谢玉铭——本该是第一个获诺贝尔物理奖的中国人

谢燕颉

谢玉铭，字子瑜，1893年６月５日生于福建省晋江县祥芝乡赤湖村（今属石狮市），４岁丧父，随母亲迁居泉州城内，家庭生计全靠母亲一人维持。养正小学毕业，培元中学毕业。由于学习成绩优异，被母校推荐进入北通州协和大学（燕京大学前身）。1917年大学毕业后回到培元中学，担任物理、数学教员，因英文很好，还担任英语会话及语法的教学工作。

1921年，燕京大学物理系聘请他回校担任物理实验等课程的教学。1923年，他获得“洛克斐勒基金”资助赴美留学，进入哥伦比亚大学研究生院攻读物理学，一年后获硕士学位。为向名师求教，旋即转学到芝加哥大学继续攻读物理学。

那时著名的物理学教授、诺贝尔奖获得者Ａ．Ａ．迈克尔逊和R．A．密立根均在该校物理系任教。谢玉铭曾在迈克尔逊的指导下从事光干涉的研究，1926年获得博士学位。

谢玉铭学成后遵约回燕京大学，初任副教授，后任教授，1929年至1932年任物理系主任。“九．一八”事变后，谢玉铭在物理系普及无线电收发报技术教学，并组建通讯组向全校公布抗战消息，激发了广大师生的爱国热情。

1932年，谢玉铭再度获得“洛克菲勒基金”资助赴哥伦比亚大学，就任客座教授。在此期间，他和Ｗ．Ｖ．胡斯登合作，开展了“氢原子光谱精细结构”的研究，并获得极为准确的实验结果，1933年9月合作撰写了《氢原子光谱Ｈ阿尔法线的精细结构》著名长篇论文。1934年2月，该论文在《物理评论》发表杂志上，由此引起物理界的震惊，导致“重整化问题”的进展。

这是是物理学界的一件大事，这项重大的科学研究成果是对科学事业的巨大贡献，按照后来的情况来看，他们完全可因此获得诺贝尔物理奖，但由于种种原因未果。

谢玉铭与W．V．胡斯登进行的研究，最初的目的是精确测定在光谱学和量子电动力学中均有重大意义的“阿尔法常数”。它在光谱学中称为“精细结构常数”，在量子电动力学中则被称为“耦合常数”。

1930年，大部分实验结果都一致认为阿尔法常数值为1/137，并已确知阿尔法常数只与电子电量、普朗克常数和光速三个常量有关。阿尔法常数因此把三条基本理论联系起来，引起了许多物理学家极大的兴趣。著名物理学家W．K．海森伯和W．泡利，希望能探究出阿尔法常数为什么是1/137，而不是其他值，还认为，如果揭开这个谜底，即可以解决量子电动力学“重整化问题”。而著名天文学家Ａ．爱丁顿则把阿尔法常数视为“揭开宇宙结构之谜的钥匙”。

由于对阿尔法常数的极大兴趣，几个实验组都在从事氢原子光谱的精细结构研究。

原子光谱与核外电子在原子的能级间的“跃迁”相关，原子的能级又与阿尔法常数相关。根据W.A.M.狄拉克理论，可计算出氢原子能级；而根据选择定则，则可确定哪些能级间存在“跃迁”发生的可能，因而可在理论上预知氢原子该有怎样的“光谱结构”。

反之，根据实际观察到的氢原子“光谱精细结构”，则可测量出常数阿尔法常数值。

迈克耳逊和莫雷曾使用干涉仪，对氢原子光谱可见光巴尔末线的第一条和第二条谱线进行了实验观察，发现第一条谱线是双线结构，且彼此的间隔很小，测得第一条谱线两峰的波长差仅为0．135埃。在表观上还因强度各异而构成细微相距的双峰，谢玉铭和胡斯登曾把这两峰分别称为“紫峰”和“红峰”。

两峰的频率差的理论计算值，对于贝达线为0．3440。谢玉铭和胡斯登利用“法布里——珀罗干涉仪”，在严格控制可能引起实验误差的条件下，进行了仔细的数据处理，但是其实际测定值还是比理论计算值小，为0．3298，两者相对值为0．959，约96%。

对于阿尔法线双线测量的间隔，谢玉铭和胡斯登测量的为0．317～0．320，威廉所测的为0．319，德邻握特所测的为0．316。阿尔法线的频率差的理论值为0．328，相对值也同样是理论计算值的96%。

褚圣麟在他所著的《原子物理学》（人民教育出版社）第四章中引述了他老师谢玉铭及合作者的实验结果：“后来有好些人进行过这样的测量。胡斯登和谢玉铭精密测量了这双线的间隔，测得的数值肯定只是按上文（7）式算得的96%。”

其他巴尔末线系谱线也得到相似的结果。这样一来，就相当于要把阿尔法常数值从原来的1/137改变成1/139．9。

但是，由于阿尔法常数只由几个常数决定，又已得到了精确测定，因此，要做这样大的修正，理所当然地令人难以接受。如谢玉铭和胡斯登实验所达到的精确度，就足以排除产生这个差异的实验来源。

为此，谢玉铭和胡斯登向《物理评论》撰写的论文，首度全面详细地介绍了他们的实验方法、数据处理以及实验结果，并且大胆提出：“这个差异如此之大，它不可能是构成阿尔法的几个常数的测量误差所引起的。我们不能不得出这样的结论：‘我们所用的理论不足以解释实验结果。’”

他们还进一步指出：“产生这个差异的原因，可能是计算能级时，没有考虑电子和它的辐射场的相互作用。”意思是差异产生于后来才被称之为“自具能”的影响。

今天回过头去看，谢玉铭和胡斯登的实验、结论和进一步分析都是完全正确的。他们的这一重要提议，后来（1947——1948年）成为量子电动力学“重整化理论”研究的主要发展方向。

令人遗憾的是，谢玉铭与他的合作者最先采用“光学方法”所得出的、后来被称之为“蓝姆移位”的结论，当时并没有引起科学界的充分注意，导致他们与诺贝尔物理奖失之交臂。

原因是当时各实验组所使用实验手段和实验结果不尽相同，特别是没有互通情况而进行全面分析整合，这是包括权威人士在内的几乎所有人们认识上的混乱所致，使这个完全正确的结论未被引起重视。

当时加州理工学院的F．H．斯佩亭小组和康奈尔大学的R．C．吉布斯小组，虽然也得出了类似“实验值小于理论值”的结果，但斯佩亭小组在当年年末就发表了文章否定自己原先的结果，宣称经过“数据再处理”后“实验和理论相符”；而吉布斯小组继谢玉铭和胡斯登之后虽也发表了论文，却认为实验和理论不符是因为ｎ为2的两个能级并不相同，有一个小的相对移位，没有从理论上提出何以会产生这个移位。

正是由于他们各自不同的结论，因而淹没了谢玉铭和胡斯登的正确结论，也没有引起当时理论物理学界的足够重视，就是名重一时的理论权威Ｐ．狄拉克和Ａ．索末菲等人也未从理论上去找原因，而更多的则是认为是实验本身出了问题。

时逢第二次世界大战期伊始，由于许多物理学家均参加了与战争有关的科学研究的缘故，致使对谢玉铭和胡斯登的实验结论的混乱看法，在经过好多年以后才得到澄清。

谢玉铭和W．V．胡斯登在氢光谱巴耳末系的精细结构的研究中，以实验测定精细结构常数阿尔法常数值，结果发现实验光谱线间距小于相对论理论计算值，且其差异又超出了实验误差的可能范围；要解释这种差异，不能将理论计算的阿尔法常数值从1/137改为1/139.9，谢玉铭与合作者大胆提出，产生这个差异的根源可能是理论计算中忽略了电子和辐射场之间的相互作用。

谢玉铭回国后，1937～1938年间谢玉铭的合作者W．V．胡斯登指导同样来自中国的朱正元再做相关的实验。他们对具有空心阴极的液态空气冷却放电管，使用干涉仪测量该管所发射的电离氦的λ4686谱线的精细结构，具体测定组线间的相对强度和位置，结果是其实验值与理论预言大致符合，再度证实了他和谢玉铭提议的正确性。

十五年后，W．E．蓝姆等人以“微波共振法”重新研究氢原子光谱得出的结论，完全证实了谢玉铭及其合作者的提议的正确性。

从1937年开始，加得福尼亚州斯坦福大学W．E．蓝姆在Ｅ．李瑟福的协助下，采用射频波谱学方法研究氢原子光谱，经过无数次失败后，终于在1947年准确地测定了ｎ为２的两个能级，发现其中确有一个4．4×10^－６电子伏特的移位。

众人所从事多年的这项“重整化实验”研究工作，最终至蓝姆才引起物理学界的巨大震惊。1955年蓝姆因此皆对电子磁矩作出精密测定的哥伦比亚大学物理学家库什双双共获同一项诺贝尔物理奖。

科学的步伐从来就不会停止。不久H．贝特在理论上完成了“自具能”修正计算，将“重整化理论”工作进一步推向深入。1947年～1948年，日本理论物理学家朝永振一郎、美国理论物理学家J．S施温格和R．P范曼三人在继续从事“重整化理论”研究。

他们从不同的观点出发，各自独立地去研究相同的一个问题；并且分别提出了避免同一困难的办法，即解决在采用量子电动力学来计算任何电磁相互作用现象作高次近似计算时，得到的结果总是无穷大的问题；同时又得出了与爱因斯坦相对论相一致的量子电动力学公式，而成功地解释了某些电磁现象中极为精细的效应——蓝姆位移；还证明了该公式在测量和解释原子、亚原子粒子行为中是极为有用的价值，因此他们共同获得1965年度诺贝尔物理学奖。

胡斯登、谢玉铭所采用的实验手段虽然与蓝姆等人不同，但是他们的研究方向完全相同，研究结果也完全相同。因为谢玉铭和W．V．胡斯登的“氢原子光谱的研究”与“重整化的实验”、“重整化的理论”就本质、结论和研究方向来说是完全一致的。

但是，境遇却并不相同，这理所当然地会引起关心这一重大工作的人们的关注。科学的本质是“是事求是”，历史也总会作出公正的论断。1986年初出版的《第二次创造——20世纪物理学革命的缔造者》作者，物理学史作家克里斯和曼在该书中对W．V．胡斯登和谢玉铭发表在《物理评论》上的论文推崇备致，认为该文在当时作了一个“从现在看来是惊人的提议”！

1986年3月，杨振宁博士在纽约购买到了这本书，当他看到该书对W．V．胡斯登和谢玉铭工作的推崇后，立即感觉到其之一的“Y．M．Hsieh”，应该就是复旦大学校长谢希德的父亲谢玉铭。

无巧不成书。谢希德恰好正在美国访问，还打通了杨振宁的电话，以进行有关学术交流、讨论。杨振宁正要找好，就问她谢玉铭教授是否在20 世纪30年代初曾在加州理工学院与W．V．胡斯登合作过？当得到她肯定的回答后，杨振宁博士兴奋地告诉她，关于《第二次创生——20世纪物理学革命的缔造者》所记述的事情。

“你知道不知道你父亲那时的工作很好，比蓝姆有名的工作早了十多年，而且蓝姆的结果证明你父亲的实验的正确的？”

“我从来不知道，当时他只告诉我在从事很重要的实验。”

“你们父女都是研究物理的，蓝姆1946年到1947年的工作引起震惊时，你已是物理学工作者了，他怎么没有和你谈起他自己30年代的工作呢？”

“说来话长，我们没有机会。家父建国前去了菲律宾，他写信要我留在美国或英国。我于1952年回国，回国后曾多次给他老人家写信。我猜他对我不听他的话很不高兴，所以我们始终没有机会讨论他早年的工作。”

后来谈起此事，杨振宁博士不胜惋惜，认为当时要不是产生了那场混乱的辩论的话，那么W．V．胡斯登和谢玉铭应该早在20世纪30年代，或者迟至40年代就已获得了诺贝尔物理学奖，那么中国人获得该奖项恐怕也就提前了几十年。

对于W．V．胡斯登和谢玉铭的这一巨大贡献， 1989年12期和1900年第11期《今日物理》杂志，以及Ｈ．克拉齐（Krach）所著的《狄拉克传记》一书，均把用“光学方法”发现“蓝姆移位”这项杰出工作的首功，归于W．V．胡斯登和谢玉铭，这项工作确实在光谱学和量子电动力学发展史上具有里程碑的重要意义。

被誉为“氢原子光谱研究之父”谢玉铭，一生爱国、爱校、献身科学。他不仅是著名的物理学家，而且是著名的教育家。他对早期燕京大学物理系以及抗战时期厦门大学的建设和发展，均做出了重要的贡献，为我国培养了许多优秀人才。

谢玉铭为了教育事业，造就有用人才，贡献了毕生精力。他虽没留下什么物质财产，却为后人留下了宝贵的精神财富。

他的女儿、著名物理学家、中科院院士、上海复旦大学校长、中国科学院数理学部委员、中国物理学会副理事长、原上海市政协主席兼党组书记谢希德曾经说，就在我1986年访问美国期间，在芝加哥才得悉家父已于3月20日在台湾孤独离世，享年91岁（1895年至1986年）。父亲是在此十多年前，自菲律宾退休以后搬去台湾的。我们父女之间40年没有见面了，也没有任何的书信往来。但是我知道他内心一定惦记着家人，惦记着我……。

他的才华、精神和对人类的贡献，人们也永远不会忘记。