第35卷第5期2014年10月
首都师范大学学报（自然科学版）Journal of Capital Normal University
（Natural Science Edition ）
No．52014Oct．，
·现代磁学巨匠：约翰范弗莱克
何思维
尹晓冬
（首都师范大学物理系，北京100048）
*
摘要
原子光谱、晶体场理论和磁共振等方面美国著名理论物理学家范弗莱克一生进行了包括量子理论、磁性理论、“现代磁学之父”．1977年，的广泛研究．范弗莱克对现代磁学的发展做出了卓越的贡献，被誉为因为磁性和无序体系电子结构的基础性理论研究，他与安德逊、莫特分享了诺贝尔物理奖．本文梳理了他的生平，回顾了他的科学研究工作以及他在人才培养上鲜为人知的事迹．
关键词：约翰·范弗莱克，磁学，量子理论．
09中图分类号：N4-
1···哈斯布鲁克范弗莱克生平约翰
约翰·哈斯布鲁克·范弗莱克（John Hasbrouck
Van Vleck ，1899～1980），1899年3月13日生于美国康涅狄格州的米德尔敦，家庭学术氛围十分浓厚．他的祖父约翰·门罗·范弗莱克（John Monroe Van Vleck ，1833～1912）是卫斯理大学的天文学教授，这所大学的天文台上刻有他的名字，且天文台是他·祖父的哥哥约瑟夫范弗莱克（Joseph Van Vleck ）捐赠的．他的父亲爱德华·伯尔·范弗莱克（Edward Burr Van Vleck ，1863～1943）于1893年取得哥根廷大学博士学位．1895～1905年间，爱德华在卫斯理大学工作．1906年，爱德华前往麦迪逊的威斯康星大学任数学教授，一直工作到退休．人们为了纪念他，数学系的教学楼（Van Vleck Hall ）就是以爱德华··伯尔范弗莱克命名的的成就密不可分．
范弗莱克幼年是跟随父亲在巴黎和哥根廷度过的．直到1906年，
他才随父亲回到麦迪逊并在公立
04-08收稿日期：2014-①
Phi Beta Kappa ：美国大学生优等生协会，成立于1766年12
月5日．这是一个在美国大学人文科学和自然科学领域里最古老的荣誉团体．凡在大学中学习成绩优异的才艺被选为该团体成员．
*首都师范大学“哲学社会科学青年学者拔尖人才培养计划”
［1］
图片来源：http ：//www．nobelprize．org /nobel_prizes/physics/
laureates /1977/vleck-bio．html
．范弗莱克的家族与大学
有着不解之缘，这种良好的家庭教育环境与他日后
学校学习．大学期间，他因学习成绩优异，还当选为
美国大学生优等生协会（Phi Beta Kappa ）①成员．1920年，范弗莱克从威斯康星大学毕业获学士学位．随后他进入哈佛大学学习物理．经过一个学期的学习，他逐渐地意识到他最适合的工作就是当一名物理学家．在他看来，物理学有着广阔的发展前景．1882～在哈佛的两年间，他在布里奇曼（Percy W B ，
1961）教授和肯布尔（Kemble E C ）教授的指导下完成了大多数课程．他尤其对肯布尔教授的量子理论产生了浓厚的学习兴趣，所以决定对量子理论进行更进一步的研究．在肯布尔教授的指导下，他完成了
31
模型电离能的计算为题的博以氦原子“交叉轨道”
士论文．这是美国第一篇用量子论进行纯理论计算
［2］
的论文．1922年，范弗莱克获博士学位．1922～1923年，他在哈佛大学担任讲师．
2范弗莱克的学术成就
范弗莱克获得诺贝尔奖，不是由于某一特殊的
发现，而是由于多年以来在物理学多个领域所做出的贡献．他的研究领域很广：原子结构的量子理论、磁学、原子价理论、原子和分子和光谱、铁磁共振和铁氧体共振等．他从事磁学研究将近五十年，推动了现代磁学的发展．他将物质的磁性与原子结构结合起来，使用量子力学的方法，精确解释了一系列化学
［4］
元素中的单个原子的磁性．
磁学作为一门学科，人们认为是从英国科学家
［5］
吉伯（Gilbert W ，1544～1603）开始的．1600年，《磁石》（De Magnete ），吉伯出版了这是磁学的基础
著作，也是英国的第一部科学著作．此后，磁学的发展逐渐深入．1785～1791年间，库伦（Coulomb C A de ，1736～1808）建立了著名的库伦定律，这是电磁1775学基本规律之一．1820年，安培（AmpèreA．M ，～1836）提出分子电流假说．25年后，迈克尔·法拉1791～1867）接连发现了顺磁性和抗第（Faraday M ，
．磁性并在前人的基础上提出了“麦克斯韦方程”1895年皮埃尔·居里（Curie P ，1859～1906）得到了
顺磁体的磁化率正比于其绝对温度的居里定律．1905年，朗之万（Paul L ，1872～1946）利用理论解释的方法验证了皮埃尔·居里提出的两个经验规律（居里抗磁性定律和居里定律）．两年之后，法国物理学家外斯（Weiss ，1865～1940）创建了几乎整个铁磁性理论．他提出了两个假设：分子场假设和磁畴假设．尽管这两个假设既没有揭示分子场的本质也没有磁畴理论的基本依据，但却是固体铁磁理论的
［6］
最早尝试．2. 1
早期的研究工作
范弗莱克首要的研究工作是旧量子理论中的光谱和色散的关系．1926年，他的第一部著作《原子理论与线状光谱》出版问世．由于新的量子理论受到追捧，范弗莱克这本书并没有得到太多关注．可是，范弗莱克并没有因此气馁，他在写作过程中得到了很好的锻炼，形成了自己的清晰的写作风格．1926～1928年，正值量子力学萌芽之际，当时范弗莱克在学习量子力学的时候，从的旧量子论和一致性原理中得到了很大的启发，尤其是矩阵形式在磁学领域的应用．在顺磁性领域里，得到了对于不
参见：http ：//www．nobelprize．org /nobel_prizes /physics/laureates /1977/vleck-bio．html
①
1923年，范弗莱克来到明尼苏达大学成为助理教授．这源于他曾在美国物理学会的会议上作了一次关于他的博士论文研究内容的报告，引起了明尼苏达物理学教授们的注意．在那里他只给研究生授课，因此他有着充裕的时用进行科学研究．1927年，范弗莱克成为教授．同年，范弗莱克在明尼苏达遇到了皮尔逊（Abigail June Pearson ），当时她是那里的一
他们在1927年6月10日结婚，范弗莱克在位学生，
他的诺贝尔演讲的自传中提到：1977年12月10日，也就是得到诺贝尔奖的那天，正好是他们结婚的50年半①．1928年，范弗莱克回到了他父亲工作的威斯康星大学，任理论物理学教授，直至1934年．1930年，他参加了在布鲁塞尔举行的第六次索维尔会议，此次会议的主题是磁学，会上他提交了报
——钐、告—铕离子的磁化率（The Susceptibility of Samarium and Europium Ions ）［3］．一同参加会议的还有爱因斯坦、居里夫人、海森伯、郎之万等．他是当时唯一一名被邀请的美国科学家，这足以说明他在磁学领域的工作获得了国际的承认．
1934年，范弗莱克回到哈佛大学，第二年成为1951年继布里奇曼之后任霍利哈佛大学的正教授，
斯数学和自然哲学教授（这是美国北部最早由捐款设立的一个科学职位），直到1969年退休．1945～1949年他任哈佛大学物理系主任；1951～1957年，任该校工程和应用物理学院的第一任院长．
范弗莱克还曾任美国物理学会的主席兼顾问，美国科学院、美国科学促进会和理论物理及应用物理国际联合会的副主席．他至少是五个国际协会的成员，授予他名誉学位的有巴黎大学、牛津大学等名校．他是凯斯学院的第一个迈克尔孙奖获得者，美国通用电气公司1965年朗缪尔奖获得者．1966年，他获得了国家科学奖章．1974年，他荣获荷兰皇家艺术与科学学院颁发的洛伦兹奖章．1977年，他与安1923～）、1905德森（Andersen P W ，莫特（Mott N F ，～1996）因对磁性和无序体系电子结构的基础性理论研究做出了突出性的贡献，共同获得了诺贝尔物理学奖．1980年10月27日，这位81岁的科学家因突发心脏病与世长辞．
32
证明对称原子和分子的抗磁磁化率的顺磁附加项，在某些抗磁性分子中（例如O 2）会出现顺磁性，提出
了顺磁物质中的磁化率与温度无关的观点，这一现象被称作范弗莱克顺磁性
［7］
书中还将海森堡揭穿的外斯分子场的秘密作了解
释．指出这种场是由不同磁性原子的交换效应所引起的，这种效应进一步引发了产生自旋所需的强耦
：“就我所知，合作用．安德森这样评价这本书书中所引用的所有结果至今都是正确的，不必修改，只可
以补充．它是一本有巨大影响的著作，为美国的固体物理学树立了一个标准和风格，它大大地影响了后
［10
——使之变好”］．来几十年的发展—2. 2
对晶体场与弛豫理论的学术研究
范弗莱克另一个研究对象是晶体场理论．在他
1906～2005）所介绍的晶体之前，贝特（Bethe H A ，场理论在群论中是比较少见的．范弗莱克意识到这
个问题，并且将群论的形式加以改进．最终有了我们一直沿用至今的形式—一个有效场再次作用于角动量矢量．利用这种形式，我们能够清晰地知道轨道角动量矢量．这是范弗莱克在磁学方面最重要的贡献之一．但是，由于这只是定性地讨论了晶体场的作用，强调会抑制铁族盐类磁矩的轨道这一事实．正当范弗莱克为没有时间和精力把这件事做好之时，1931年春，两位来自英国的博士生威廉·彭尼（Penney W ）和罗伯特·施勒普（Schlapp Ｒ）帮助他作稀土盐类和铁族盐类的计算．通过实验他们发现如果晶体场引起的能级分裂比较小，那么把原子看做自由的来处理是一个很好的近似．这一条件在室温下对稀土元素能够很好的满足，因而也成功的解释了洪德理论形成原因．范弗莱克认为把晶体场理论应用于铁族化合物时，其结果是令人瞩目的并且形成了现代磁化学的基础．
范弗莱克同时也进行顺磁弛豫理论工作．1930年，范弗莱克得到了古根海姆（Guggenheim ）研究基金因而到欧洲研究和旅行．他说这次科学出行的最大收获是同克拉默斯（Kramers ）在乌德勒支附近的河边散步时的谈话．克拉默斯把自己的奇数电子分子的退化原理和贝特的应用群论确定处于晶体场中的原子以及离子的量子能级告诉了他．这给予了范弗莱克一些重要的启示，也引起了他对群论的毕生兴趣．1937年，杨（Jahn H A ）和特勒（Teller E ）首次从理论上证明各种非线性的分子的电子云在某些情形下会发生构型形变，因此使得能量与对称性都会减小．此时，范弗莱克已经意识到杨-勒特效应会对磁化率产生重要影响，而且这一效应与分子振
①
．
范弗莱克对磁学的研究始于三种常见的顺磁气
体，即氧气、二氧化氮和一氧化氮．他首先讨论了一氧化氮，在他看来，这是三种气体中最具有探索性的
1896～1986）一种．1926年，马利根（Mulliken ＲS ，从与马利确定了一氧化氮分子的基态能级为Ⅱ态，根的通讯中，范弗莱克得知由自旋-轨道相互作用引
－1
起的其两个分量相距约122cm ，但是不能确定这
2
一双重态是正常的还是逆转的．范弗莱克根据马利根给出的能级，尝试着用量子力学计算了一氧化氮的磁化率释
［9］
［8］
，他发现与室温下实验中得到的磁化率
相一致；说明可以用双重线是正常的这一结论来解
．1929年，莱顿、麻省理工和苏黎世的实验室在低于室温下的测量实验肯定了他的预言．此外，范弗莱克还研究了洪德（Hund F H ，1896～1997）1925年写的一篇关于稀土化合物磁化率的文章．在这篇文章中，洪德很好地解释了绝大多数稀土离子的磁化率，得到了磁化率公式，但是对于铕（Eu ）和钐（Sm ）的解释是失败的．1928年，拉波特（Laporte O ）把洪德关于磁化率的表达式按玻尔兹曼因子的权重对多重态的各个J 求和，但也没能将磁化率提高到实验值．此时，范弗莱克注意到这种不一致的原因可能是拉波特忽略的能量的二阶项．最终，他与弗朗克（Frank A ）一起合作，得到了与实验一致的令人振奋的结果．
1930年至1931年，他的大部分时间都是在撰《电极化率和磁化率理论》写这本书，他表示不会将自己的论文重新出版成一本书，而是收入更多的新进展．书稿的很大一部分是1930年夏天在欧洲研究和旅行的时候写的，在苏黎世的那段时间特别高产，该书最终于1932
年出版①．
在这本书中，他考察了
旧量子理论的限制，将它们与新量子力学的成功做了对比，同时为固体物理和磁学的现代理论奠定了理论基础．这本书几乎囊括了当时关于磁学所有的重要理论．这其中包括：朗道关于自由电子抗磁性的文章，这篇文章讲到无自旋的自由电子具有很小的抗磁磁化率，这与经典力学的零结果相反；泡利认为传导电子的自旋矩仅引起极小的顺磁磁化率，且与温度无关．泡利的文章非常重要，因为它首先将费米—狄拉克统计应用于固体之中．此外，范弗莱克在
Van Vleck J H．The theory of electric and magnetic
susceptibilities ［M ］．London ：Oxford University Press ，1932．
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动能量效应很相似．范弗莱克把这两个理论运用到自旋—晶格弛豫耦合引起的顺磁理论的工作上．1938年，范弗莱克访问荷兰时，戈特（Gorter C J ）教授激发了他对射电频率极化率行为以及有关弛豫问题的兴趣．他对钛、铬和正铁离子的弛豫时间做了详细明确的计算，但是与实验结果不符合．最终，他得出这是有声子瓶颈现象存在
［11］
磁性物质的微观本质，使得人们对磁学的认识更为
清晰、深刻．2. 3“二战”前后的重要研究
“二战”期间，范弗莱克是哈佛大学的无线电研究实验室理论组负责人，并在麻省理工学院的辐射实验室从事雷达研究．他的工作重点主要在防范措施等方面，包括空投铝箔金属条干扰敌人的雷达，战后发表了有关论文．珀塞尔（Purcell E M ，1912～1997）后来回忆说：当时他是辐射实验室中的一员，“正在研究微波雷达，在分米波通过地球的潮湿大气传播中出现了始料未及的问题．那是一个难题，范弗莱克找出了关键．的确，如果我们更早地咨询了
［2］他，我们有可能避免一个代价很高的错误”．范弗
．因而在和荷兰的低
温小组的合作中，他在理解磁向量的弛豫时间、自旋—自旋弛豫和自旋点阵弛豫的性质方面逐渐成为
了关键人物．后来，他还把这些概念用于射频波谱学，为此学科的发展做出了重要贡献．
范弗莱克的自旋-晶格耦合引起的顺磁弛豫的理论一直持续到“二战”期间．在此期间，纯理论的工作几乎没有人愿意做，磁学的研究发展变得缓慢起来．在这种情况下，范弗莱克仍旧处在科学研究的前线，他从事雷达研究也涉及到中子衍射、电子自旋共振等方面．战后，他又从事晶体中稀土元素的电子组态方面的研究．战前，人们对稀土元素的理解还很肤浅，由于这类材料的结构非常复杂，所以对这类化合物作的磁测量还很少．而范弗莱克与他的助手们坚持进行研究．最终，他们得出在晶体势场的级数展开中的高次谐波项比早先预想的更重要的一个实验结果．范弗莱克与助手们对晶体场分析取得了很多的成就，这也推动了量子化学的发展．
范弗莱克的研究工作至今还在影响着现代磁学的发展方向．2013年3月14日，美国《科学》杂志在线发表我国科学家关于磁性拓扑绝缘体中的量子化反常霍尔效应研究进展．这其中通过磁性掺杂，借助范弗莱克顺磁性，可以实现磁性的拓扑绝缘体，磁性居里温度可以达到70K 的量级．利用此发现可以让我们现在所使用的计算机变得更快，也可以做的更小而且不发热．可见，范弗莱克顺磁性这一发现对信息技术的发展有着非常重要的意义．现在，我们可以知道范弗莱克对于磁学的主要的贡献：从量的方面和从微观的角度来解释磁性材料的真正实质．范弗莱克是现代量子力学磁性理论的奠基人，他最先建立了自旋-晶格耦合引起的顺磁弛豫的理论，也最早把晶体场与配位场结合应用于反铁磁性的研究．通过他的努力，人们可以方便的捕获不同的个体．他的得意门生安德森曾这样评价过他：通过他对晶体场理论、顺磁性、共振光谱学和量子理论的研究，他把磁学扩大到人人都能涉及到的广大领域
［12］
莱克在研究中发现大气中的水分子会对波长大约
1. 25cm 的微波产生干扰性的吸收，对于0. 5cm 的雷达波长氧分子会有同样的吸收，这一发现不仅对军事雷达系统有重要意义，而且对后来新兴的射电天文学有着重要作用
［4］
．范弗莱克有关微波的研
究，奠定了微波波谱学的基础，战后这个研究领域得
奥本海默在加州大学到了飞跃发展．1942年7月，
伯克利分校针对核武器举行了一次讨论会，包括范
弗莱克在内的8名理论学家参加了这次会议．从7月到9月，这个小组一直在研究原子弹的构造原理，范弗莱克的理论工作最终促使了洛斯阿拉莫斯核武器实验室的成立，这就是著名的曼哈顿计划．
：“按照安德森在为范弗莱克所写的传记中说我的观点，范弗莱克作为科学史上主要的重要人物
的地位，最主要是因为他在战后不久的而不是在战
［1］前的成就，它们是如此之大”．在这段时间内他与
1915～）、至少珀塞尔、汤斯（Townes C H ，布隆姆贝
1920～）和安德森等四位后来的根（Bloembergen N ，
诺贝尔奖获得者有过合作．珀塞尔向他请教能否在理论上解释氟化钙（CaF 2）中F 核共振中观测到的线宽大小，范弗莱克计算出的谱线宽度的均方值及
它对方向的依赖关系整体上与实验符合得很好．他在这些合作中，扮演了参谋和顾问的重要角色，那些在他周围工作过的人，特别是实验工作者，对范弗莱克的帮助都非常感谢．他在建立量子电子学领域中迈出了第一步，人们发现，向他致谢和引用他的成果的论文出现在核磁共振、电子自旋共振、分子微波波谱学以及铁磁共振波谱学等领域中．战后时期的许多发现，如核磁共振、光学激光器和中子衍射等都是与范弗莱克的工作密切联系的，一些是间接的，一些
．范弗莱克的工作是以量子理论的方法解释了
34
是直接的．
3范弗莱克的为师之道
助理教授，从此他的科学研究也开始步入正轨．范弗莱克平等待人，作为一位知名的学者，他没有一点架子，对待学生就像对亲密的朋友一样热情、关心；他对身边的每一个人，不管是同事、秘书、工人、研究生或是本科生都是平等的．他爱护每一个学生，鼓励他们在学术会议上提交自己的研究结果，有——这些都是意地将他们介绍给著名的物理学家们—他的朋友和同事，很多是当时在物理学界享有盛名
［2］
的学者．与他同在哈佛大学工作的同事这样评价
［13］
．安德森也曾：“他是一位少有的绅士和学者”他
范弗莱克一直重视青年物理学家的培养，发掘
有潜力的学生．在教学方式上，他善于循循善诱．许多毕业多年的学生仍能回忆起他那独特的授课方式．当他走进教室总是问大家‘最聪明的对号’是什么？在他的群论课上，大家在一起讨论解决了很多棘手的问题．他提出的问题通常很短但很富有思考性．伴着老师一点点儿的提示，学生们逐渐领会到问题的含义．这种合作式的课堂教学让很多学生感到受益匪浅．很多同学都不止一次地表示过听过范弗莱克的课会收获很多知识，大家都喜爱老师上课的方式，更把课堂看成是艺术的享受．
范弗莱克在课堂上很注意减小他在学生的研究工作中的作用，注意发挥学生的主动作用．他和很多学生没有共同发表的文章，一些学生尽管是在他的思想的鼓舞下完成的工作，但是不在他的名下发表
［10］
：“范弗莱克是继吉布斯（1839～经不止一次表示过
1903，Josiah Willard Gibbs ）后美国最伟大的理论物
［14］理学家”．
4结语
“量子力学是认识磁性的钥匙．当你用这把钥匙进入第一间房子中的时候，会意想不到地发现里面还有更多的房子，但这把钥匙总是能打开每扇门
［15］
的”．的确，范弗莱克话发人深思．这把钥匙在磁学领域里就像是高级的数学技巧，随着时间的推移，奇异的此现象会不断被科学家发现．
范弗莱克为人正直，对于一切问题都是怀着科学的、实事求是的态度．他所取得成就与自己持之以恒的研究是分不开的．理论物理当中涉及了许多枯燥的运算，如果没有一往直前的科学研究精神是不可能取得任何成就的．不仅如此，范弗莱克还善于与人合作，学习他人之长．前文已经提到哪怕是去欧洲旅行之时也不忘与同行交流学术思想．
范弗莱克对待工作有非常强的敬业精神．他对工作一丝不苟，且经常主动参与其中，与助手、学生共同探讨问题．他知识渊博，对下一代科学家的培养工作有着自己的真知灼见．他不断吸收新知识，力求跟上物理学研究前沿．他还毫不犹豫地表示：新量子理论要比旧量子理论好得多．这表明了范弗莱克也善于接受新事物并及时地调整自己的研究方向．
当然，范弗莱克有着良好的家庭教育背景，且一直在大学这个学术氛围浓厚的环境中工作．不得不承认，威斯康星大学和哈佛大学良好的治学风气也对他的研究有着深远的影响．范弗莱克为科学和教育事业奉献了自己的一生，他严谨的治学精神和为人师表是值得后人铭记的．
．他一生桃李满天下，而且许多学生学术水平
也相当地高．例如，赛伯（Serber Ｒ）、巴丁、布鲁克
斯、彭内，还有与他一起获得诺贝尔物理学奖的安德森．可以说，范弗莱克在培养新一代物理学家上做出了重要的贡献，许多日后有成就的物理学家把自己的成绩归功于他．
范弗莱克不仅在教育学生上硕果累累，在生活以及事业上对学生的帮助也是无微不至的．据安德森回忆：在自己刚从哈佛大学毕业时，范弗莱克冒着鹅毛大雪驱车赶往贝尔实验室，说服那里的工作人
［13］
员接纳自己．这让安德森对自己的老师感激不已．还有一位科学家也得到了范弗莱克的无私的帮
1908～1991年），助，这就是约翰·巴丁（Bardeen J ，
他因晶体管效应和超导的BCS 理论两次获得诺贝1972年）．早在威斯康星大学任尔物理学奖（1956、
教时，范弗莱克就发现巴丁才华横溢，是个不可多得的人才．1936年，巴丁在普林斯顿大学获博士学位．毕业后，他没有找到合适的职位．听到这一消息，范弗莱克立即帮助他成为哈佛大学初级研究会的会员，该学会为巴丁提供了3年的研究经费，使巴丁的生活暂时有了着落．这件事情让巴丁印象极为深刻．后来，他又与范弗莱克在美国的剑桥进行科学研究，在学术上老师也对巴丁进行了指导．在范弗莱克的不懈努力之下，巴丁在明尼苏达大学担任了物理系
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－170．
The Modern Magnetism Master ：John Hasbrouck Van Vleck
He Siwei
Yin Xiaodong
（Physics Department ，Capital Normal University ，Beijing 100048）
Abstract
John H．van Vleck is the most famous American theoretical physicist ，he made important contribution in the field of condensed matter physics．His put his all life in a wide range of scientific research work ，including quantum theory ，paramagnetic and diamagnetic theory ，atomic spectroscopy ，the crystal field theory and ferromagnetic resonance ，and so on．John van vleck made important contribution to modern magnetism ，so he known as the “father ”of modern magnetism．In 1977，because of magnetic and disordered system electronic structure of the basic theory research ，he won the Nobel Prize in physics with Anderson and Mott．The article introduces his life 、the scientific research work and some little-known stories on training scientific talent．
Key words ：John H．Van Vleck ，Magnetism ，Quantum Theory．
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