方向．按照贝特的说法，1932年以前的所有一切是“核物理的史前时期，从1932年起才开始了核物理的历史”；这个区别就在于中子的发现．30年代前期，贝特以他的博士论文，晶体对电子的衍射为起点，继续延伸着他的工作，使他在这一领域处于执牛耳的地位．他特别注意研究电子与物质的相互作用和电磁辐射与物质的相互作用之间的相似性．1930年秋，贝特访问剑桥，得知有关的实验数据，1931年他把辐射理论扩展到可容纳狭义相对论的理论．1933年，当他流亡到曼彻斯特时，和英国物理学家海特勒（W．Heitler）一起，共同研究带电粒子通过介质中原子核附近时辐射能量的情况．1934年，他和海特勒联名在英国《皇家学会学报》上发表了题为“关于快速粒子停止及正电子的产生”的论文，在这篇论文中，贝特把量子电动力学应用到宇宙射线与介质的作用问题上，提出著名的贝特—海特勒辐射公式，当时人们假设宇宙射线是由电子或质子组成，并把实验数据拿来和量子电动力学的计算结果进行比较，贝特发现，他的公式对低速宇宙射线在介质中的辐射特征的描述比较全面，但对高速宇宙射线却存在着明显的偏差．1934年10月在伦敦召开宇宙射线会议上，贝特宣布了量子电动力学理论的预言和实验事实之间存在着无法调和的矛盾，这一矛盾并一直困绕着他；1938年，当他到美国后，详细地研究了宇宙线专家斯特利特（J．Street）和斯特文森（E．Stevenson）取得一组云室中的宇宙射线照片后确信，宇宙射线中除了存在着电子和质子外，必定还有不同于电子和质子的新粒子存在，这一预言，被后来发现的μ介子所证实．二次大战结束后，为了测出这一带负电的μ介子精确质量，贝特发挥了关键作用，随后，贝特还发现，μ介子和π＋＋介子之间存在着密切的关联，例如π→μ＋ν等，从而使他成为开创高能粒子物理新领域的中心人物．早在1934～1935年间，贝特就与佩尔斯（P．Peierls）合作，提出最简单的氘核结构模型，即氘核是由一个质子和一个中子组成的．他们研究了质子在轰击中子时所受的偏折，最终导致了对核力作精确的数学描述，得到了所谓贝特——佩尔斯公式，从而使贝特在1949年提出了计算散射时要用到的“有效射程”概念．1936年～1937年期间，贝特和他的合作者罗伯特·贝彻尔、里文斯顿（M．S．Livingston）在美国《近代物理学评论》上发表了总结原子核物理学的三篇长文，第一篇是“核的定态”，第二篇是“理论核动力学”，第三篇是“实验核动力学”，这是后来几十年间人们不断参考引用的标准文献，这被人们称为“贝特圣经”．在这些论文中，贝特澄清了当时的核力理论、核结构理论及核反应理论，为他以后探讨恒星能量生成问题作了很好的理论准备．1986年，在贝特八十华诞时，这三篇论文的合订本出版，这些评论性论文对当代核物理学家及其后代核物理学家产生了具有深远意义的影响．3天体物理学的贡献经典物理学告诉我们，核外粒子与核之间存在着库仑势垒，如果粒子的动能比库仑势垒高度低，由于库仑势垒的阻挡，粒子不能跑到核内而发生核反应；但按照波动力学理论认为，尽管粒子的动能比库仑势垒高度低，但是核外的粒子有时也会通过比自己高得多的势垒而产生核反应，人们称这种现象为“核势垒隧道效应”，这是乌兰克出生的美籍物理学家伽莫夫（G．Gamow）于1928年夏在哥丁格首先提出来的．随后，伽莫夫和德国核物理学家弗里茨·豪特曼斯（F．Houtermann）、英国天文学家罗伯特·阿特金森（R．Atkinson）合作一起讨论了把核势垒隧道效应理论应用到关于太阳和其它恒星释放核能的问题上．他们一致认为，在恒星内部的高温下，星球内的原子核，可以通过“核势垒隧道效应”进入另外的核产生核反应而释放出能量．并把这个反应命名为“热核反应”．1938年春天，伽莫夫和泰勒在华盛顿特区组织了物理学讨论会，与会者有核物理学家，也有天体物理学家，两个领域之间做了无拘束的交流．贝特也是参加者，在会上他得知有一个大家都很感兴趣的问题等待解决，这个问题就是：太阳和其它恒星辐射的能量是靠什么样的热核反应生成的？贝特花了6个星期思考这个问题，断定只有质子—质子循环和碳循环才有可能是太阳能量生成的最初过程，其它过程都不可能．从而提出了一套有关恒星能源理论．贝特认为：太阳或恒星的能源来源于星体的核心部分的核反应．由于太阳及恒星的中心温度极高，粒子有2

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