“聲子”是現代物理學(xué)中的重要概念，其英文名稱(chēng)“phonon”于1932年被正式提出，而這一年也是中國物理學(xué)會(huì )成立的時(shí)間。值此“phonon”誕生和中國物理學(xué)會(huì )成立90周年之際，文章簡(jiǎn)要追溯了phonon這一概念誕生的歷史背景、20世紀30—40年代phonon的引用和傳播情況、phonon傳入中國物理學(xué)界的歷程和早期發(fā)展情況等?？梢钥吹?，“聲子”的誕生，與統計物理的發(fā)展、量子力學(xué)以及量子場(chǎng)論的誕生，緊密相連，密不可分?；仨@段歷史是為了更好地啟迪今日，走向未來(lái)，創(chuàng )造新的歷史。
撰文 | 謝夢(mèng)祥、任捷（同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院 聲子學(xué)與熱能科學(xué)中心、上海市特殊人工微結構材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室）
來(lái)源 | 選自《物理》2022年第12期
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引言
聲子 (phonon)1)，固體振動(dòng)的量子化表征，是第一個(gè)被引入物理學(xué)中的“元激發(fā)” (或稱(chēng)“準粒子”)。其概念的出現引領(lǐng)了在凝聚態(tài)物理中引入各種集體激發(fā)的熱潮。近年來(lái)，聲子帶隙晶體、拓撲能帶、壓縮相干態(tài)、聲子自旋等概念在聲子物理學(xué)領(lǐng)域中廣泛應用，提供了新的聲子調制手段，在熱調控、聲振動(dòng)調控、量子物態(tài)調控和量子傳感等方面展現出誘人的前景。
在“phonon”提出90周年這一特殊時(shí)間，我們對其誕生前后的歷史進(jìn)行了系統性地考證和梳理，對phonon何時(shí)被翻譯為“聲子”并在中國得到傳播進(jìn)行了詳細追溯，以期向讀者更充分地展示phonon的前世今生。本文共分6章，在第2章中我們回顧了phonon誕生的歷史背景，展示了聲子物理研究觀(guān)念從經(jīng)典到舊量子論，再從量子力學(xué)到量子場(chǎng)論的轉變。第3章主要梳理了phonon提出后在國際上的傳播情況，主要包括蘇聯(lián)內部 (phonon的提出者為蘇聯(lián)人)、美國學(xué)界以及歐洲學(xué)界(以玻恩學(xué)派為主) 對phonon這一名詞的使用情況。第4章將視角從國際轉回國內，詳細考證了中國物理學(xué)會(huì )主持的物理學(xué)名詞規范工作，對phonon何時(shí)引入中國并翻譯為“聲子”進(jìn)行了追溯。海外留學(xué)歸來(lái)的中國物理先輩們對聲子概念傳播、聲子物理學(xué)科建設做出了重要貢獻。phonon提出后，物理學(xué)家圍繞其“實(shí)在性”也進(jìn)行了許多思考。這些思考從不同角度促進(jìn)了物理觀(guān)念的變革和物理理論的發(fā)展。我們在第5章中將對此進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。
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Phonon誕生的歷史背景
對物理學(xué)而言，20世紀初是一個(gè)群星璀璨、天才輩出的時(shí)代。phonon的提出很難歸功于某個(gè)天才富有洞見(jiàn)的靈光一閃，而是建立在眾多物理學(xué)家為其搭建的基礎之上的?；门ｎD的名言，phonon的誕生是站在多個(gè)巨人肩上取得的成功。
這一切要從經(jīng)典能量均分定理在固體熱容問(wèn)題中的失效講起。1876年，玻爾茲曼通過(guò)假設固體中的粒子都在做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，利用能量均分定理得到固體熱容是一個(gè)與固體種類(lèi)、溫度無(wú)關(guān)的常數，成功解釋了1819年實(shí)驗發(fā)現的杜隆—珀蒂定律 (Dulong—Petit law) [1]。但進(jìn)一步實(shí)驗表明，在低溫時(shí)熱容不再保持為常數，而是隨著(zhù)溫度的下降趨于零，這與經(jīng)典能量均分定理得出的結論矛盾。眾多科學(xué)家為此做出嘗試卻始終無(wú)法解決這一難題。開(kāi)爾文在1900年4月發(fā)表的著(zhù)名演講《在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀烏云》(“Nineteenth century cloud sover the dynamical theory of heat and light”) 中，將固體比熱的實(shí)驗和能量均分定理間的矛盾稱(chēng)為19世紀熱和光的動(dòng)力學(xué)理論上空的“第二朵烏云”[2]。
除此之外，傳統能量均分定理在黑體輻射中的失效同樣如陰霾般籠罩在許多物理學(xué)者的心頭。1900年10月，普朗克通過(guò)內插法得到的黑體輻射公式和實(shí)驗數據十分吻合，這給了普朗克解決這一陰霾的希望。他開(kāi)始尋找隱藏在該公式背后的物理實(shí)質(zhì)，發(fā)現不得不假設線(xiàn)性諧振子的能量必須存在最小的能量單元hν。1900年12月24日，普朗克在德國物理學(xué)會(huì )的演講《關(guān)于正常光譜的能量分布定律》 (“On the law of distribution of energy in the normal spectrum”，1901年發(fā)表于《物理年鑒》[3]) 中，正式提出了“能量量子”這一概念，揭開(kāi)了20世紀量子論的帷幕。而這一天，如今也被公認為“量子論的誕生日”。
這場(chǎng)席卷整個(gè)物理領(lǐng)域的量子觀(guān)念革命啟發(fā)了眾多天才的物理學(xué)家，在解決“第二朵烏云”的固體熱容問(wèn)題中起到了關(guān)鍵作用。Phonon作為固體振動(dòng)的量子化，也在這場(chǎng)貫穿20世紀前半葉的革命中逐步展現在世人眼前。
2.1 固體中的波：從經(jīng)典到量子
作為量子論的提出者，普朗克在很長(cháng)時(shí)間內其實(shí)并不看好這一理論，他回憶當年引入能量量子化，稱(chēng)其為“一次絕望的舉動(dòng)”[4]。真正拿起量子化這柄利劍刺向“烏云”的是愛(ài)因斯坦 (圖1(a))。1907年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了關(guān)于固體熱容問(wèn)題的研究結果[5]。他基于簡(jiǎn)諧振子模型，采用了普朗克處理輻射的量子形式來(lái)描述諧振子能量。換言之，愛(ài)因斯坦將能量量子化這一假設引入到了固體振動(dòng)中，考慮到三維晶格具有3個(gè)方向的振動(dòng)自由度，將所有自由度的量子化能量求和并對溫度求導，便得到了比熱容公式：
圖1 愛(ài)因斯坦、德拜的頭像和德拜原始文獻圖片 (a) 阿爾伯特·愛(ài)因斯坦(1879—1955)；(b) 彼得·德拜(1884—1966)；(c) 德拜原始論文中熱容與實(shí)驗數據的對比圖[6]。原圖中的實(shí)驗數據用紅色五角星凸顯，為了強調愛(ài)因斯坦模型和德拜模型的差異，在原圖基礎上用紅色虛線(xiàn)繪制了愛(ài)因斯坦的熱容?？v軸中C∞=3NkB即經(jīng)典理論的固體熱容值，橫軸為開(kāi)爾文溫度K
愛(ài)因斯坦模型肯定了量子理論在固體振動(dòng)研究中的正確性，但就此宣告“烏云”已經(jīng)被徹底驅散還為時(shí)尚早，原因是在低溫時(shí)愛(ài)因斯坦的理論值與實(shí)驗值存在一定的偏差。1911年，愛(ài)因斯坦離開(kāi)蘇黎世大學(xué)，德拜 (圖1(b)) 接任愛(ài)因斯坦職位的同時(shí)也著(zhù)手考慮尚未完全解決的固體熱容問(wèn)題。在1912年發(fā)表的文章[6]中，德拜對愛(ài)因斯坦模型中“原子運動(dòng)形式為頻率相同的簡(jiǎn)諧振動(dòng)”這一假設提出了改進(jìn)，指出：
“由于原子間相互作用效應較強，振動(dòng)原子不會(huì )做單純的周期簡(jiǎn)諧運動(dòng)。而如果對原子運動(dòng)進(jìn)行傅里葉分解，那么原子的振動(dòng)可以看作不同頻率振動(dòng)的疊加?！?/span>
同樣在1912年，玻恩 (圖2(a)) 和馮·卡門(mén) (圖2(b)，錢(qián)學(xué)森的導師，“空氣動(dòng)力學(xué)之父”) 二人在論文《關(guān)于空間格點(diǎn)的振動(dòng)》(“Uber Schwingungen im Raumgitter”)中，通過(guò)引入周期性邊界條件 (即現在著(zhù)名的玻恩—馮·卡門(mén)邊界條件)，在僅考慮最近鄰原子相互作用的基礎上得到了雙原子晶格的振動(dòng)譜，并進(jìn)一步得到了固體熱容的表達式[7]。雖然這一工作從更加貼近固體微觀(guān)振動(dòng)的實(shí)質(zhì)角度描述了復雜晶體的熱容，但德拜模型在保證精度的同時(shí)更加簡(jiǎn)潔、易于理解，因此在當時(shí)科學(xué)界中傳播和影響更加廣泛。不過(guò)玻恩和馮·卡門(mén)的工作在久遠的歷史長(cháng)河中經(jīng)受住了時(shí)間的考驗，其開(kāi)創(chuàng )性地引入了晶格振動(dòng)的簡(jiǎn)正模 (normal modes)、色散關(guān)系等重要概念，并將振動(dòng)分為象征著(zhù)晶胞整體運動(dòng)的低頻聲學(xué)支 (acoustic branch) 和象征晶胞內部形變的高頻光學(xué)支 (optical branch)[7](圖2(c))。這一工作深刻揭示了固體中晶格振動(dòng)的特點(diǎn)，開(kāi)辟了真正意義上的晶格動(dòng)力學(xué)，為后續聲子物理的發(fā)展奠定了堅實(shí)基礎。
值得一提的是，玻恩還培養了大批中國學(xué)生和訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者，比如彭桓武、程開(kāi)甲、黃昆，間接為早期聲子物理在中國的扎根、發(fā)展做出了獨特的貢獻。我們將在第4章詳細闡述。
2.2 從波到phonon：量子場(chǎng)論的革命
在20世紀初量子力學(xué)和晶格動(dòng)力學(xué)發(fā)展的過(guò)程中，玻恩充當著(zhù)十分重要的角色。他憑借深厚的數學(xué)功底和富有遠見(jiàn)的物理思維一次次地開(kāi)拓著(zhù)物理學(xué)的邊界，晶格動(dòng)力學(xué)如是，量子力學(xué)亦如是。量子論在固體物理中的結果指出，晶格振動(dòng)由一系列能量量子化的簡(jiǎn)諧運動(dòng)組成，每一個(gè)簡(jiǎn)諧模式都是所有原子參與的集體彈性振動(dòng)，或稱(chēng)晶格振動(dòng)的格波。這些彈性波或格波如何從波的圖像轉變到聲“子”的圖像，則起源于1926年開(kāi)始的一場(chǎng)聯(lián)系波與某種?！白印钡摹皥?chǎng)量子化”觀(guān)念革命。而這場(chǎng)變革，也要從玻恩這里講起。
1926年，玻恩、海森伯 (Werner Karl Heisenberg) 和約當 (Pascual Jordan) 在開(kāi)創(chuàng )量子力學(xué)矩陣描述的同時(shí)，也最先將量子力學(xué)研究的目光從“粒子”轉移到“場(chǎng)”身上[8]。在這篇名為《量子力學(xué)II》(“Zur Quantenmechanik.II”，也常被稱(chēng)為“three man work”) 的文章中，他們同時(shí)實(shí)現了一維弦模型彈性振動(dòng)的量子化和真空中電磁場(chǎng)的量子化。在物理學(xué)史中，這篇文章宣告了一條與“粒子的量子化”不同的道路——“場(chǎng)的量子化”——的出現，被視為“量子場(chǎng)論”誕生的標志性文獻之一。
狄拉克在玻恩等人工作的基礎上進(jìn)一步考慮了場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用。在1927年發(fā)表的《輻射的發(fā)射和吸收的量子理論》(“The quantum theory of the emission and absorption of radiation”)中，狄拉克通過(guò)場(chǎng)的正則量子化成功解釋了自發(fā)輻射現象[9]。文章中，狄拉克指出：
“通過(guò)適當選擇粒子的相互作用能量，描述原子與電磁波相互作用的哈密頓量可以看作原子與某種以光速運動(dòng)并滿(mǎn)足愛(ài)因斯坦—玻色統計的粒子相互作用的哈密頓量(The Hamiltonian which describes the interaction of the atom and the electromagnetic waves can be made identical with the Hamiltonian for the problem of the interaction of the atom with an assembly of particles moving with the velocity of light and satisfying the Einstein-Bose statistics, by a suitable choice of the interaction energy for the particles)?！?/span>
作為第一篇“應用”量子場(chǎng)論思想解決實(shí)際問(wèn)題的文獻，它在量子場(chǎng)論的發(fā)展中具有重要的意義?；诘依颂岢龅恼齽t量子化方法，約當和維格納 (Eugen Wigner) (1928年)[10]，以及海森伯和泡利 (Wolfgang E. Pauli) (1929年)[11，12]很快將場(chǎng)與粒子間的聯(lián)系進(jìn)一步拓展：不僅光子可以認為是電磁場(chǎng)的量子，每種物質(zhì)粒子都可以看作對應的場(chǎng)的量子(quanta)。
圖3 《波動(dòng)力學(xué)：基礎理論》作者、封面及“phonon”的提出 (a) 雅科夫·弗侖克爾(1894—1952)；(b) 書(shū)籍第二版封面；(c) 書(shū)中第 266 頁(yè)，第一次提到 phonon；(d) 書(shū)中第 267頁(yè)再次闡述 phonon概念
那么反過(guò)來(lái)，表征彈性波或原子振動(dòng)格波的場(chǎng)是否也可以看成某種“粒子”呢？我們注意到同一時(shí)期，德布羅意在1924年就已經(jīng)提出了物質(zhì)波和波粒二象性。同時(shí)在1927年的兩篇文獻中[13，14]，德布羅意就開(kāi)始同時(shí)使用“l(fā)ight quanta”和photon (Lewis于1926年正式提出[15])了。1929年德布羅意獲得諾貝爾物理學(xué)獎，在客觀(guān)上也進(jìn)一步刺激了波與粒子等價(jià)聯(lián)系的思考。1930年，塔姆 (I. Tamm，1958年諾貝爾物理學(xué)獎得主) 在研究固體彈性 (熱) 振動(dòng)對光的散射時(shí)，朝這一方向邁出了勇敢一步[16]，提出：
“如果我們類(lèi)比光量子的概念，提出'彈性量子’的概念，那么量子力學(xué)計算的大部分結果都可以生動(dòng)地表述出來(lái)(Führt man in Analogie zu dem Begriff der Lichtquanten den Begriff der'elasti schen Quanten’ ein, so l??t sich ein wesentlicher Teil der Ergebnisse der quantenmechanischen Rechnungen anschaulich formulieren.)?！?/span>
然而千呼萬(wàn)喚始出來(lái)，猶抱琵琶半遮面。根據文獻[17]的考證，塔姆止步于“彈性量子”的稱(chēng)呼，真正將彈性量子概念正式命名為“phonon”的另有其人，他就是蘇聯(lián)物理學(xué)家弗侖克爾 (Jacov Frenkel，圖3(a)，著(zhù)名耦合振子模型Frenkel—Kontorova(FK)模型里的F)。
1930年和1931年，弗侖克爾在發(fā)表的兩篇文章《論固體中光向熱的轉化Ⅰ、Ⅱ》(“On the transformation of light into heat in solids Ⅰ、Ⅱ”) 中借鑒了塔姆的觀(guān)點(diǎn)，采用“heat quanta”和“sound quanta”[18，19]指代格波的量子化。1932年，弗侖克爾在他出版的書(shū)籍Wave Mechanics：Elementary Theory (圖3(b))中，正式將固體熱振動(dòng)的能量量子命名為“phonon”[20]，并明確了phonon的物理含義為(圖3(c))：
“描述固體熱運動(dòng)的彈性(或聲)波相關(guān)的聲量子或熱量子(sound or heat quanta associated with the elastic (or acoustical) waves which serve for the description of heat motion of solid body.)?！?/span>
至此，從愛(ài)因斯坦第一次將量子論引入固體物理中算起的25年后，phonon這一詞終于正式地、完整地揭開(kāi)了它神秘的面紗，出現在世人眼中。弗侖克爾在提出“phonon”一詞的同時(shí)對其物理內涵進(jìn)行了深度的思考，并在《波動(dòng)力學(xué)：基礎理論》和《波動(dòng)力學(xué)：高等通論》(Wave Mechanics：Advanced General Theory) 的正文與腳注中多有體現，我們將在第5章對此進(jìn)行詳述。
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Phonon早期傳播的歷史
在人類(lèi)科技與文明的歷史長(cháng)河中，許多偉大變革總是悄然發(fā)生，而人們往往在很久后才能意識到它真正的意義。Phonon在被提出后并沒(méi)有立刻得到國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注，而是在漫長(cháng)的時(shí)間中逐漸深入人心，取得共識。
在整個(gè)30年代，采用phonon一詞的科技論文屈指可數。在各種期刊文獻中，我們可以找到的最早使用phonon一詞的是1934年朗道和A. S. Kompanejez發(fā)表于《蘇聯(lián)物理學(xué)報》(Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion)的文章[21]。而進(jìn)一步在該雜志中可以找到3篇朗道學(xué)派使用phonon的文章[22—24]。在這些文獻中，phonon一詞并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)標注引用出處，似乎在20世紀30年代的蘇聯(lián)學(xué)界，phonon已經(jīng)取得了廣泛共識和認可。這一時(shí)期弗侖克爾在列寧格勒(現為圣彼得堡)理工學(xué)院任教，其本人與蘇聯(lián)其他物理同行間的學(xué)術(shù)交流很可能對phonon在蘇聯(lián)內部的傳播起到了促進(jìn)作用。
而在整個(gè)30年代的國際英文期刊上，phonon就蹤跡寥寥了。Phonon誕生后的整整10年，采用phonon一詞的期刊論文屈指可數。據我們考證，最早在國際英文期刊中提到phonon的文獻是1935年發(fā)表在《印度科學(xué)院院報》的一篇文章[25]，其作者為印度學(xué)者B. V. Rao (1930年諾貝爾物理學(xué)獎得主拉曼的學(xué)生，玻恩評價(jià)Rao是一名十分優(yōu)秀的實(shí)驗物理學(xué)家[26])，文章中用photon和phonon的碰撞過(guò)程來(lái)處理光波和介質(zhì)振動(dòng)間的散射，phonon這一詞的引文直接指向了弗侖克爾的《波動(dòng)力學(xué)：基礎理論》這本書(shū)：
“拉曼將介質(zhì)散射光視為光子、物質(zhì)粒子和與之相關(guān)的聲量子(或使用弗侖克爾后來(lái)給出的名稱(chēng)'聲子’)的集合(Raman treats the medium scattering light as an assemblage of photons … , material particle … and associated with the latter, quanta of sound (or 'phonons’ to use the name given later by Frenkel.)?！?/span>
而phonon第一次出現在美國物理學(xué)界，據我們考證，是1938年由詹姆斯·弗蘭克 (J. Franck，1925年獲得諾貝爾物理學(xué)獎) 和愛(ài)德華·泰勒 (Edward Teller，美國氫彈之父) 在《化學(xué)物理雜志》發(fā)表的《晶體中激發(fā)能的遷移和光化學(xué)作用》“(Migration and photochemical action of excitation energy in crystals”)[27]。這篇工作多次使用phonon來(lái)描述振動(dòng)量子(vibrational quanta)。弗蘭克和泰勒這篇文章也是第一個(gè)將phonon概念介紹到化學(xué)物理領(lǐng)域的工作。實(shí)際上，在這篇文章正式發(fā)表之前，泰勒已經(jīng)在斯坦福大學(xué)一個(gè)關(guān)于光化學(xué)的暑期會(huì )議上向聽(tīng)眾介紹了phonon這個(gè)概念。在Science News Letter刊登的此次講座的報道“Meet exciton and phonon，new words in physics”中[28]，錯把泰勒當成了phonon的命名者。在同年年底的另一篇名為“Introduce new simplicity into ato mmathematics”的報道中，泰勒澄清了phonon的命名者是弗侖克爾[29]。至于泰勒從什么渠道得知并接受了phonon這一概念，我們并沒(méi)有找到直接的文獻資料，可能是通過(guò)他的好友朗道，也可能是直接從弗侖克爾的英文書(shū)中了解，這已經(jīng)無(wú)從考證了。
而在美國物理學(xué)會(huì )旗下的知名期刊Physical Review中，我們能追溯到的最早涉及phonon一詞的文章，是1941年兩位蘇聯(lián)物理學(xué)家貢獻的英文論文：朗道的《液氦Ⅱ超流性理論》(“Theory of the superfluidity of Helium II”)[30]以及波梅蘭丘克 (I. Y. Pomeranchuk，蘇聯(lián)科學(xué)院院士) 的《電介質(zhì)熱導率》(“On the thermal conductivity of dielectrics”)[31]。在朗道的文章中，Phonon不再指固體晶格振動(dòng)的量子化，而是用來(lái)表征流體在低能激發(fā)時(shí)原子的集體振動(dòng)。而波梅蘭丘克的文章采用多聲子相互作用模型推導了電介質(zhì)中的熱容在溫度遠高于德拜溫度和低溫兩種情況下的函數關(guān)系。phonon一詞在文章中反復多次出現。
在40年代后期，phonon在英文期刊的出現頻率逐漸增大。到了50年代，在國際英文期刊如Physical Review中就已經(jīng)可以非常容易地找到使用phonon的文章了。
不過(guò)在歐洲物理學(xué)界，情況稍有不同。在2.1節和2.2節中，我們多次強調了玻恩在量子物理和聲子物理領(lǐng)域觀(guān)念轉變中的關(guān)鍵作用，但在玻恩發(fā)表的多篇晶格動(dòng)力學(xué)文獻中卻沒(méi)有使用過(guò)phonon一詞，出現最頻繁的是代表整體運動(dòng)的“l(fā)ong wave”和晶格內部運動(dòng)的“short wave”[32—35]，以及“thermal wave”[36]、“vibration”[37，38]或者“l(fā)attice vibration”[39—41]。我們進(jìn)一步調研發(fā)現，玻恩曾在1947年對朗道解釋液氦Ⅱ超流性所采用的Phonon—Roton模型[30]進(jìn)行了評述，認為朗道導出的算子方程含義是模糊的，其理論不是一個(gè)完整的量子液體理論[41，42]。據此可以推斷玻恩本人最遲在1947年已經(jīng)知道了pho‐non這一名詞。不過(guò)即便是1947年后的晶格動(dòng)力學(xué)文章中，玻恩也沒(méi)有采用過(guò)phonon一詞[36，43]。而且在1954年出版的由玻恩和黃昆二人合著(zhù)的Dynamical Theory of Crystal Lattices (圖4左) 一書(shū)中，也沒(méi)有出現phonon[44]。盡管根據我們的調研，1951年黃昆就已經(jīng)在發(fā)表的論文中使用過(guò)phonon[45]。北京大學(xué)出版社于1989年翻譯出版的《晶格動(dòng)力學(xué)》中文版 (圖4右) 仍然忠于原著(zhù)，沒(méi)有使用“聲子”一詞。黃昆先生在中文版的序言中對此略有提及[46]：
“由于這本書(shū)的性質(zhì)所限，對于玻恩學(xué)派以外的工作討論很少；書(shū)中極少提及蘇聯(lián)的工作，則更是由于當時(shí)對于蘇聯(lián)的工作幾乎完全不了解。以后了解到蘇聯(lián)科學(xué)家在晶格理論方面做了很杰出的工作。然而，由于這些年來(lái)自己并未繼續這方面的工作，所以沒(méi)有條件對原書(shū)進(jìn)行適當的補充和修正?！?/span>
圖4《晶格動(dòng)力學(xué)》英文原版第一版(左)和中譯版第一版(右)封面
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Phonon在國內的引入和發(fā)展
1932年，在phonon誕生的同一年，中國物理學(xué)會(huì )正式成立。這一年是日本蓄意發(fā)動(dòng)侵華戰爭的“九·一八事變”第二年，東北全境淪陷，中華民族正處于內憂(yōu)外患、戰火紛飛的動(dòng)蕩年代。中國物理學(xué)工作者團結一致，勤奮工作，在極為惡劣的環(huán)境中，努力探索發(fā)展中國物理學(xué)的道路。在這樣的大背景下，很多資料都難以得到有效的保存，想要具體考證phonon一詞何時(shí)、以何種方式翻譯成中文“聲子”有很大難度。我們將主要目光聚焦在中國物理學(xué)會(huì )負責的物理學(xué)名詞規范化工作上，詳細考證了名詞規范化工作的歷史，最終確定中文物理學(xué)名詞“聲子”最早出現在1951年中科院編譯局出版的《物理學(xué)名詞草案》中。
海歸學(xué)者們對聲子概念和聲子物理學(xué)在國內的傳播和發(fā)展也做出了獨特貢獻，比如程開(kāi)甲編寫(xiě)了我國第一本《固體物理學(xué)》、黃昆和謝希德二人編寫(xiě)了我國第一本《半導體物理學(xué)》等教材。這些教材和對應課程均詳細介紹了聲子物理學(xué)。
4.1 中國物理學(xué)會(huì )在物理學(xué)名詞中的貢獻
自1932年成立之始，中國物理學(xué)會(huì )就十分重視中文物理學(xué)名詞規范化的工作。phonon的引入和對應中文譯名“聲子”與中國物理學(xué)會(huì )的此項工作密切相關(guān)。在中國物理學(xué)會(huì )召開(kāi)的成立大會(huì )上，參會(huì )的國立編譯館人員“提議組建名詞審查委員會(huì )，轉任厘訂物理學(xué)名詞事宜”[47]。1933年4月召開(kāi)的“天文數學(xué)物理討論會(huì )”通過(guò)了物理學(xué)名詞審查委員會(huì )提出的“規定物理學(xué)名詞案”，確定了審定的各項原則[48]，同時(shí)決議將全部物理學(xué)名詞交由中國物理學(xué)會(huì )負責整理。1933年8月的中國物理學(xué)會(huì )年會(huì )上，由會(huì )員推舉選出的楊肇燫 (主任委員)、王守競、何育杰、吳有訓、周昌壽、裘維裕、嚴濟慈7人組成物理學(xué)名詞審查委員會(huì )，開(kāi)展物理學(xué)名詞的審定工作[49]。經(jīng)過(guò)大量審定和編譯工作，委員會(huì )于1934年出版了第一版的《物理學(xué)名詞》(后文稱(chēng)“34年版《物理學(xué)名詞》”)，除去重復詞條共收錄5147個(gè)名詞[48]。
34年版的《物理學(xué)名詞》具有特殊的意義，它的出版宣告了自1920年起“十余年來(lái)屢修未葳之事業(yè)，至此始得告一段落”[47]，這本《物理學(xué)名詞》發(fā)行后曾多次再版，在1950年發(fā)行了第六個(gè)版本。不過(guò)34年版 (包括再版的50年版)《物理學(xué)名詞》并沒(méi)有收錄phonon一詞。根據我們上文的調研，這一時(shí)間剛剛出現的phonon基本僅在蘇聯(lián)內部傳播，因此34年版《物理學(xué)名詞》沒(méi)有收錄phonon于其中也是十分正常的。
抗日戰爭時(shí)期，中國物理學(xué)會(huì )向西遷移，離亂之際，國運如縷，一夕數驚，居處無(wú)定，物理學(xué)名詞審查委員會(huì )的工作幾近停滯。舉目望去，幽暗長(cháng)夜之中尚有一息薪火得以存續：上海淪陷時(shí)期，在上海租界留守的楊肇燫、陸學(xué)善、王福山 (同濟大學(xué)物理系老系主任) 等人在與內陸斷聯(lián)，生活幾近無(wú)以為繼的處境下弦歌未止，筆耕不輟。對當時(shí)的情形，陸學(xué)善曾回憶道：“那時(shí)我們在上海見(jiàn)面時(shí)不談艱苦的生活，只談名詞翻譯，有時(shí)幾天討論一個(gè)名詞，非常認真。討論定下的名詞編寫(xiě)成書(shū)，自己出錢(qián)，裝訂成冊”[49]。之后他們將做成的草案送到當時(shí)在昆明的中國物理學(xué)會(huì )總會(huì )，昆明的委員與學(xué)會(huì )會(huì )員又一同對稿件再次審閱?？谷諔馉巹倮蟮?947年9月18日，物理學(xué)名詞審查委員會(huì )召開(kāi)工作會(huì )議，根據各地會(huì )員意見(jiàn)，再次審核抗戰時(shí)期取得的成果，對34年版《物理學(xué)名詞》進(jìn)行增訂，形成了《物理學(xué)名詞增訂稿》(后文簡(jiǎn)稱(chēng)47年《增訂稿》)。這一增訂稿在建國后對物理學(xué)名詞統一工作有著(zhù)極為重要的意義，遺憾的是由于當時(shí)局勢，修訂結果未及時(shí)刊行[49]。
新中國一成立，中央人民政府就十分重視學(xué)術(shù)名詞的統一工作，在文化教育委員會(huì )下設立了學(xué)術(shù)名詞統一工作委員會(huì )，經(jīng)中國物理學(xué)會(huì )的推薦，聘請王竹溪、王淦昌、方嗣欔、孫念臺、陸學(xué)善、葛庭燧和楊肇燫七人組成工作小組。在34年版《物理學(xué)名詞》以及47年《增訂稿》的基礎上，新一版的《物理學(xué)名詞》于1954年正式發(fā)行，收錄名詞9696條[50]。在這版《物理學(xué)名詞》中，我們終于找到了phonon這一詞條，對應的中文即為“聲子”。
圖5 最早記錄“聲子”詞條的51年油印版《物理學(xué)名詞草案》 (a)《物理學(xué)名詞草案》封面；(b)phonon聲子詞條(圖片由上海圖書(shū)館張瑩館員提供)
經(jīng)進(jìn)一步考證，我們發(fā)現，早在1951年3月中旬審定工作便基本結束，隨即由中國科學(xué)院編譯局“編成草案，分發(fā)有關(guān)各方，征求意見(jiàn)”[51]。我們最終在上海圖書(shū)館找到了這本館藏的51年油印版《物理學(xué)名詞草案》(圖5(a))，并發(fā)現其中可以查到phonon和“聲子”的詞條 (圖5(b))。因此“聲子” (phonon) 可考證的最早收錄時(shí)間也提前至1951年?？紤]到這本《物理學(xué)名詞草案》編訂的主要依據是34年版《物理學(xué)名詞》和47年《增訂稿》，而34年版《物理學(xué)名詞》中并沒(méi)有出現phonon這一詞條，因此phonon的引入和中文翻譯很大可能是楊肇燫等人在抗日戰爭時(shí)期的《增訂稿》成果。遺憾的是我們并沒(méi)有找到47年《增訂稿》的任何紙質(zhì)資料，無(wú)法證實(shí)這一猜想?？赡苡捎诜N種原因，這本47年《增訂稿》已經(jīng)散佚到歷史的漫漫長(cháng)河之中去了。
4.2 歸國學(xué)者對我國聲子物理學(xué)發(fā)展的貢獻
在中國物理學(xué)會(huì )的物理學(xué)名詞編篡工作如火如荼進(jìn)行的同時(shí)，一大批海外求學(xué)的留學(xué)生受振興中華，報效祖國的精神感召毅然踏上了歸國的旅程，其中包括了對我國聲子物理學(xué)科研建設及教育事業(yè)做出重要貢獻的程開(kāi)甲先生、彭桓武先生和黃昆先生。
根據我們的調研，1950年歸國的程開(kāi)甲 (圖6(a)) 是最早在中文科研論文中使用中文“聲子”詞匯的人，在1956年發(fā)表的論文中[52]，程開(kāi)甲提出了解決海特勒—彭理論可能存在的紅外發(fā)散問(wèn)題的方法。引言的最后，程開(kāi)甲提到“對于研究固體中的離子晶體的聲子和電子作用也有此相似的情景 (即低頻發(fā)散)，所以這個(gè)理論的發(fā)展會(huì )有利于晶體的電子論”。此外，程開(kāi)甲還在1958年發(fā)表了另一篇文獻[53]，題名為“離子晶體中慢電子—聲子相互作用的理論：電子的有效質(zhì)量和基態(tài)能量”。
圖6 程開(kāi)甲、彭桓武、黃昆及其著(zhù)作 (a)，(d) 程開(kāi)甲和他編訂的《固體物理學(xué)》封面；(b)，(e) 彭桓武和他的博士論文封面；(c)，(f) 黃昆和他與謝希德共同編訂的《半導體物理學(xué)》封面
1960年，程開(kāi)甲任第二機械工業(yè)部第九研究所副所長(cháng)，參加原子彈的研制，從此改變研究方向為爆轟物理和狀態(tài)方程理論研究，為我國的國防科技事業(yè)隱姓埋名二十多年。與程開(kāi)甲經(jīng)歷相似的還有他的師兄彭桓武 (圖6(b))，二人均在玻恩名下攻讀博士學(xué)位，均為新中國“兩彈一星”元勛。彭桓武是玻恩名下的第一位中國留學(xué)生，也是最早用量子理論研究固體晶格熱物理的中國人。1940年，彭桓武以《電子量子理論在金屬力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)中的應用》(“Application of quantum theory of electrons to the mechanical and thermal properties of metals”) 為題發(fā)表了博士論文 (圖6(e))，并于1941年和1942年在博士論文的基礎上進(jìn)一步發(fā)表了三篇晶格動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的文章[55—57]。不過(guò)在這幾篇文章中提到關(guān)于晶格原子或者離子運動(dòng)時(shí)，多采用 thermal wave，并沒(méi)有用到過(guò) phonon。
彭桓武在完成其博士論文后改變研究方向，前往都柏林研究院進(jìn)行介子理論方面的研究。上文提到的程開(kāi)甲對海特勒—彭理論的修正 (即參考文獻[52]) 中的海特勒—彭輻射理論即為彭桓武在這一時(shí)期的工作[58]。1947年回國的彭桓武致力于縮小國內外物理學(xué)差距，先后在云南大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)教授量子力學(xué)，并積極邀請著(zhù)名物理學(xué)家訪(fǎng)華或為國內年輕物理學(xué)家爭取出國交流機會(huì )。隨后，彭桓武為了“兩彈一星”國家重大戰略需要，再次調整自己的研究方向，在中子物理、輻射流體力學(xué)、爆轟物理等領(lǐng)域取得突破進(jìn)展，為原子彈和氫彈等戰略核武器的設計奠定了理論基礎。
被譽(yù)為“中國聲子物理第一人”的黃昆先生 (圖6(c)) 也是中國學(xué)者中最早在英文文獻中使用“phonon”的 (見(jiàn)1951年的論文[45])。而在歸國之前，黃昆先生已經(jīng)在聲子物理領(lǐng)域做出了開(kāi)拓性貢獻，其中最著(zhù)名的兩項工作當屬“黃方程”[59—61]和“多聲子躍遷理論”[62]。在文章[60]中，黃昆利用自己提出的方程處理了離子晶體中晶格振動(dòng)光頻支與電磁波的耦合問(wèn)題，解釋了離子晶體的紅外色散特性。而黃昆處理的這種光波與晶格振動(dòng)的耦合產(chǎn)生的新的元激發(fā)，現在被稱(chēng)為“聲子極化激元”。在文章[62]中，黃昆雖也未使用phonon一詞 (采用的lattice vibrational quanta等詞匯) ，但文章提出了后來(lái)被稱(chēng)為“多聲子躍遷理論”[63]的方法，來(lái)處理固體雜質(zhì)缺陷束縛電子態(tài)躍遷問(wèn)題，被公認為是電子—聲子相互作用在固體缺陷光吸收領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng )性工作[64]。而文章中引入的表示躍遷前后聲子云的平均聲子數之差的無(wú)量綱因子S，也被命名為黃—里斯因子 (Huang—Rhys factor) [65]。值得指出的是，這篇1950年的文章實(shí)質(zhì)上首次揭示了“相干聲子態(tài)”的概念[65]，遠遠早于1963年格勞伯 (Roy J. Glauber) 提出的相干光子態(tài) (后者因此榮獲2005年的諾貝爾物理學(xué)獎)[66]。
黃昆認為“在中國培養一支科技人才隊伍的重要性遠遠超過(guò)個(gè)人在學(xué)術(shù)上的成就?！边@一理念不但體現在其持續一生的教學(xué)生涯中，更在科研工作中潛移默化地影響著(zhù)一代又一代青年聲子物理工作者。1951年歸國后，黃昆首先在北京大學(xué)承擔本科生近代物理和統計物理的教學(xué)工作。1953年開(kāi)始，黃昆擔任北京大學(xué)固體物理專(zhuān)門(mén)化教研室主任[67]，為研究生、中國科學(xué)院應用物理所的科研人員和一些高校進(jìn)修教師上固體物理課程，為我國的固體物理領(lǐng)域培養了一批骨干人才。
1956年，教育部為了迎頭趕上國際前列水平，成立了五校聯(lián)合的半導體專(zhuān)門(mén)化，黃昆擔任半導體教研室主任，謝希德?lián)胃敝魅?。黃昆是這一決策的主要建議人，同時(shí)也是實(shí)施的主要組織者。這次專(zhuān)門(mén)化培訓班培養了兩百余名學(xué)生，成為我國半導體事業(yè)的“黃埔一期”[64]。1958年，黃昆和謝希德二人基于1956—1958年這兩年教學(xué)所用的講義出版了新中國第一本《半導體物理》教材 (圖6(f)) [68]。在1958年出版的這本書(shū)中，可以很容易地找到“聲子”這一中文詞匯及其相關(guān)物理內容。
5
Phonon在物理學(xué)中的意義
聲子，作為表征固體振動(dòng)模的能量量子，其誕生與統計物理的發(fā)展，量子力學(xué)以及量子場(chǎng)論的誕生緊密相連，更與“光子”概念的誕生和發(fā)展密不可分。能量量子化、玻色—愛(ài)因斯坦統計和量子場(chǎng)論觀(guān)點(diǎn)，這些對聲子誕生起到關(guān)鍵作用的理論和思想，實(shí)際上都是起源于對電磁波和光子的研究。歷史上聲子 (phonon) 這一概念無(wú)論是物理內涵還是命名方式也都一定程度上受到了光子 (photon) 的啟發(fā)和影響。
自聲子誕生之初，聲子和光子間的類(lèi)比探討從未停止。一方面，弗侖克爾在提出“phonon”一詞后隨即在書(shū)中指出它不具有像photon那樣的“實(shí)在性”[69]：
“然而，我不認為會(huì )有人相信這種'聲子’的實(shí)在性。當然，這并不意味著(zhù)光子同樣是不真實(shí)的，因為聲學(xué)和光學(xué)之間的類(lèi)比與光學(xué)和力學(xué)(或聲學(xué)和單粒子力學(xué))之間的類(lèi)比一樣膚淺(I do not think, however, that anybody would believe in the reality of such'phonons’. This does not mean, of course, that the photons are equally unreal, for theanalogy between acoustics and optics is just as superficial as that between optics and mechanics (or acoustics and the mechanics of single particles.)?！?/span>
可見(jiàn)在一開(kāi)始，物理學(xué)家就不認為聲子是和電子、光子一樣可以存在于真空中的物質(zhì)粒子，而僅僅是作為一種簡(jiǎn)化研究固體振動(dòng)性質(zhì)而引入的一種抽象概念。實(shí)際上，在1929年派爾斯 (R. Peierls) 針對固體熱導率提出晶格中彈性波相互作用的倒逆過(guò)程 (umklapp process) 時(shí)[70]，指出波散射前后準動(dòng)量之間可差一個(gè)倒格矢。用現代的語(yǔ)言講，就是由于晶格介質(zhì)的存在，聲子在相互作用前后準動(dòng)量不守恒，可以差一個(gè)額外的介質(zhì)周期性提供的準動(dòng)量。這與光子、電子等在真空中可以存在的物質(zhì)粒子所遵循的動(dòng)量守恒行為大不一樣。且根據測不準原理?x??k≥1，對于具有明確準動(dòng)量k的聲子來(lái)說(shuō)，有?x→∞，即聲子的位置無(wú)法確定。因而，聲子既不是傳統的“真實(shí)”粒子，也不局域在實(shí)空間中，而是代表一種集體激發(fā)的非局域準粒子。這種圖像是便于處理介質(zhì)中的多物理相互作用的。
這一“準”粒子觀(guān)念隨后升華為：介質(zhì)中某種場(chǎng)的振動(dòng)波或多體相互作用產(chǎn)生的集體運動(dòng)狀態(tài)的能量量子，均可視為介質(zhì)中的某種元激發(fā) (elementary excitation)。元激發(fā)這一準粒子物理概念的引入，極大地啟發(fā)了物理學(xué)家對凝聚態(tài)物理中多物理場(chǎng)與物質(zhì)粒子各種相互作用的思考。聲子，作為物理學(xué)中引入的第一個(gè)元激發(fā)，從準粒子的角度，更簡(jiǎn)潔地描述了固體中物質(zhì)粒子的復雜集體運動(dòng)和相互作用，相繼啟發(fā)了更多的豐富的準粒子，如：激子 (exciton，1931年弗侖克爾提出概念[18，19]，1936年也由弗侖克爾命名[71])，極化子 (polaron，1933年朗道提出概念[72]，1946年佩卡爾(S. I. Pekar)命名[73])，極化激元 (polariton2)，1956年法諾 (U. Fano) 提出概念[74]，1958年霍菲爾德 (J. J. Hopfield)命名[75])，等離激元 (plasmon，1951年玻姆 (David Bohm) 和派恩斯 (David Pines) 提出概念[76]，1956年派恩斯命名[77]) 等等。這些準粒子的英文名均以“-on”作為后綴，中文譯名則均以“子”或“激元”結尾。
另一方面，聲子這樣的元激發(fā)準粒子性質(zhì)又引發(fā)了物理學(xué)家對其實(shí)在性的進(jìn)一步思考，反過(guò)來(lái)對聲子類(lèi)比的對象——光子是否真的“實(shí)在”這一問(wèn)題提出質(zhì)疑。其實(shí)早在一開(kāi)始，在弗侖克爾提出“phonon”一詞的同時(shí)，他就加了腳注 (圖3(d))：“我一點(diǎn)也不想在此表達聲子是真實(shí)存在的這樣的印象。相反，聲子的引入可能對光子的真實(shí)存在性提出質(zhì)疑 (It is not in the least intended to convey hereby the impression that such phonons have a real existence. On the contrary, the possibility of their introduction rather serves to discredit the belief in the real existence of photons.)?！?在弗侖克爾第二冊的《波動(dòng)力學(xué)：高等通論》[69]一書(shū)中，他也寫(xiě)到：“然而，我傾向于認為光子不比聲子更加真實(shí)，在某種程度上，它們是由光現象中物質(zhì)的波粒二象性的一種反映所創(chuàng )造的 (I am inclined, however, to think that photons have no more reality than phonons, and that they are created by a reflection, as it were, of the wave-corpuscular duality of matter in the phenomena of light.)?！?/span>
隨著(zhù)量子場(chǎng)論的發(fā)展，這種對聲子的思考演變?yōu)閷庾?、電子等基本粒子起源的探討?0世紀后半葉不斷發(fā)展的對稱(chēng)性破缺思想指出，如果系統基態(tài)具有一種稱(chēng)為連續對稱(chēng)自發(fā)破缺的特性，這個(gè)基態(tài)可以具有無(wú)能隙激發(fā)，且連續對稱(chēng)自發(fā)破缺后必然導致Nambu—Goldstone玻色子的出現[78]?；谶@一理論，無(wú)能隙聲子可以認為是由連續平移對稱(chēng)性在周期晶格固體中的破缺導致的。但這一理論不足以解釋光子和費米子的起源問(wèn)題，激發(fā)了人們不斷引入新的思想和理論。比如，場(chǎng)的振動(dòng)漲落導致元激發(fā)準粒子的思想由文小剛等進(jìn)一步發(fā)展，稱(chēng)為弦網(wǎng)凝聚。在這套理論下，所謂的基本粒子也不再基本，而是小于普朗克尺度下局域玻色子系統的低能集體激發(fā)所演生出來(lái)的[79]。
6
總結
“夫夷以近，則游者眾；險以遠，則至者少。而世之奇偉、瑰怪、非常之觀(guān)，常在于險遠，而人之所罕至焉，故非有志者不能至也?！睂ξ镔|(zhì)運行規律和真理的不懈追求驅使著(zhù)物理學(xué)家們在知識的邊界不斷探索。經(jīng)歷熱力學(xué)統計物理到量子力學(xué)再到量子場(chǎng)論這一險遠歷程，聲子這一“奇偉非常之觀(guān)”終于展現在世人眼中。
聲子誕生的歷史可以用黃昆先生的名言“物窮其理，宏微交替”精要地總結。隨著(zhù)相關(guān)理論的不斷發(fā)展，晶格振動(dòng)的圖像從粒子運動(dòng)到彈性波的傳播，再從格波到聲子，描述手段在“粒子 (準粒子) ”和“波 (場(chǎng)) ”間不斷交替、層展，蘊含著(zhù)豐富的辯證思維。連續與離散、波動(dòng)與粒子、全局與局域、對稱(chēng)與破缺等等對立統一的觀(guān)念在聲子物理里到處可見(jiàn)。每一次認知的螺旋上升，都昭示著(zhù)人們對物質(zhì)世界本源的更進(jìn)一步。聲子領(lǐng)域將隨著(zhù)人類(lèi)對量子物態(tài)調控能力的增加而不斷擴大，會(huì )越來(lái)越多地按需設計具有特殊功能的人工微結構和具有新奇性質(zhì)的混合量子態(tài)，從而繼續對科技、經(jīng)濟和社會(huì )進(jìn)程產(chǎn)生重大影響，為物理學(xué)的新進(jìn)展作出重要貢獻。
抗戰期間，楊肇燫先生曾寫(xiě)道“蟄居滬濱，幽憂(yōu)隱憤，共相策勵，亟思藉韜潛之光陰，從事于嚴正科學(xué)之述作，為將來(lái)復興作育人才之準備，效涓埃之助……”。每覽此文，長(cháng)不能喻之于懷。聲子在國內的翻譯、傳播和發(fā)展離不開(kāi)許多老一輩科學(xué)家在名詞審定、教學(xué)、科研等領(lǐng)域的長(cháng)久付出。中國物理學(xué)人的風(fēng)骨和治學(xué)的嚴謹在他們身上體現得淋漓盡致。斯人已去，其志長(cháng)存，老一輩科學(xué)家對中國物理學(xué) (包括聲子名詞，聲子物理) 的貢獻將被后來(lái)者永遠銘記。
回眸這段歷史是為了更好地啟迪今日，走向未來(lái)，創(chuàng )造新的歷史。謹以此文，慶祝聲子誕生90周年以及中國物理學(xué)會(huì )成立90周年。
注：
1) 本文主要回顧 phonon(聲子)誕生前后的歷史。為避免混淆，本文在強調其誕生的歷史或僅涉及國際情況時(shí)，采用英文“phonon”；在概述其在國內的傳播發(fā)展概況以及其在整個(gè)物理學(xué)中的意義時(shí)使用中文“聲子”。受篇幅和主題所限，本文對當代聲子物理的豐富成果未能詳細涉及，是為遺憾。
2)這里的polariton主要是指exciton polariton(激子極化激元)，而黃昆實(shí)際上在1951年提出了聲子極化激元的概念(在4.2中我們對此有簡(jiǎn)要描述)。
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