夏建白

    今年7月6日将是黄昆先生逝世三周年了，作为黄昆先生的学生，我印象最深刻的是他的教学和研，我只听过黄昆先生的一门课“固体物理”。关于听这门课的感受，我已经在《自主创新之路》中一篇回忆文章中写道，是这门课指引我选择了固体物理和半导体物理的方向。

    大家都感觉到黄昆先生的讲课或者报告有一个鲜明的特点：物理概念清楚，深入浅出，把深奥的物理原理用形象的模型加以说，最近我查了一下早年的《物理通报》，发现在1954～1956年间，正当黄先生在北京大学物理系教“普通物理”课的时候，结合教学准备工作，发表了不少有关普通物理教学的文，这些文章没有收入《黄昆文集》、SelectedPapersofKun Huang从中可以看出黄先生对教学工作认真负责的态，他深入钻研，提出问题，然后按照自己的思路、理解去教给学生，而不是照搬书，下面我列出这些文章的题目：

    这些文章光看标题就够吸引人的，说明黄先生回国以后，服从国家需要，暂时放弃他所从事的研究工作，全心全意地投入到普通物理教学工，据回忆，他上每一堂课，都要花几倍于一堂课的时间做准，这些文章都是他教学的心得，都带有他鲜明的个性，也就是对任何问题，不迷信书本，不迷信前人怎么说，而是从自己的角度理解、消化，然后按照自己的观点教给学生。

    在《表面张力》一文中，黄先生清楚地表明了他对教学的态，他说：“在中学和大学的普通物理课程中都要讨论表面张力的现象，而且通常还用分子理论说明它的原，但是所有通用的课本对于这问题的讨论都很不恰当，即使不算是错误，也是十分模，因此每教到这里，教师就遭遇很大的困，一年以前，在北京大学担任普通物理课的教师们和我一起对问题做了深入的讨论和分，通过一段时期的摸索，我们终于能够根据明确的物理形象分析表面张力发生的原因，并且也在同样的基础上解决了接触角以及表面能的问，”

    例如，在《对于不引用磁极概念讲电磁学的一些意见》一文中，黄昆提出：“磁性固然是与电流相联系着的普遍现象，而又同时是某一些物质所特有性质的表，为了解决磁性这一个双重性质的问题，安培（Ampere）提出了磁性物质的磁性是由于分子电流所产生的假，”因此黄昆讨论了如何更好地引入磁场的概念、定义磁场的单位，磁极概念在什么场合下可用，以及如何建立磁介质中分子电流的模型等。

    在《分子物理学中的几个问题》一文中，黄昆提出：“分子物理学是从物质是由分子所构成的这一观点来研究物体的性，这句话并没有反映分子物理学的本质……”“因此，我们可以更为确切地说明，分子物理学所研究的对象乃是：包含大量分子的系统所遵循的客观规，”他指出了研究分子物理学的规律时，力学规律和统计物理学之间的区别和联系；如何在没有学过微积分的基础上，导出麦克斯韦（Maxwell）速度分布率及统计规律和涨落问题；以及气体的迁移现象中，热导规律、黏滞规律、扩散规律的共性和个性等。

    《物理通报》“问题讨论”栏中的文章则是带有专题的性质，就某一个具体问题进行深入、细致的探讨，其深度是以前任何教科书中所没有，大家印象最深刻的是《液体的性质》和《弯月面和毛细现象》。

    在《液体的性质》一文中，黄昆指出，虽然“压强”的概念为大家所熟知，但是压强是如何产生的，如何从分子的概念来解释压强的产生，大多数人就不一定清，黄昆从分子论出发，说明分子之间同时存在吸引力和排斥力，压强等于相互斥力减去相互吸力；以及压强是如何传递的，分子压强是如何产生的等。

    《弯月面和毛细现象》一文是为了澄清当时高中物理教科书中关于液体性质，特别是弯月面和毛细现象的一些错误概念和解，黄昆指出：“液体一方面在它的自由表面以内有着薄薄的一层，其性质和液体内部不同，表现着表面张力的现象；而另一方面，在和固体相接触的面内也有薄薄的一层（下称附着层），性质也和液体内部不同，这附着层也表现出和表面张力十分类似的现象；和自由表面层的区别只是在于：自由表面的表面张力永远是一个收缩力，而附着层内存在的可能是一个收缩力，也有可能是一个展延，”根据这一观点，就可以很自然地解释了浸润液体在毛细管内的上升和不浸润液体在毛细管内的下降等现象。

    这几篇文章和讨论，对于今天从事高中物理和大学普通物理教学的老师都有现实的指导意，不单是指具体问题而言，更重要的是可以从中学习如何发现问题，提出直观的物理模型（而不是复杂的数学模型），以及采取适当的数学工具来解决问题，从这一过程中培养学生对学习和研究物理学的兴趣，学到真正有用的知识。

    在20世纪50年代有一个很好的传统，就是一些大物理学家亲自回答中学生或者大学生提出的物理问题，登载在《物理通报》的“问题解答”栏，这些大专家们有着深厚的物理基础，但是他们不是用抽象的概念、繁琐的数学，而是用形象的模型、通俗易懂的语言，好像和中学生、大学生面对面谈话一样，耐心解答他们的问，这些问题解答实际上就是现在所说的科普文章最好的典范，而黄昆先生就是其中的佼佼，从他回答的四个问题就可以看出这些问题背后深厚的物理背景和科学普及的技巧。

    例如，在对导体的电阻随温度而升高的解答中，介绍了电子在固体中的运动、布洛赫（Bloch）原理以及晶格振动引起电子的散射等概，在接下来对合金电阻的解答所引起的电阻以及无序效应产生的局域化问题，但是在解答中并没有用到这些专门的术语，而是用通俗易懂的概念和语言做出了回答。

    最有趣味的是上大下小和上小下大两种容器的问题，如果底面积相同，则液体对底面的压力相等，而重量却不，解答是：“多余液体和不足液体的重量都通过侧壁的压力加以补，”还有在交变电流中导线内的电子是否做往返运动的问题。解答是：“导线中的电子都作速度很快的无规运动，总电流为，电场下电子有一个整体漂移速度，比无规运动速度小得多，电流由漂移速度决，交变电流中，只是漂移速度随电场方向而变，每个电子的无规运动基本不，”

    这些文章和问题解答虽然是在五十多年前发表的，但很有现实意义，同时又令人饶有兴，更重要的是，它们从一个方面反映了黄昆先生的教学活动和学术思，它们以前都没有收入黄昆先生的文集，所以这次我建议本书的编者将它们作为附录收入本书，以留做纪念和后人研究黄昆先生的资料。

    黄昆先生在教学工作中所反映的学术思想和在研究工作中的学术思想是完全一致的，就是注重物理概，黄昆深受他的导师莫特教授的影响，他在《生平自述》一文中提到，在布列斯托大学除去完成博士论文外，十分重要是深受莫特治学特点的影，他善于抓住复杂事物的本质，采用简单的物理模型和数学手段分析解决问，另外，他不崇尚泛泛的博学多闻，而是集中精力专注于思考解决他感兴趣的科学问，我在1962年考取黄昆先生的研究生，读研究生期间有一次重要的考试“固体理论”。为此我下了很大工夫，将几本经典的固体理论书都仔细阅读了一，考试是口试，考官除了黄先生外，我记得还有甘子，考试基本还算顺利，但最后一个问题把我卡住了——什么是声子、格，要写数学公式，我会写，但要说出其中的物理含义，我答不上来，结果得了个4分，没有满分，心里很不痛，但从此吸取了教训，就是研究任何问题，首先要抓住事物的本质，了解它的物理概念，然后再考虑如何建立模型和采用什么数学方，这一点教训我永远牢记，在以后的研究工作中尽量努力地去做到，并以此来要求和培养我的学生。

    1977年黄昆先生调任中国科学院半导体研究所所长，当时他除了担任行政领导以外，还非常希望自己做一些研究工作，因为他在《自叙》中说：“我在北大的年代中，基础研究由于种种干扰始终没有搞起来，我的研究生涯中断了30年，我要把几十年基础理论的发展认真的补上恐怕是做不到，所以我拿定主意，承认这个局限性，只去做自己能做的问题，但是要坚持自己动手做第一线的具体工，”当时他考虑到半导体所的研究人员在半导体物理方面的基础较弱，又经过“文化大革命”十多年的中断，所以他决定先给研究人员讲课，补充半导体物理基，他亲自准备，开了“半导体能带计算”课，包括了前言、周期场中的电子、自由电子和能带等10次，他还是保持了过去讲课的一贯风格，把比较复杂的能带计算理论讲得使大多数人都能接受，有的地方还一步一步推，讲课在城里老半导体所办公楼兼单身职工宿舍的屋顶平台上进行，每人自带板凳，每次座无虚席，挤得满满当，这个讲课稿由朱其高和理论组等人整理，最后在《黄昆集：祝贺黄昆先生八十华诞》和《黄昆文集》（摘选）中发表。

    1991年，在黄昆先生亲自指导下，超晶格国家重点实验室成立了，在国内首先开展了半导体超晶格的材料生长、实验和理论方面的研究工，为了尽快地赶上和超过国际水平，黄先生非常注意国际研究动态，将国际上研究的热点及时介绍给大，在20世纪80年代初期，他做了《拉曼散射》和《调制掺杂异质结的量子霍尔效应》的学术报，量子霍尔效应是冯·克利钦（K。vonKlitzing）等人于1980年发现的，为此冯·克利钦获得了1985年诺贝尔物理学，超晶格拉曼散射也是当时国际上的研究热点，我们实验室正开始这方面的实验和理论研，黄先生的这两个报告及时为我们提供了有关信息和必要的理论基，这两个报告也同样是注重物理概念，尽量避免或者少用数学公，如量子霍尔效应，本来是一个很抽象的概念，黄先生从二维电子气在磁场中的磁能级、态密度讲起，再介绍无序导致的朗道（Landau）能级局域化以及Laughlin理论等，由浅入深，使大家对量子霍尔效应的原理和意义有了一个深刻的了，这两篇学术报告已收入《黄昆文集》。

    黄昆先生离我们而去，他作为一位伟大的科学家，作为一位谆谆诱导、诲人不倦的导师，将永远活在我们心，他的献身祖国科学、教育事业的精神，他的学术思想、学术风格将一代一代地传下去，永远指引着我们前进。

    致谢作者感谢沈克琦老师提供黄昆先生在《物理通报》1953年4月号上发表的《表面张力》一文。

    作者简介

    夏建白，中国科学院院士，中国科学院半导体研究所研究员、博士生导，1962年毕业于北京大学物理系，1965年研究生毕，从事半导体和半导体超晶格、微结构理论研，曾获1993年和2004年国家自然科学二等奖、1989年和1998年中国科学院自然科学一等奖、2005年何梁何利科学与技术进步奖。

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