这个公式以一个中国人的名字命名

这个公式以一个中国人的名字命名北京科学中心 2019-12-10 18:15:33

中学的物理课上我们总会学到许许多多的公式与定律，这些公式和定律大多数都是以外国人的名字命名的。

比如牛顿定律、法拉第电磁感应定律、麦克斯韦方程组等等，肯定有小伙伴会想，什么时候能有一个以中国人的名字命名的公式呢？

其实，这个看似遥远的梦想已经被实现了，而且还“超额完成”了，实现它的人正是世界著名物理学家、中国科学院院士黄昆先生。

黄昆在英国布列斯托大学

黄昆对物理学的贡献

1948年至1951年，黄昆先生发表了一系列论文阐述了离子晶体中光波与光学声子的相互作用。

黄昆把光的传播问题和离子晶体晶格振动问题联系在了一起，引入了极化激元的概念，并开创性地提出了著名的“黄昆方程”。

“黄昆方程”以及与之相关的理论后来被写入了教科书，成为了全世界固体物理相关专业的学生必学的一课。

Nature官网上黄昆的学术论文

期间，黄昆还发表了《稀固溶体的X光漫散射》一文，论文中所阐述的晶体中杂质引起的X射线散射被人们称为“黄散射”。

1950年，黄昆与Avril Rhys（中文名李爱扶）共同提出了多声子跃迁的理论，并不断对其完善，这就是著名的“黄—里斯理论”。

黄昆与李爱扶

1947至1952年，黄昆与著名物理学家、后来的诺贝尔物理奖获得者玻恩共同撰写了《晶格动力学》一书，其中很大一部分内容融入了黄昆先生独到的见解。

在给爱因斯坦的信中，玻恩写道：“书稿内容已完全超越了我的理论。我能懂得年轻的黄昆以我们两人名义所写的东西，就很高兴了。”

《晶格动力学》出版后成为了该领域最标准、最经典的教材，直至今日，也是固体物理系学生必读的书目之一。小编上学的时候也仔细拜读过这本书哦！

《晶格动力学理论》

1988年，黄昆与朱邦芬（中国科学院院士）提出了一种关于半导体超晶格的模型，被人们称为“黄－朱模型”。

以上，就是黄昆先生最重要的学术成就了，朱邦芬院士曾把黄昆先生对物理学的杰出贡献归纳为：一组方程、一个理论、一种散射、一本书、一个模型。

除了这些享誉全球的成果，黄昆先生还在固体物理、半导体物理、物理学教育等领域做出了卓越贡献，是新中国半导体科学与技术的奠基人之一。

黄昆（前排左二）

可能有小伙伴会说，像杨振宁、高锟、丁肇中、李政道这样的著名的外籍华裔科学家有很多，而且都有相关的理论模型或公式是以他们的名字命名的，为什么说是黄昆实现了这一突破呢？

科学是没有国界的，但科学家是有国籍的。黄昆祖籍浙江，出生于北京，是土生土长的中国人，而且终身未变更过国籍。

1951年，新中国刚成立不久，百废待兴，急需各类科技人才。当时正在英国做访问学者黄昆毅然回国，来到北京大学担任物理系教授，从事物理学的研究与教学工作。1977年，担任半导体所所长，为中国半导体事业做出了卓越贡献。

下面，小编就来为大家形象地解读一下黄昆先生最著名的研究成果——黄昆方程。

黄昆方程

19世纪，电与磁成为了科学家们研究的热点，法拉第通过实验得到了电磁感应定律，麦克斯韦在其基础上得到了描述电磁场的方程，即麦克斯韦方程组，理论上导出了光是一种电磁波。

至此，人类成功得到了描述光（电磁波）的规律，从宏观上了解了电磁波如何在真空和介质中传播。

1895年，伦琴发现了X射线。20世纪初，布拉格和劳厄几乎同时发现了X射线与晶体衍射的规律，揭示了晶体的微观结构。

此后，中子散射、电子散射等各种测试晶体结构与性质的方法相继问世。

同时，海森堡、玻恩、薛定谔、狄拉克等人先后建立并完善了描述微观现象的量子力学，人们有了描述微观现象的理论手段。

于是，在前人的基础上，人们具备了研究晶体性质的理论和实验方法，许多科学家投入到了晶体性质的研究当中，黄昆就是他们中的一员。

黄昆把目光放在了离子晶体上。当时的人们发现红外线可与离子晶体发生各种奇妙的相互作用，不同频率的红外线入射到离子晶体时会各自有不同的表现，而且有些频率的红外线无法进入离子晶体，几乎会被完全反射回来。

离子晶体

我们知道离子晶体由带正负电荷的离子依次规则排列构成的，并且每个离子都不断地振动着，温度越高，振动越剧烈。

此外，晶体内的各个离子之间不是相互独立的，而是存在着相互作用，就好像每个离子之间都有一根“无形的弹簧”。

这些无形的弹簧使得晶体内的离子不会自顾自地独立振动，而是相互牵连着。因此，这种振动可以看作是晶体内全部离子的整体振动，物理学上将其称为简正振动。

振动可分为两种模式，一种是相邻的正负离子同步地摆来摆去，就好像在跳一支步调一致的双人舞，物理学家将其称为声学模。

声学模

声学模两个离子振动步调一致

另一种模式是相邻的正负离子时而靠近，时而远离，步调相反，忽远忽近，物理学家称其为光学模。

光学模

光学模两个离子若即若离

根据经典的麦克斯韦方程组，当正负电荷以相互靠近又远离的方式振动时，会产生电磁波；反之，频率合适的电磁波遇到正负两个邻近的电荷时，会促使它们发生上述的振动。

讲到这里，聪明的小伙伴想必已经发现了其中的门道。入射的红外线频率如果与离子晶体光学模振动相匹配，相耦合，不就意味着红外线与离子晶体之间会发生某种相互作用吗？

黄昆先生早在70多年前就想到了这点，这个想法在固体物理刚初现雏形的20世纪40年代是具有开创性的。

基于上面的想法，黄昆先生巧妙地把电磁场所满足的麦克斯韦方程组和离子晶体振动所满足的动力学方程结合了起来，凭借大胆的假设，写出了著名的黄昆方程：

其中，b11，b12，b21，b22为待定的耦合系数

这个方程中既包括描述电场的电场强度E，又包括描述振动的振幅w，还包括体现电场与晶体相互作用程度的电极化强度P。

黄昆先生用短短两行公式方程巧妙地把这三者联系了起来，阐明了红外线与离子晶体相互作用的原理。

值得一提的是，黄昆方程不是根据已有的物理公式推导出来的，而是从具体的物理图像出发，凭借自己的洞察力，对物理原理的抽象概括，是黄昆先生100%的“原始创新”。

说了这么多，黄昆方程除了抽象地描述了红外线和离子相互作用外，还有什么用处吗？

只用数学公式抽象地把物理过程、物理原理表示出来显然是不够的，还需要进一步导出并理解它的显示意义。

黄昆先生把描述电磁场的麦克斯韦方程组与黄昆方程联立，推导出了离子晶体的红外色散特性。

翻译成通俗的话就是，利用黄昆方程我们可以通过简单的数学计算预测出特定红外线射入某种离子晶体后会发生什么现象。红外线是会被“拒之门外”？还是会进入晶体与晶体发生强烈的相互作用？都一目了然。

时至今日，黄昆方程及后来根据黄昆方程的思路演化出的极化激元的概念，成为了人们处理电磁波与物质相互作用问题最有利的方法之一，黄昆的名字也因此被全世界人民铭记！

可不要以为黄昆方程的价值只停留在纸上，虽然黄昆方程和极化激元是一项抽象的理论研究，但这项研究就像一把钥匙，打开了后人的探索之路。

引用王炳燊（中科院半导体所）、葛惟昆（北京大学）两位老师的话来说：“任何与物质的光学性质相关的研究和技术应用，都与以黄昆命名的方程或远或近地相关联。”

一代代工程师沿着老一辈科学家的脚步，让激光变得更加笔直，让LED变得更加明亮，让心率测得更加精准，让战机更早地发现敌人。

黄昆先生的研究，是我们无形的财产，谁又知道未来的发明家会在这两行公式的启发下，创造出哪些精妙的产品呢？

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语言表达很有特点，希望继续更新，期待中

帖子好乱！

楼主人气很旺！