撰文｜曹則賢（中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員）

初識(shí)洪特定則是在1984年，秋季學(xué)期，那一年我大三，開始學(xué)習(xí)原子物理。課上用的是一本中文教科書，我覺得要用那本書學(xué)會(huì)原子物理，其難度無(wú)異于我們凡人學(xué)著上帝創(chuàng)造世界~至今我都對(duì)班上當(dāng)時(shí)考高分的同學(xué)欽佩不已。原子物理中有一個(gè)洪特定則，給我留下了深刻的印象。更讓我意想不到的是，13年后一個(gè)春天的中午，我會(huì)發(fā)現(xiàn)那個(gè)物理大神洪特竟然是鄰家大爺。那一刻，物理學(xué)對(duì)于我霎時(shí)明亮了起來(lái)。

按照中文教科書的介紹，洪特定則大致是說(shuō)電子在原子外的能量排列遵循如下順序：

（1）總自旋S越大，能量越低；

（2）S相等的情況下，總軌道角動(dòng)量L越大，能量越低；

（3）在S和L都相等的情況下，對(duì)于未滿半殼層或剛好半滿的殼層，總角動(dòng)量J越小能量越低；否則，J越大能量越低。

對(duì)了，這個(gè)規(guī)則在電子的軌道角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量遵從LS耦合時(shí)成立。與LS耦合相對(duì)應(yīng)的還有JJ 耦合方式。

我想說(shuō)，要背下這三條規(guī)則，以當(dāng)時(shí)的我的智商大概能對(duì)付，可我就想理解憑什么會(huì)有這樣的規(guī)則啊？這個(gè)書里沒有解釋，老師也拒絕解釋。呃，那個(gè)LS耦合和JJ耦合也讓我感到困惑。怎么這個(gè)原子里的電子的角動(dòng)量遵循LS耦合而另一個(gè)原子里就是JJ耦合呢？有兩種截然不同的角動(dòng)量耦合方式，可是元素周期表里不同元素的原子是按照原子序數(shù)(原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)，也是核外電子數(shù))排列的， LS耦合和JJ耦合之間有什么明確的界線嗎？沒有啊。我現(xiàn)在都清楚地記得臨近期末考試時(shí)我內(nèi)心的恐懼。我不理解啊，這些都是啥啊？我必須承認(rèn)，我那時(shí)候沒有去找其它中文參考書(有嗎？)的自覺，也沒有看西文教科書的自覺。國(guó)際上較流行的Hermann Haken 的Physics of atoms and quanta或者德文版的Atom-und Quantenphysik我是多年以后才見到的，而且我覺得這本經(jīng)典似乎也不是很令人滿意。

除此之外，當(dāng)我學(xué)習(xí)洪特定則時(shí)，洪特是誰(shuí)，他是干啥的（別以為物理定律都來(lái)自物理學(xué)家，也別以為物理學(xué)家都學(xué)過(guò)物理），為啥以及是怎么得到的這個(gè)結(jié)果，我可不關(guān)心。那時(shí)候，對(duì)我來(lái)說(shuō)，洪特就和書里出現(xiàn)的牛頓、法拉第、庫(kù)倫、奧斯特等等一樣，就是一個(gè)怪異的外國(guó)名字而已。

多年以后，我明白了，原子物理里的規(guī)則多是對(duì)觀察的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，有些后來(lái)被發(fā)展成了理論，比如光譜的二值問題（two-valuedness）后來(lái)得出了泡利矩陣，它和SU(2)群的李代數(shù)有關(guān)，可以用于同位旋的表示。這樣的東西好接受，因?yàn)槟闳粢獦?gòu)造跡為零的2×2反厄密矩陣，泡利矩陣就是必然的結(jié)果。更多的規(guī)則就只是個(gè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而已，沒什么道理，比如這個(gè)洪特定則。大學(xué)畢業(yè)后的某一年，當(dāng)我知道洪特1925年提出的這個(gè)定則就是個(gè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并沒有確保其正確性的理論基礎(chǔ)，當(dāng)其時(shí)也，我內(nèi)心是五味雜陳。物理定則，是可以開玩笑的嗎？

其實(shí)，洪特定則是說(shuō)，多電子原子的電子構(gòu)型是讓2S+1盡可能大，但是理由呢？從前認(rèn)為多重性大時(shí)處于不同軌道上的電子之平均距離較大，故而能量低。現(xiàn)在的量子力學(xué)計(jì)算則認(rèn)為更多的未配對(duì)電子更容易接近原子核。這兩個(gè)理由可是不一致，后者真不是前者的改進(jìn)。2004年，一種稱為5-dehydro-m-xylylene ?的有機(jī)分子被合成，在這種分子中洪特定則就明顯不成立。至此，我心里算是放下了這個(gè)洪特定則。幾年以前的我長(zhǎng)大了，我知道基于觀察總結(jié)的規(guī)則是一種描述，不具有真正理論的剛性。

洪特規(guī)則的事兒，除了在1984~1985學(xué)期期末考試來(lái)臨前和1986-1987考研季讓我有點(diǎn)恐懼以外，倒也沒再煩我：“不就是想讀個(gè)物理博士當(dāng)個(gè)物理教授嘛，哪至于拿學(xué)問當(dāng)真?！焙髞?lái)，我也沒教過(guò)原子物理，也沒做過(guò)光譜學(xué)研究，偶爾在哪本書里再見到洪特定則或者Hund’s rule的字樣，我也是一掃而過(guò)。說(shuō)真的，我真弄不懂有些人為什么見了洪特定則不感到可疑。

管它呢。洪特， Hund’s rule，byebye 您吶！

然而，然而，我沒想到的是，有一天，恰是這位到那時(shí)我還一無(wú)所知的洪特教授瞬間深刻地影響了我。

1997年4月1日中午，德國(guó)西部小鎮(zhèn)Kaiserslautern，大學(xué)物理樓，我像往常一樣走向電梯，下班。不過(guò)，今天有點(diǎn)兒特別。電梯口貼著一張訃告，上寫 “我們尊敬的Friedrich Hund 教授不幸于日前去世，享年101歲……洪特教授以洪特規(guī)則而聞名于世……” (大意) 。我清楚記得那一刻我的心理活動(dòng)：“天哪，我原子物理課上學(xué)到的洪特定則里的那個(gè)洪特，這些年一直活著，還就在離我如今上學(xué)的學(xué)校不遠(yuǎn)的地方？”第一次，我感覺到為我們創(chuàng)造物理學(xué)的那些神一樣的人物竟然可以是活的，可以是鄰村的大爺。這太鼓舞人心了。原來(lái)，物理學(xué)的創(chuàng)造是可以離我們普通人那么近的。大約是從那時(shí)刻起，我決定當(dāng)一個(gè)好學(xué)生。人家辛辛苦苦給我們創(chuàng)造了那么美妙的物理，咱就抽空學(xué)學(xué)還不認(rèn)真點(diǎn)兒？

洪特 (Friedrich Hund, 1896.02.04-1997.03.31)，生于德國(guó)西南部的Karlsruhe(該鎮(zhèn)子西邊隔二里路遠(yuǎn)是法國(guó)的Strassbourg。這兩個(gè)小鎮(zhèn)子為世界貢獻(xiàn)了多少物理和數(shù)學(xué)，可能需要會(huì)科學(xué)的科學(xué)史家去專門認(rèn)真研究。那個(gè)1923年給中國(guó)人帶來(lái)熱溫商 (即熵)， Entropie，概念的Rudolf Plank，就是Karlsruhe大學(xué)的教授)，他是玻恩教授的助手之一 (其他的有約當(dāng)、海森堡、泡利等)，29歲時(shí)拿到哥廷恩大學(xué)私俸講師的位置，31歲在Rostock大學(xué)當(dāng)教授，其后在萊比錫、法蘭克福、哥廷恩、美國(guó)的哈佛等大學(xué)任教。洪特規(guī)則實(shí)際上是Hund’s rule of maximum multiplicity(洪特最大多重性定則。你看，中文教科書連名字都懶得寫對(duì))，而如今更顯重要的一個(gè)概念，quantum tunneling(量子隧穿)，是他1926年提出來(lái)的，卻很少有人強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。

洪特教授是個(gè)合格的教授，一生成果與著述皆豐。在1996年洪特教授100歲壽誕之際，德國(guó)Spektrum 雜志社出版了他的Geschichte der physikalischen Begriffe(物理概念的歷史) 一書以示尊敬?？粗@本書，這個(gè)人，會(huì)想到他本人就是近代物理的一部活歷史。一個(gè)人，能跨越一個(gè)世紀(jì)之長(zhǎng)，把自己活成歷史，僅這一點(diǎn)就夠讓人充滿敬意的了。

我本人一直學(xué)物理，但一直不得其門而入。我常常反思我所受到的教育，總是覺得如果我們，你和我，如果我們成長(zhǎng)的時(shí)候身邊的父老鄉(xiāng)親里邊有個(gè)把兒科學(xué)巨擘，咱們的學(xué)習(xí)成績(jī)是不是多少會(huì)好一點(diǎn)兒。咱們上初中學(xué)一元二次方程的時(shí)候，是不是應(yīng)該把預(yù)解式-對(duì)稱函數(shù)-置換群-交替群-最大正規(guī)子群合成列-伽羅華理論啥的捎帶著在升高中前就學(xué)了？又或者，當(dāng)我們手端熱飯碗把它打碎了的時(shí)候，如果父母能在罵完我們捎帶著講解一下熱傳導(dǎo)方程，并告訴我們熱傳導(dǎo)方程就是一類擴(kuò)散方程且如果你把一側(cè)的系數(shù)由實(shí)數(shù)改成虛數(shù)把待求函數(shù)從實(shí)函數(shù)拓展成復(fù)函數(shù)那就是量子力學(xué)的薛定諤方程云云，你是不是就不會(huì)被半吊子科學(xué)家用量子力學(xué)是一場(chǎng)科學(xué)革命的外行噱頭給嚇唬到了？愚以為，少年兒童上學(xué)時(shí)，見識(shí)幾個(gè)科學(xué)巨擘還是很有必要的。

舉幾個(gè)例子。卡諾(Sadi Carnot)是熱力學(xué)創(chuàng)始人，為啥呢？你看看他爸爸Lazare Carnot是什么樣的數(shù)學(xué)和物理教授。Lazare 1803年的論文Principes fondamentaux de l'équilibre et du mouvement（平衡與運(yùn)動(dòng)的基本原理）是首個(gè)對(duì)工程力學(xué)的理論分析，接著又to analyze the movement of energy from one part of the system to another（分析能量從一個(gè)系統(tǒng)到另一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)）。嗯，你明白Sadi Carnot有什么樣的基礎(chǔ)了吧。將老卡諾的這篇文章同卡諾1824年奠立熱力學(xué)的經(jīng)典相比較，思想傳承的徑跡一目了然。楊振寧先生1954年拓展規(guī)范場(chǎng)論的工作{

這樣的拉格朗日量可不是誰(shuí)都會(huì)隨便構(gòu)造的呃}，這同他有個(gè)留美的數(shù)學(xué)教授父親因而數(shù)學(xué)功底極好大有關(guān)系。再說(shuō)一個(gè)更離譜的，David Hestenes是我膜拜的教授，他在用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言，主要是是幾何代數(shù)，重寫整個(gè)物理學(xué)。他的理解和表述總是那么清澈。David的爸爸Magnus Hestenes是UCLA的數(shù)學(xué)教授, 長(zhǎng)于變分法，是計(jì)算機(jī)科學(xué)的開拓者之一。少年David放學(xué)去爸爸的辦公室，總會(huì)穿過(guò)物理系的大樓。有一天，15歲的兒子跟數(shù)學(xué)教授爸爸說(shuō)：“我打物理樓的樓道經(jīng)過(guò)的時(shí)候，看了幾篇理論物理教授掛在外邊的論文，發(fā)現(xiàn)他們太不嚴(yán)謹(jǐn)了。” 數(shù)學(xué)教授Magnus Hestenes教誨兒子道: “嗨，你對(duì)理論物理教授要求那么高干嘛啊?！?據(jù)說(shuō)少年的David Hestenes暗暗下定決心，要把理論物理改造得嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)兒。And，later，雖然學(xué)醫(yī)、學(xué)文又當(dāng)兵，David 最后還是投入了數(shù)學(xué)物理，果然其數(shù)理成就讓筆者佩服得五體投地。

行文至此，我有幾點(diǎn)感慨。有好的父母、好的鄉(xiāng)親們、好的老師和好的環(huán)境，不是一個(gè)人成材的充分條件，對(duì)某些人來(lái)說(shuō)可能都不是必要條件，但這些是有利條件啊。學(xué)習(xí)的環(huán)境里，要有大神級(jí)的鄉(xiāng)親們，這是我從前沒意識(shí)到的。娃啊，乖哈，想學(xué)習(xí)，到有學(xué)問的地方去，到有學(xué)問的人身邊去?？纯茨抢蠋?，你要是覺得他沒學(xué)問，那他肯定就是沒學(xué)問。轉(zhuǎn)身，走。

最后一點(diǎn)，不管我們學(xué)習(xí)的條件有多么不堪，不管現(xiàn)在要學(xué)的東西是多么地多、多么地難，我們都要好好學(xué)習(xí)啊。后來(lái)者要超越從前的先輩，這是歷史賦予的責(zé)任。