黄昆先生是世界著名的物理学家和杰出的教育家,晶格动力学的奠基人和权威,“极化激元”概念的最早阐述者。黄昆的名字是与多声子跃迁理论、x 光漫散射理论、晶格振动长波唯象方程、半导体超晶格光学声子模型联系在一起的。他致力于凝聚态物理的科学研究和教育,以勤奋、严谨、严于律己和诲人不倦而著称。他长期从事物理教学工作,是我国固体物理和半导体物理学科的一位开创者,培养了一大批中国物理学家和半导体技术专家。
黄昆于1919年诞生在北京,祖藉为浙江嘉兴。父亲是中国银行高级职员。母亲毕业于北京女子师范大学,也在银行工作。较高的文化素养和毫无拘束的家庭气氛,对黄昆少年时期的影响很大。黄昆有一个姐姐和两个哥哥,姐弟四人年龄依次相差一岁,手足情深,相互扶持。
1932年秋—1936年夏,黄昆在通州潞河中学就读,并于1937年通过潞河中学向燕京大学的保送考试,进入燕京大学物理系学习。潞河中学和燕京大学都是美国人在中国办的教会学校。虽然教育上存在许多缺陷,然而求真务实和相对开放的环境熏陶了年轻时代的黄昆,使他养成了凡事独立思考,不盲目随从的习惯。量子力学,这门在三十年代还属于问世不久的学科,是黄昆在大学时代通过自学而掌握的。他的大学毕业论文《海森堡和薛定锷量子力学理论的等价性》就是在此基础上完成的。
在学校里,黄昆不但各科学习成绩都名列前茅,还广泛阅读了古今中外的名著。也许是生性爱好探索大自然的奥秘,黄昆特别喜欢各类侦探小说与惊险小说。也正是在图书馆的英文书架上,他通过斯诺的《西行漫记》,第一次了解到中国工农红军和共产主义革命。
抗日战争爆发后,中国的三所著名大学:清华、北大、南开迁至云南昆明,组成国立西南联合大学。当时西南联大物理系规模虽然不算大,但是人材济济,中国物理学界和数学界许多学术造诣颇深的知名教授都在这里执教。1941年秋,黄昆在获得燕京大学学士学位后,来到西南联大担任助教。如同鱼儿游入浩瀚的海洋,黄昆在这里如饥似渴地吮吸着物理知识的精华。他不但听了许多物理系高年级以及研究生课程,还选修了多门数学系课程,如群论、陈省身的微分几何等等。当时学术讨论风气盛行,黄昆又从小酷爱争论,正是通过学术讨论和无数次的课外辩论,黄昆、杨振宁、张守廉等开始互相了解并结成长达半个世纪的深厚友谊。第二年,黄昆考取了理论物理研究生,导师是著名物理学家吴大猷( 曾任台湾中央研究院院长)。杨振宁和张守廉分别师从王竹溪和周培源。他们有段时间同住一屋。无论在回寝室的路上,还是在茶馆里,他们都喜欢讨论问题,讨论最多的当然是物理问题。有一次他们辩论量子力学中测量的意义,论战从茶馆开始,延伸到整个傍晚,直至息灯后躺在床上他们仍在继续辩论。最终三人又都从床上跳起来,点上蜡烛阅读海森堡的《量子理论的物理原理》。黄昆喜欢与人讨论物理问题的习惯,一直保持到晚年。他认为,讨论最能启发人们的思考,学术空气沉闷只能使思维窒息。他认为,讨论最能启发人们的思考,学术空气沉闷只能使思维窒息。如今年逾古稀的黄昆依然思维敏捷,善于在讨论中提出问题,也善于抓住要害问题使讨论深入。名师的教诲,一群天资极高的同学之间的相互交流,再加上自己的努力,使黄昆在西南联大期间打下了扎实的物理学基础。在吴大猷指导下,黄昆作了《锂原子能态的Hylleraas 函数变分计算》、《钠之负离子吸收光谱》、《日冕光谱线的激起》三篇论文,1944年以优异成绩毕业。
毕业后黄昆通过了庚款公费留英考试,1945年8月,到英国Bristol大学做了莫特(N.F.Mott)的研究生。莫特是1977年诺贝尔物理奖获得者,在当时已是国际上著名的固体物理学家。他对许多物理问题,有很深的洞察力,善于透过错综复杂的表面现象而把握本质。莫特倾向于用简单的物理模型方法解决问题而不主张借助繁杂的数学推导,这对黄昆的学术风格的形成起了决定性的作用。使他“避免了在数学公式里绕圈子的这种弯路,并且懂得重视实验和理论的联系”。在两年的研究生学习期间,黄昆在莫特指导下,完成了《稀固溶体的X光漫散射》、《金银稀固溶体的溶解热和电阻率》、《轻核的束缚能》等三篇论文。这些研究,特别是前两项工作,对后来科学的发展都产生了深远影响。其中第一篇论文提出了一种新的散射机制,即杂质或缺陷引起的漫散射,后来被称为“黄散射”。
1947年5月间,黄昆去爱丁堡大学玻恩教授(M.Born)处短期工作。物理大师、诺贝尔奖获得者玻恩是量子力学创始人之一,也是晶体原子运动的系统理论的开创者。他早在第二次世界大战期间就计划从量子力学最一般原理出发,撰写一本关于晶格动力学的专著,并已写了若干章节。但是战后他忙于他事,且年事已高,书被搁置了起来。玻恩发现黄昆熟悉这门学科,有深邃的见解,便给他看了手稿,并建议黄昆完成这部专著。黄昆从1948年开始,在四年时间内不仅以严谨的论述和非常清晰的物理图像对这个固体物理学中的一个最基本领域进行了系统的总结,而且还以一系列创造性的工作,发展和完善了这个领域。这本人所共知的书自1954年问世以来,一版再版,几代固体物理学家都通过学习这本专著而了解了晶格动力学这个领域。
1948年初,黄昆应英国利物浦大学理论物理系主任弗洛里希(H.Frohlich)的聘请,到该系任博士后研究员。这段时间,黄昆在学术上硕果累累,在生活上,他与里斯(A.Rhys,中文名李爱扶)开始结识、相恋。从此以后,在黄昆成功的背后,一直有一位来自异国的贤内助的默默奉献。在这三年多时间里,黄昆除潜心撰写《晶格动力学》外,在学术上还有两项开拓性的贡献。一是,黄昆和李爱扶在《F中心的光吸收与无辐射跃迁理论》这篇著名论文中提出了在晶格弛豫基础上的多声子光跃迁与无辐射跃迁理论。这个理论被称为“黄-里斯理论”,是固体中杂质缺陷上的束缚电子跃迁理论的奠基石。另一项开创性的贡献是黄昆提出了晶体中的电磁波与晶格振动的格波会互相耦合,形成声子极化激元。黄昆引入的这种新的耦合模式现已成为理解电磁波与固体、等离子体相互作用的一个基本概念。他在理论处理声子极化激元时,引入一组唯象方程来描述极性晶体中光学位移、宏观电场与电极化三者的关系。这就是著名的“黄方程”。
1951年底,黄昆抱着投身于新中国建设事业的满腔热忱,回到了祖国。为了给祖国建设事业培养急需的科技人材,黄昆不惜中断自己已进行多年并卓有成就的研究工作,一到北大,就全身心地投入到《普通物理》课的教学工作。黄昆认为,在中国培养一支科技队伍的重要性远远超过个人在学术上的成就,因而,尽管《普通物理》是大学物理系学生的入门基础课,黄昆还是一遍又一遍地认真备课,和虞福春,褚圣麟等一起,精选授课内容,讲究教学方法,革新了普通物理的教学。黄昆认为,不能把讲授限于一些定义的说明和公式的逐步推演,而应引导学生对物理问题有深入的理解。例如,黄昆讲授“表面张力”时,从分子间吸引力与排斥力有不同作用距离的物理图像出发,使学生得到了深刻而清晰的理解。当年的学生至今对此仍留有深刻印象。不管讲课还是做报告,黄昆都遵循两个原则。一是“假定听讲人对所讲问题一无所知且又反应较慢”,二是尽管讲过多次,每次都须重新备课。这种认真精神加上深厚的理论造诣使黄昆的授课在北大以至全国物理界都有口皆碑。
1954年黄昆担任了北大物理系固体物理专门化教研室主任。从1953年至1955年的前后三年中,黄昆给他的研究生和中国科学院应用物理研究所的科研人员系统地讲授了现代固体物理的基本理论和各分支的基础知识,以后发展到为北大本科生也正式开设了这门课程,开创了我国高等学校的固体物理专业教育。黄昆讲授时,不仅指出现存理论能解释哪些实验事实,而且还指出其不足之处以及进一步发展方向,使学生从一开始就进入到固体物理的前沿领域。黄昆的《固体物理》于1965年由人民教育出版社出版。
四十年代晶体管的发明促使半导体学科迅速发展,其势头至今未衰。然而,直到五十年代初,作为学科基础的半导体物理学,国际上还没有专门的教科书。1955年,黄昆邀请王守武、洪朝生、汤定元三人和他自己一起,在北大第一次开设了这门课程。1956年,黄昆参与制定我国12年科学发展规划,为重点发展我国半导体事业提出了具体规划及实施的紧急措施。教育部采纳了规划中建议,1956年暑假,由北大、复旦、南大、厦大和吉大五校联合在北大物理系开办了我国第一个半导体专门化,黄昆任主任,谢希德任副主任。两年内,五校教师创立了一系列从理论到实验的课程。他们培养的二百余名学生,成为我国半导体事业的骨干力量。1958年出版的《半导体物理》(黄昆、谢希德合著)是我国半导体领域最早和最重要的著作,当时在国际上也属前沿。
黄昆在北大执教二十余年,桃李遍天下。黄昆对年轻人既严格要求,又鼓励扶植他们著书立说,为人才的脱颖而出创造了良好的环境。黄昆亲自指导培养的一批研究生和助手,如莫党,秦国刚,甘子钊,夏建白,韩汝琦等,都活跃在固体物理学的科研与教学上,成为了骨干人才。
1977年11月,由邓小平同志直接提名,黄昆调任中国科学院半导体研究所所长。半导体所是一个综合性的研究所,致力于半导体物理、材料、微电子器件和光电子器件等领域的研究。黄昆作为一所之长,在组织全所科学研究的同时,十分重视科研人员的学术水平的提高。他要求科研工作者不仅要知其然,更要知其所以然。只有如此,才能从根本上摆脱跟在别人后面走的被动局面。从1978年初开始,黄昆每星期都抽出半天时间给全所科研人员讲授半导体物理的理论基础,前后整整讲了十个月。在黄昆的带动下,半导体所的学术水平有了长足的进步,并且培养了一个理论与实验结合、学术空气活跃的半导体物理研究集体。
黄昆认为既然身在研究所,自己就必须在科研第一线工作。黄昆在繁忙的所长岗位上抓紧点滴时间,针对国际上在多声子无辐射跃迁理论中出现的疑难问题,重新开展了研究。他证明了在消除康登近似带来的不自洽性后,绝热近似与静态耦合是等价的。1983年黄昆又提出的无辐射跃迁理论的多频声子模型,更进一步发展了无辐射跃迁理论。
1983年,黄昆退居二线以后,把更多的精力投入到了科研工作中去。黄昆觉察到半导体超晶格作为物理、材料与器件三者结合点,业已成为整个半导体学科最活跃的前沿,于是结合整个半导体所的实际工作,把自己的精力集中到了研究半导体超晶格的物理问题上来,有力地推动了全所乃至全国在这个新兴领域的工作。黄昆等发展的关于超晶格和量子阱中空穴子带的理论以及超晶格中光学声子模式的理论,引起了国际学术界的普遍重视。其中黄昆与朱邦芬提出的计算超晶格光学声子模式的模型以及类体模的解析表达式,被国际上称为“黄-朱模型”。
黄昆在科学上的成就受到了国际学术界的高度评价,也得到祖国和人民的承认。1955年,黄昆年仅36岁就当选为中国科学院学部委员,是当时所有委员中最年轻的一名。黄昆还是瑞典皇家科学院外藉院士、第三世界科学院院士、IUPAP 半导体委员会(1985-1988)委员。1984年他应美国斯诺基金会邀请任该年度斯诺教授去美国讲学,圣母(Notre Dame)大学授予了他“第二届理论物理弗雷曼奖”、美国中部州立大学协会授予了他“卓越外国学者”称号。除了担任中国物理学会理事长,科学院数理学部常委之外,黄昆还是第三届全国人民代表大会代表,第五、六、七届全国政协常委。黄昆因其学术上的贡献曾荣获中国科学院自然科学一等奖两次(1984、1989)和二等奖两次(1990、1995)。黄昆先生还曾荣获国家自然科学二等奖一次(1993),三等奖一次(1957),何梁何利科学技术成就奖(1995年)以及陈嘉庚物理奖(1996年)。他的著作“固体物理学”教材1996年荣获国家科技进步二等奖;《黄昆论文选暨评注》1999年作为新加坡世界科学出版社的“世界科学20世纪物理学丛书”之一出版;2004年北京大学出版社又出版了《黄昆文集》。2000年,黄昆先生受聘担任第17届国际拉曼光谱学大会的国际科学顾问委员会主席,同年香港科技大学授予他名誉博士学位。2001年,黄昆先生荣获中华人民共和国最高科学技术奖,在2002年2月1日于人民大会堂举行的全国科学技术奖励大会,江泽民主席亲自为他颁奖。2003年年初,中国中央电视台首次举办“感动中国2002年度人物”评选活动,黄昆被观众和专家选为十位感动中国的年度人物之一。面对这些荣誉,黄昆总是说:“我是一个普通的科学工作者,没有什么神奇和惊人的地方”。他认为自己之所以能获得一些成绩主要在于“勤于思考、坚持工作”。
黄昆学术上的成就是多方面的。他对自己的论著力求完美,他觉得意思不大的一些著作往往被他自己束之高阁。可以说,黄昆的每篇论文都实实在在解决了一个或几个物理问题,都是经得起时间考验的。下面选择其中几项最有影响的工作加以介绍。
学术成就
黄散射—杂质或缺陷引起的漫散射
X射线入射到材料,会被周期排列的原子的电子所散射,并在一定的反射角出现非常尖锐的衍射峰。然而,实际材料往往偏离严格的周期排列,可能原因之一是由于材料中存在杂质或缺陷,这种由杂质或缺陷引起的X光漫散射的机制是由黄昆在1947年首先提来的,现在文献中被称为"黄漫散射"(英文缩写HDS)或简称黄散射。
黄昆估算了不同的杂质原子导致的长程晶格畸变对X射线衍射的影响,推导了这种点缺陷长程弹性位移场在衍射峰附近产生的漫散射强度公式,从而开创了X射线研究中的一个新的分支领域,产生了深远的影响。
由于观察黄散射要求很高的实验条件,直到1967年, H. Peisl等在研究 射线辐照氟化锂晶体X射线散射实验时,才观察到了黄漫散射。此后国外科学家在一系列其他材料中也都观察到了黄散射,从而国际学术界确认了黄散射。1972年德国物理学家证明,利用黄散射强度分布,可以倒推出点缺陷的结构(种类、对称性、大小),从而使黄散射发展为一种能直接研究晶体中微观缺陷的强有力手段。
多声子跃迁理论的创始人
固体中局域电子态与周围晶格原子之间的相互作用,使晶格原子的平衡位置发生移动。对于不同的电子态,晶格原子平衡位置有所不同,这种依赖于电子态的晶格畸变现象称作晶格弛豫。根据晶格弛豫概念,1950年,佩卡尔,黄昆与Rhys分别独立地提出了多声子跃迁理论,即,由于电子初态与末态对应不同的晶格平衡位置,初态与末态的振动波函数之间不存在严格的正交关系。电子跃迁过程中振动量子数(声子数)可以任意改变而跃迁几率并不为零。根据电子跃迁过程中是否伴随光跃迁,它又可分为光跃迁和无辐射跃迁多声子过程。佩卡尔只涉及光跃迁多声子过程,且文章发表在俄文杂志上,鲜为人知。黄昆与Rhys在著名文章"F中心光吸收与无辐射跃迁理论"中同时建立了光跃迁和无辐射跃迁多声子理论,发表后立即引起国际学术界的重视,因而人们常称多声子跃迁理论为黄—Rhys理论.
由于晶格弛豫,原先一条谱线变成一系列的多声子峰。在低温下,多声子谱线强度呈泊松分布。1959年J.J. Hopfield首先在CdS的带边发射中证实了多声子结构。现在,光跃迁多声子理论虽然在一些更深入的问题仍在不断探讨,但基本原理业已确定无疑。
由于晶格弛豫,杂质或缺陷上的电子态跃迁中的能量变化,原则上可以完全由多个声子的吸收或发射来补偿,这就是直接联系着发光中心效率等重要问题的多声子无辐射跃迁。这个理论在70年代被证实定性上是正确的,然而定量估算产生了一些曲折和矛盾。国际上相继出现了"非康登近似"和"静态耦合"理论,取得了较好的定量结果。但是也出现了一个令人困惑的局面:为什么在绝热近似框架内作修正的"非康登近似"与彻底抛弃绝热近似的"静态耦合"会有相近的结果?为什么以理论上更为严格的绝热近似为基础的"康登近似"反而不如根据不充足的"静态耦合"?
1979年黄昆又重新剖析了这个难题,他发现用于无辐射跃迁理论的康登近似实质上是把跃迁计算中的一阶微扰与包含高阶微扰的晶格弛豫混合并用;并且证明,一旦消除了这种不自洽性,绝热近似与静态耦合在一级近似下是等价的。这样就得到一个统一的理论,从而澄清了30年来围绕无辐射跃迁理论发展而出现的混乱,也给比较简单的静态耦合计算提供了理论上的依据.
1980年以来,黄昆与顾宗权合作提出了多声子跃迁理论中的多频声子模型,该模型表明在光跃迁过程与无辐射跃迁过程中所参与的声子可以具有非常不同的频率,从而解决了多声子光谱实验解释的疑难点.
作为多声子跃迁理论的开创者,黄昆与李爱扶(A. Rhys)在1951年合著的文章至今仍每年被引用20多次。黄昆在1980年建立的统一绝热近似与静态耦合的理论,一发表即引起广泛重视,并被英国B.K.Ridley编入教科书。这项研究先后荣获中国科学院自然科学三等奖(1957)与科技进步一等奖(1984)。黄昆在该文中提出,由于晶格弛豫,电子跃迁过程中振动量子数可以任意改变而跃迁几率不为零。这个革命性的概念,不仅奠定了固体中束缚在杂质和缺陷上的局域电子态跃迁理论的基础,而且还是现代多体理论中“Mahan奇异性”和“正交灾难”的先驱。不少研究多体理论的理论物理学家对此极为感兴趣。最近,随着量子点等纳米结构研究热的兴起,量子点中的光吸收与发射和F中心的光跃迁过程有很大的相似性,科学家开始测量和计算量子点中的S因子,黄昆这篇论文又引起人们新的兴趣。
声子极化激元及黄方程
对于极性晶体,正负离子在光学振动(即两者相向运动)时会产生极化场,由此导致的宏观电场使得纵光学振动(振动方向与波传播方向平行)频率高于横光学振动频率。这种极化的微观机制非常复杂。离子极化不仅包括电子云的极化,而且还存在伴随光学振动而出现的电子云畸变的贡献。此外,以微观模型处理长程库仑作用对动力学过程的影响,本身也是一个相当复杂的问题。早期的研究工作曾因未能正确地认识长程库仑作用而得到一些错误的结论。
针对这种情形,黄昆于1950年提出了一对唯象方程,以描述极性晶体的长波光学振动,黄昆把宏观电场作为一个新的变量,用来描述离子光学振动所受库仑作用,而宏观电场与离子光学位移又共同对电极化有贡献。这就是以后被广泛引用的"黄方程"。它确立了光学位移
(正比于正负离子位移差),宏观电场
与电极化
三者之间的关系,即

其中四个系数
中,
=
, 三个独立系数可由实验直接确定。黄方程的物理意义十分明确,作为宏观关系是严格的, 它简洁而有效地解决了极性晶体光学振动的问题。
作为应用黄方程的一个尝试,黄昆将其用于研究电磁作用的“推迟效应"(即库仑作用以有限速度 (光速) 传播)对长光学波的影响,黄昆发现电磁模(光子)与横光学声子模互相耦合形而成新的模式。
这在物理上提出了一个非常重要的新观念。首先,光子(可以不限于介质内)与声子(仅限于介质内)以同等地位同时得到处理。其次,电磁波在极性晶体内传播模式应被理解为介质特征模式。第三,这种电磁波-极性元激发耦合模式对应于一种新的元激发的概念以后相继被推广到其他元激发(激子,磁子,等离激元)与电磁波的作用,并被命名为各种极化激元。黄昆最先提出的光学声子-电磁波耦合模(声子极化激元)在实验上则由 C.H.Henry 和 J.J.Hopfield 于1965年在GaP材料中首次观察到,引起人们极大兴趣。
1972年,在第一次关于极化激元的国际学术会议上,黄昆开创性的贡献得到会议高度评价。会议文集重新刊登黄昆1951年的论文“关于辐射场和离子晶体的相互作用",并誉为该领域的一个里程碑。
《晶格动力学》——学科第一本权威著作
《晶格动力学》这本书全面地总结了玻恩学派关于晶格动力学的基本理论。关于黄昆对该书的贡献,玻恩在原序中写道:"黄昆成功地完成了任务,不过,本书已变得和我原来的计划很不相同了。黄博士坚信科学之主要目的在于社会效益,而我原先计划的抽象演绎表达方式不太合他的口味。因此他增写了几章比较基本的引论,这几章应易于理解;尔后再逐步引伸至本书第二篇的普遍理论。他同时也重写了我原先的内容,在很多方面使之更普遍化,并增加了新的章节。因而,本书之最终形式和撰写应基本上归功于黄博士。"
玻恩在给爱因斯坦的一封信中又写道:"我现在正在跟一个中国的合作者黄昆博士完成一本晶格的量子力学的书。书稿内容已完全超越了我的理解,我能懂得年轻的黄昆以我们俩人的名义所写的东西,就很高兴"。这些话,一方面显示了玻恩的谦虚和奖掖后进的美德,同时也从一个侧面反映黄昆确实对这本书作了非常重要的贡献。一般而言,两个人合著一本书,序言应由两人共同署名;但《晶格动力学理论》这本书,却是由玻恩单独一人撰写序言,其原因正如他在序言中所写:“由我单独撰写和签署这个序言的原因并非只是与合作者之间遥远的距离,我是希望说明,如果没有他专心致志且富有成效的劳动,本书是绝对不可能完成的。”
《晶格动力学》这部专著,问世四十多年来,译成多国文字,一再重印,是所有固体物理学教科书及晶格动力学专著的标准参考文献,对于物理学家熟悉该分支学科,起了很大的作用。英国爱丁堡大学理学院院长、晶格动力学权威W. Cochran 在他写的《晶格中的原子动力学》一书的1973年版引言中说"玻恩和黄昆在1954年出版的《晶格动力学》,至今仍是这个学科的主要方面的权威著作"。许多著名的国外学者,如美国A.A. Maradudin,英国R.J. Elliot等,来华作学术报告开场白都说"我研究晶格动力学,是在学习了玻恩和黄昆合著的《晶格动力学》一书以后,受到教益和启发才开始的"
准二维系统光学声子的"黄-朱模型"
1965年以来,准二维系统的光学声子模式,一直是沿用由宏观介电模型导出的片层(slab)模。1985年,德国科学家M. Cardona组的短周期超晶格喇曼散射光谱实验表明,这种模式的对称性也许是有疑问的。但是国外许多同行并没有领悟到该实验的意义;个别学者认识到这在学术上提出了一个既有意义又令人困惑的问题,然而对解决它却束手无策。黄昆与朱邦芬是最早认识并解决了这个难题的人。1987年初,根据黄昆1950年代提出的两个模型:偶极振子模型[46]与连续介电模型,黄昆与朱邦芬设计了一个构思巧妙却十分简明的“偶极子超晶格”模型,这一模型与连续介电模型完全相容,而又是一个微观模型[47]。据此,据此,黄昆等指出,国际上沿用二十余年的slab模是不对的。不但因割裂界面模与类体模之间的内在联系而导致对称性有误,而且光学声子类体模的光学位移及静电势在界面处均应为节点。在分析错误原因的基础上,利用微观计算的结果,黄昆等给出了准二维系统光学声子的解析表达式。黄昆等提出的"偶极子超晶格"模型及准二维系统光学声子的解析表达式引起了国际上的普遍重视,国际学术界在大量文献把它称作“黄-朱模型”,有力地推动了这一研究领域的深入发展。“黄-朱模型”已作为该领域必读文献列入许多国外专著和研究生教材。例如由德国斯普林格出版社出版的研究生教材《半导体基础》,斯普林格出版社出版的“固体科学丛书”中两本专著《半导体及纳米结构的超快光谱》和《超晶格与其他异质结构: 对称性与光学现象》,均用多页篇幅详细地介绍了“黄-朱模型”。三篇主要论文被他人引用超过400次,黄昆等也在此基础上成功地提出国际上第一个超晶格光学声子喇曼散射微观理论,明确回答了为什么在体材料中电偶极跃迁禁戒的Frohlich散射在超晶格中是允许的原因。
黄昆和他的研究组还在超晶格电子态结构领域进行了富有成效的研究工作。黄昆等创造了一种用有限几个平面波展开计算超晶格空穴子带结构的方法,并将其用于量子阱中激子态,外电磁场下超晶格能带,一维及零维量子结构的研究,使我国在这个领域的研究大体上与国外平行,颇具特色。其中,对量子阱中四分量激子旋量态角动量的阐明,首次在国际上给出了正确的量子阱中激子光跃迁选择定则。黄昆研究组在半导体超晶格物理领域的研究成果,分别荣获中国科学院1989年自然科学一等奖和1990年自然科学二等奖。
治学之道
黄昆研究教学五十载,形成了自己鲜明的治学风格。回顾半个多世纪科学研究经历,黄昆总结为,对一个做科学研究工作的人来讲,“一是要学习知识,二是要创造知识。归根结底在于创造知识”。他把自己之所以能在短短的留英六年以及文革后十年的科学研究中取得若干开创性成果,归纳成两句具有黄昆特色的名言:
(1)“学习知识不是越多越好,越深越好,而是要服从于应用,要与自己驾驭知识的能力相匹配。”
(2)“对于创造知识,就是要在科研工作中有所作为,真正做出点有价值的研究成果。为此,要做到三个‘善于’,即要善于发现和提出问题,尤其是要提出在科学上有意义的问题;要善于提出模型或方法去解决问题,因为只提出问题而不去解决问题,所提问题就失去实际意义;还要善于作出最重要、最有意义的结论。”
黄昆善于用简明模型解决复杂问题,从而发展新的理论。例加,极化激元的提出源于“黄方程”,而准二维系统光学声子模式的确定则是建立在“黄昆偶极子点阵”模型基础上的。他认为,“简化的原则就是针对分析问题的目的,尽可能地消除次要因素,同时不影响问题的主要因素”。
黄昆每研究一个问题,每评阅一篇论文,喜欢“从第一原理出发”,即先不看已有文献,独立地从最基本的概念开始。这样,黄昆觉得思路不受他人的束缚,研究有了主动性。正是这种“从第一原理出发”的治学风格,使黄昆的研究工作往往具有学术上的开创性与重要性,凡以他姓氏命名的理论皆是例证。
严谨是黄昆治学上的又一特征。对于自己所研究问题的每一环节,黄昆都要反复推敲,有时经过“否定之否定”才得到一个正确的结论。黄昆不赞成用过于烦琐的数学方法来研究物理问题,然而在需要数学推导及计算时,他又十分仔细,反复多遍。黄昆与他的学生一起做的工作,通常在他的学生做数值计算的同时,黄昆也用简化模型在家中一台64K 微机或计算器上作平行计算,以确保计算结果的可靠性。即使在论文文字表达上,黄昆也字斟句酌,数易其稿,力求完美。不仅自己身体力行,黄昆也严格要求中青年科研人员,对他们撰写的论文,往往多次修改,以致密密麻麻的修改意见有时候掩盖了原稿。正是这种严谨的精神,黄昆的研究成果经得起时间的考验。
大师风范
黄昆工作异常勤奋。他认为基础研究,不象一些具体任务,看起来是一种不松不紧的工作,要看书,要思考,每一点都要反复推敲,不能草率行事。因此,对待研究工作若没有一种内在的紧迫感,便会一事无成。黄昆在办公室除了讨论问题,往往一坐半天,不停地写、算、思索。黄昆年过古稀,仍坚持在第一线工作。甚至在家中,在节假日,他还经常伏案工作。
黄昆是一位有声望的科学家,但在研究集体内却是提倡和发扬学术民主的楷模。讨论问题时他从不以权威自居,即使与初出茅庐的年青人讨论,也虚怀若谷、平等待人。年青人的工作在他指导下出了成果,只要主要工作不是他亲自做的,他绝不同意在论文上署名。
黄昆献身科学,永攀高峰,在事业上勇于进取,但在自己的生活上却是低标准。他一直到获得国家最高科技奖以后,仍住在刚回国不久由北大分配的一套二室一厅的普通公寓里。中科院几次三番动员他换房,都被他婉言谢绝了。一直到去年,由于行动不便必须坐轮椅,黄昆才搬到黄庄的一套一楼的公寓中住。黄昆公私分明,从不占国家一丝一毫便宜,相反,他却自己支付大量国内外工作信函的邮资。1987年他应邀去广州参加全国半导体物理学术会议,按说应该由公家报销旅费,但黄昆却以未能自始至终参加会议为由,自己承担往返机票。提起黄昆的律己精神,凡是熟悉他的人无不敬佩。
1999年黄昆先生确诊患帕金森症,近年来又受到各种疾病的困扰,但是,尽管病魔缠身,他还始终关心记挂着自己为之奋斗了六十余载的物理学事业。如今,一位杰出的物理大师在世界物理年中驾鹤仙逝,我们在痛惜中国物理学界的损失同时,更应当秉承先生治学为人的风范,为我们国家的科学事业的腾飞做出我们应有的贡献,以告慰黄昆老先生。
(作者 朱邦芬)