两项“量子”液体成果登同期Nature，为何诺奖只给了他？

原标题：两项“量子”液体成果登同期Nature，为何诺奖只给了他？

【本文来自微信公众号“科学网”】

20世纪30年代，实验科学家发现，当液态氦-4的温度降低到2.17K时，会表现出一系列与普通液体截然不同的性质，具体表现为可流畅地通过毛细管，这种完全没有阻尼的现象被称作超流（Superfluid）。

这是继荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在1908年实现氦的液化之后，低温物理学的又一大重要进展。

超流可以被认为是“量子”液体，是一种肉眼可见的宏观量子现象。自液氦超流被发现后，它逐渐成为了科学家对量子多体体系集体行为的实验检验平台，催生出多项重要成果，至今仍是量子物理重要的研究领域。

尽管超流的发现被认为是20世纪物理界具有标志性的事件之一，这项具有开创性的科学发现却迟迟没有得到诺贝尔物理学奖的肯定，直到40年后才被授予诺贝尔物理学奖。

1978年，苏联物理学家彼得·列昂尼多维奇·卡皮查与美国的阿尔诺·彭齐亚斯（Arno A. Penzias，1933—）、罗伯特·威尔逊（Robert W. Wilson，1936—）共享了诺贝尔物理学奖。

其中，卡皮查的获奖理由是表彰他对“低温物理领域的基本发明和发现”，其他两位科学家则因为“发现宇宙微波背景辐射”而获奖。

然而，近年来科学界出现了一种声音，加拿大多伦多大学的物理学教授阿兰·格里芬（Allan Griffin，1939—2011）认为，卡皮查应该与另外两位加拿大籍科学家杰克·艾伦、唐·米森纳共享诺贝尔奖这一荣誉。

目前学术界不乏有关卡皮查和超流历史的研究文章，但是对于这一争论尚未见有深入的讨论。

本文从科学史的角度，剖析他们发现超流的主要论文和相关工作，分析双方关于超流研究及其优先权问题，并对卡皮查是否应该与艾伦等人共享1978年诺贝尔物理学奖进行讨论。

《自然》同期发表的两篇文章

1938年1月8日，著名科学杂志《自然》（Nature）的第74、75页同时登载了两篇关于超流的文章，一篇的作者是莫斯科物理问题研究所的卡皮查，标题是“λ点以下液氦的粘性”，投稿时间为1937年12月3日；另一篇作者是英国剑桥皇家蒙德实验室的艾伦和研究生米森纳，篇名为“液氦Ⅱ的流动”，投稿时间为1937年12月22日（见下图）。

卡皮查和艾伦发表在《自然》杂志的论文

对比这两篇文章，会观察到一个有趣的现象，即与现在动辄有几十篇参考文献的论文相比，这两篇文章的参考文献屈指可数。卡皮查的论文引用了三篇文献，艾伦的论文引用了两篇文献。巧合的是，卡皮查的三篇参考文献中包含了艾伦引用的两篇参考文献。

再对这三篇参考文献进行进一步考察，发现艾伦的论文引用的两篇参考文献，分别是多伦多大学物理系主任埃里·波顿（Eli Franklin Burton，1879—1948）于1935年在《自然》发表的只有半页的短文和1937年艾伦本人及合作者在《自然》发表的论文。卡皮查比艾伦多引的一篇参考文献，其实是1935年波顿短文介绍的实验细节。

波顿在其短文的末尾注明：“这个工作是由威尔海姆，米森纳和克拉克完成的。”米森纳后来成为了艾伦的博士生，他也是艾伦1938年1月发表的那篇论文的作者之一。

有趣的是，艾伦和米森纳1938年的文章没有引用那篇由米森纳作为署名作者之一的实验文章，反而是卡皮查同时引用了波顿的文章和米森纳的文章。由此，我们才得以注意到这个细节，并挖掘出一段几乎被湮没的历史。

正因为卡皮查在1938年1月发表的文章中引用了艾伦在1937年发表的论文，这就成为格里芬提出争议的主要证据。

他在提出艾伦和米森纳应与卡皮查分享诺贝尔奖荣誉的文章中认为：“如果没有艾伦和米森纳的早期工作，我怀疑卡皮查就不会对测量液氦粘度产生兴趣，更不用说因此获得诺贝尔奖了。”

那么，事实果真如此？为了还原历史原貌，笔者认为有必要对卡皮查、艾伦和米森纳他们三位科学家的主要工作经历和他们发现超流的过程进行较为系统的考察。

卡皮查的主要工作经历

关于卡皮查（见下图）的生平和主要学术贡献，学术界已不乏介绍，比如他在剑桥时的博士生大卫·休恩伯格（David Shoenberg，1911—2004）和他苏联的助手帕维尔·叶夫根尼维奇·鲁宾（Pavel E. Rubinin，1925—2006）等人撰写的书和文章，不仅详细记录了卡皮查一生丰富的经历和工作，还收录了卡皮查与家人、同事和朋友们的书信等。

国内也有不少关于卡皮查的研究文献，其中代表性文章有清华大学刘兵教授的“奇特的经历与特殊的成就——苏联物理学家卡皮查”和旅美学者华新民先生的“苏维埃的海归——卡皮查和他的‘克林姆林宫书简’”等。

笔者参考相关文献，简述卡皮查的工作经历，并重点介绍他在液氦领域的开创性工作。

彼得·列昂尼多维奇·卡皮查

卡皮查出生于学术世家，他的外祖父是一位杰出的数学家、天文学家和物理学家，父亲是有军衔的军事工程师，母亲是文学家。卡皮查在少年时期就表现出具有出众的数学才能，1918年毕业于圣彼得堡工学院后留校任教。1921年5月，27岁的卡皮查来到英国剑桥卡文迪许实验室采购仪器。

那时，苏联政府在阿布拉姆·约飞（A. F. Joffe，1880—1960）推动下，建立了“苏联科学院恢复与其他国家联系委员会”，供科学界从西方购买科研设备。约飞等人非常欣赏卡皮查，因此他得到了去英国的机会。

卡皮查跟随约飞前往剑桥大学拜访了著名物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937），卢瑟福热情地接待了他。

但当卡皮查试探的询问是否可以在他这里学习时，卢瑟福的态度立即变得冷淡起来，他拒绝了卡皮查，说实验室已经满员了。卡皮查被拒绝后，问了卢瑟福一个毫不相干的问题，就是问他做实验时能够接受多小的误差。虽然有些诧异，卢瑟福还是回答卡皮查，能接受大概3%的误差。

卡皮查说，您的实验室有30个学生，加上我一个对您的实验室毫无影响。因为我这3%的误差是您可以接受的结果。卢瑟福被卡皮查的机智和勇敢所折服，于是收下了他。

纵观卡皮查的一生，评价他为全能的实验物理学家毫不为过。

他擅长设计、改进实验装置，卢瑟福交给他的几个工作他都出色的完成，并且在第一年就发表了论文。很快他便成为卢瑟福的重要助手，并于1923年夏天破例获得了剑桥大学的博士学位。

1925年，他被聘为剑桥大学三一学院的研究员；1929年，他作为1914年之后唯一的外国人被选入皇家学会，几个月后被选为苏联科学院的通讯院士，成为欧洲学术界冉冉升起的新星。

从1921—1930年近十年的时间里，卡皮查的学术地位得到了极大的提升，而这只是他辉煌的开始。

1930年，他向卢瑟福提出了一个想法，希望建立一个全新的实验室来继续他的强磁场实验和低温实验。卢瑟福欣然同意，并帮助他申请到了皇家学会蒙德基金（Royal Society Mond Fund）15,000英镑的支持。由此著名的蒙德实验室（Mond Laboratory）于1931年建成，卡皮查担任首任实验室主任。

1932年，他开始设计一种新的氦液化器，在1934年获得成功。

1934年4月19日，在卡皮查给母亲的信件中，他激动地写道:“今天我的新型液化器终于成功的生产出了液氦。我已经整整研究了十三个月零十四天了。这是低温物理学界的一个重要的进展。利用这个方法，我们可以获得至少十倍于常规液化器制造出的液氦，而且速度更快。重要的是，我们不再需要使用液氢作为冷却剂，而是直接用液体空气。这使得整个过程更加安全和简单。”

其实，液化器并非卡皮查独创，在昂尼斯于1908年制造出液氦以后，全世界的低温实验室都是使用昂尼斯的液氦制作方式。但是，这种方式效率较低，制造液氦的费用昂贵。卡皮查对液化器进行了改进，他基于气体膨胀而不是使用液态氢作为中间步骤，研发了一种新型液化器。

卡皮查改进液化器是一项独具开创性的技术突破，这种改进不仅为剑桥大学接下来的15年间提供了液氦，他的设计思路还被氦液化器的工业化所借鉴。

氦液化器的工业化使得建造低温物理实验室的门槛不再那么高不可及，低温物理由此获得了迅速的发展。如果说昂尼斯是低温物理的开山鼻祖，卡皮查则是将低温物理发扬光大的一代宗师。

然而，正当卡皮查在低温物理研究道路上阔步向前时，一件突发事件打断了他的脚步。1934年卡皮查回苏联度假时被苏维埃政府扣留下来，他被告知不能再回英国了。走投无路的他甚至拜访了巴甫洛夫，想要改行。

另一方面，卢瑟福等同事和朋友们也在通过各种渠道，希望能帮助他回到剑桥，还为卡皮查申请了剑桥大学一年的假期。

然而，苏维埃政府早已下定决心，为卡皮查建造了物理问题研究所，让他担任所长。卡皮查意识到自己无法离开苏维埃之后，也逐渐接受了这样的现实。他通过保罗·狄拉克（Paul Dirac，1902—1984）等人向卢瑟福求助，希望卢瑟福能帮助他购置实验室需要的设备。

卢瑟福慷慨地答应了他的要求，条件是要远程维持蒙德实验室的运行。剑桥大学还给了卡皮查在剑桥的两个主要助手一年的假期，允许他们去苏联帮助卡皮查搭建实验室。

1936年，物理问题研究所竣工并投入使用，卡皮查开始迅速搭建实验室。在研究所的最初20年里，卡皮查研究的重心主要集中在低温物理学领域。

课题之一是低温下液态氦的输运性质，由于他在剑桥时期发明的新式氦液化器，他的研究所得以大量生产液氦，为他们详细研究液氦的流动性质提供了良好的条件。

1938年1月，他在《自然》杂志上发表的短文宣称发现了超流。这项发现及接下来的一系列实验为苏联赢得了两个诺贝尔奖：

一是卡皮查进行的液氦低温超流的研究，另一个是1962年列夫·朗道解释了卡皮查的实验结果，建立了量子液体的理论。

1941年，卡皮查实验室在低温物理方面的工作被卫国战争打断，他转向理论和实用化研究。通过利用膨胀涡轮法，卡皮查开始大规模生产工业用氧气。

1946—1953年间，他因为得罪了当时苏维埃政府的第二号人物拉夫连季·贝利亚，被剥夺了一切职务。卡皮查居住在郊区的度假屋里，在那里建造了一个简单的实验室，进行球形闪电等方面的研究，还做了一些理论性的研究。然而，他人生中的后30余年没有再触及超流这个领域。

艾伦和米森纳的主要工作经历

与卡皮查的情况不同的是，目前中国学术界尚未见有任何关于艾伦和米森纳（见下图）情况的介绍。

笔者搜索到艾伦撰写的几篇关于发现超流的文章，以及他制作的一个关于液氦超流的科学视频。另外，在2001年艾伦去世时，《自然》刊发了一段关于他的生平简历。

唐·米森纳

杰克·艾伦

艾伦1908年出生于加拿大温尼伯，有良好的家庭背景，学习成绩十分优异。艾伦早年毕业于加拿大曼尼托巴大学，获得学士学位，其父是该校的物理系主任。1929年艾伦到多伦多大学学习，开始了低温物理的研究工作，1933年获得博士学位。之后他在约翰·麦克林南（John McLennan，1867—1935）的实验室做过两年博士后。

麦克林南的低温实验室是世界第二个可以使用液氦进行低温物理研究的实验室，他们使用的氦液化器和昂尼斯1908年发明的是同类型的。麦克林南是卢瑟福的好友，这也许是艾伦之后来到剑桥工作的原因之一。

如前文所述，卡皮查被留在苏联之后，导致蒙德实验室的低温研究的工作陷于停顿，蒙德实验室由约翰·科克罗夫特（John D. Cockcroft，1897—1967）负责维持运转。

为了能让低温物理的研究工作继续开展，1935年9月卢瑟福邀请艾伦来到了蒙德实验室工作。在邀请艾伦时，卢瑟福开始没有给他薪酬，但答应在艾伦用工作证明自己能够胜任后，才把卡皮查的一半薪资付给他。

那时实验室还抱持着卡皮查终究会归来的希望。艾伦利用卡皮查留下的液化器等设备，开展了液氦的低温研究工作。

1935年，多伦多大学的一位研究生米森纳对液氦的粘度进行了实验研究。他于1937年来到剑桥的蒙德实验室，师从艾伦攻读博士学位，两人着手研究毛细管中的流动现象。

1937年下半年，他们通过实验发现，液氦可以流过非常小的毛细管，在温度低于2.17K时，粘度基本上为零。

在获知卡皮查已向《自然》投稿，他们也把文章投给《自然》，两篇文章得以在1938年1月8日同期发表。

除发现超流的工作之外，艾伦在低温物理领域还做了许多重要的工作。1937年，他引入了O形密封圈作为真空系统的密封件。

1947年，他发明了铟垫圈用于制造低温密封件。艾伦还用摄像机拍摄了他的实验，包括1938年他发现的超流氦喷泉现象。他拍摄了关于液氦-4所展现的两种流体现象的电影，是早期使用影像来记录实验的科学家之一。

1947年，艾伦离开剑桥前往苏格兰圣安德鲁斯大学担任教授。1949年，他被选为英国皇家学会会员。1966—1969年，他担任国际纯物理与应用物理联合会超低温委员会主席、英国皇家学会物理委员会成员。1978年退休后，他在英国继续生活了23年，于2001年去世。

米森纳在发现超流时是艾伦的一名博士生。通过现有资料，只能了解到他1911年生于加拿大，1935年从多伦多大学毕业，1937年加入了艾伦在剑桥的实验室，后来他回到了加拿大西安大略大学（现韦仕敦大学）任教，1996年去世。

超流发现的优先权分析

1938年1月《自然》同期发表的两篇文章中，卡皮查的文章定性的给出了在相变温度点以下，液氦Ⅱ的粘度比液氦Ⅰ下降了至少1500倍的结论。艾伦则在文章中定量的测量了在温度分别为1.07K和2.17K时，液氦在两个毛细管中的流速与压强的关系，发现液氦在低温下的流速是高温下的10倍。

但本质上，这两篇论文都是研究了液氦Ⅱ在压强差下流过狭窄通道时的粘性，最终结论是氦Ⅱ流过通道时的粘度几乎为零。

卡皮查在实验中使用的是接触在一起的两块抛光的光学平板玻璃，通过光学衍射测量出它们之间大概有0.5微米的缝隙。艾伦则是使用了一根500微米的毛细管以及半长轴为20微米、半短轴为10微米的椭圆形的毛细管。

在此之前，大家都认为相变点以下的液氦Ⅱ只是粘滞系数比较小的液体，没有人想到过会出现阻尼为零的情况。两篇文章都给出了相变点以下的液氦Ⅱ的粘度上限。

然而，两篇论文最大的区别在于，艾伦和米森纳只给出了这么小的粘度却在当时没有任何理论可以解释的结论，而卡皮查敏锐的察觉到，这种粘度极小的性质与超导的电阻趋近于零的性质在本质上可能是一样的，于是他在论文中首次大胆的提出了类似超导的“超流”概念：“根据目前可测量到的极小粘度，我们也许可以推论，就像超导那样，λ点以下的液氦进入了一种全新的物态，我们可以称之为超流。”这是非常重要的结论或猜想。

在科学界普遍认可的做法是，科学家对某个新概念、新现象的命名基本代表了宣称所有权，这也成为诺贝尔奖委员会评选的重要参考依据。所以，卡皮查正式提出“超流”概念是非常明智而且有前瞻性的，也可以体现出一位伟大的物理学家的超凡直觉。

格里芬提出争议的主要证据是卡皮查引用了艾伦和米森纳等人发表于1935和1937年的文章，并在提出超流概念的短文中评论了米森纳等人的工作，他猜测卡皮查是受到艾伦等人的启发才有兴趣研究液氦的超流问题。

那么，我们再来看卡皮查和艾伦都引用的1937年的这篇文章。该文的标题是“液氦中的热传导”。艾伦领导的实验团队发现，与传统的液体不同的是，液氦Ⅱ的热传导与温度梯度并不成正比，而是反比。

而且当温度梯度接近于零时，热传导趋于无穷大。而对于给定的温度梯度，热传导系数从相变温度时候的接近于零，在2K左右达到极限值，然后随着温度进一步降低开始减小。

艾伦在《低温物理工程进展》这本书中撰写了题为“1936—1939，剑桥的早期超流研究”的一章，其中提到，他们认为这个现象非常奇怪，然后就写了这样一篇文章投给《自然》并得以发表。

这表明艾伦团队对于超流的研究还是比较系统性的，但是这篇文章在业内并没有引起太多的关注。

卡皮查在引用这篇论文时提到，他发现的超流中反常的阻尼为零现象，可能可以解释艾伦等人1937年发表的论文中提到的这个奇怪现象。由此可以判断，卡皮查的工作是与艾伦的工作是几乎同时且各自独立进行的。

值得一提的是，在艾伦和米森纳1938年发表的文章中，两次提到“我们得到了卡皮查论文中同样的结论”。显然，在论文发表之前，他们已经读过卡皮查的论文，或者知道了卡皮查的结论。

实际上，在同一本杂志上同时发表两组科学家关于同一个成果的文章较为罕见。艾伦在发表前就读过卡皮查的论文，这看来有点不可思议。

关于艾伦如何能读到卡皮查的论文，值得进行深入梳理。卡皮查在给《自然》编辑写的信里写道：“这是一个很重要的工作，我希望你能尽快发表。请不要再把文章寄回到莫斯科给我清样，因为这需要太长的时间。如果需要，请将它寄给狄拉克、科克罗夫特或韦伯斯特……，我的好朋友们都可以迅速的完成此工作。”

那时的通讯都是通过邮递信函，如果编辑让作者核对清样，从伦敦发函至莫斯科往返肯定需要一些时间。所以，卡皮查向编辑提供几位在英国的好友帮忙完成清样，是完全可以理解的。

那么，艾伦是否在发表前看到或知道卡皮查的论文结论？后来他在其它两篇文章中的说法略有不同。

1988年他在《物理世界》发表的一篇科普文章中提到：“正在我们写（1938年那篇）论文的时候，《自然》编辑把（卡皮查的）论文寄给了科克罗夫特（艾伦当时所在的蒙德实验室负责人）清样，科克罗夫特就把我们的论文也发给了《自然》编辑，希望（和卡皮查的文章）一起发表。”

而在1989年的低温物理工程大会发言中（1990年出版）他又说：“卡皮查要求《自然》编辑把他的论文寄给了我们，请我们清样。”

在科克罗夫特1937年12月18日给卡皮查的信件中也提到：“昨天，我们的实验刚刚完成……韦伯斯特让我替他给你的文章清样，因为他要去法国……，我们的论文这周末也会投稿到《自然》。”

由此可以确定，艾伦在卡皮查的论文发表前了解到该文的清样，这也就清楚的说明了卡皮查的论文先于艾伦团队的论文投稿到《自然》，同时可以判定，艾伦的论文是因为科克罗夫特向《自然》编辑提的要求，才得以与卡皮查的论文一同发表。到此，我们可以列出整件事情的大概时间脉络：

1937

2月22日

卡皮查在莫斯科重建的实验室新制冷剂开始生产液氦-4；

1937

6月

玻尔访问卡皮查时，卡皮查告诉他，他准备研究温度在 λ 点之下的液氦的阻尼； 

1937

6月22日

艾伦向《自然》投稿“液氦中的热传导”一文，并于7月10日发表； 

1937

11月11日

艾伦和米森纳在实验室的数据本中记载了他们首次发现超流；

1937

12月3日

卡皮查投稿给《自然》； 

1937

12月18日

科克罗夫特写信给卡皮查说他们的实验17号刚刚完成； 

1937

12月22日

艾伦投稿给《自然》；

1938

1月8日

两人的论文同时发表。

虽然无从得知卡皮查究竟是何时通过实验独立发现超流，但是在科学界有一个惯例，就是由论文的投稿时间作为确定某个工作的完成时间。

可以确认的是，虽然卡皮查与艾伦团队都是独立完成超流的工作，但是卡皮查的投稿时间比艾伦早，又是第一个明确提出“超流”概念的人。

目前，低温物理学术界都认可卡皮查与艾伦小组分别独立发现超流。

在1978年诺贝尔奖颁奖典礼上，拉梅克·霍尔滕的颁奖词中也提到了，在卡皮查发现超流的同时，艾伦和米森纳也同时独立发现了超流，可见诺贝尔奖委员会是清楚这一事件的。

但他们还是选择将诺贝尔奖颁发给了卡皮查。卡皮查获得诺贝尔奖的完整理由是：“当物质被冷却到非常低的温度时，它们的性质就会改变。液氦的优势在于它既可以被冷却，也可以冷却其他的物质。

1934年，彼得·卡皮查发明了一种大量产生液氦的方法，它促进了许多低温相关研究。此外，彼得·卡皮查还在1937年发现，在非常低的温度下，液氦可以毫无阻力的流动，这种现象被称为超流。”这段话清楚的说明了卡皮查获得诺贝尔奖的理由是由于他发明了新式液化器和发现超流这两项工作。

结语

作为一位伟大的物理学家，卡皮查获得诺贝尔物理学奖是当之无愧的，但是过程却十分漫长。在1937年之后的40年里，卡皮查一直被提名诺贝尔奖。

在诺贝尔奖官网上可以查到，卡皮查自1938—1966年间共被提名了34次诺贝尔奖，提名者不乏尼尔斯·玻尔、朗道、狄拉克等著名科学家，而艾伦一次也没有被提名。1978年，卡皮查终于获得了诺贝尔奖委员会的肯定，以84岁高龄获得诺贝尔奖，此时距离他1937年发现超流已经过去了40年。

在领奖致辞中，他对发现超流这件事情只是一带而过，却着重提到了他在苏联做的热核聚变等离子体物理学方面的工作。有人说这是他对自己迟来的诺贝尔奖的抗议，也有人说卡皮查不想提到艾伦和米森纳。

不过，由于卡皮查比艾伦大14岁，两人处于同一领域，艾伦后来又接管了卡皮查在剑桥的实验仪器，卡皮查或许一直将艾伦视为在他剑桥的实验室里工作的后辈，而非竞争者。

笔者尚未查到卡皮查公开场合下声明不愿与艾伦等人共享诺贝尔奖的资料，所以本文无法对这一疑问做出解释。

关于卡皮查是否应该与艾伦和米森纳共享诺贝尔奖，笔者认为，与卡皮查对低温物理学做出的整体贡献相比，艾伦的工作有亮点，但不够丰富。

根据诺贝尔奖委员会的颁奖理由，卡皮查改进液化器和发现超流是两个并列的重要工作。艾伦在卡皮查被困于苏联之后，来到剑桥大学蒙德实验室，他发现超流的工作是利用卡皮查搭建好的实验仪器上取得的。

因此可知，诺贝尔奖委员会把1978年诺贝尔物理学奖颁给卡皮查以表彰他在低温物理学上杰出贡献是毋庸置疑的。

实际上，在许多研究超流和低温物理的学术文献中，都提到了艾伦小组与卡皮查独立发现超流的工作。可能因为未获诺贝尔奖的缘故，艾伦和米森纳并不像卡皮查一样为人们所熟知。

艾伦是一位优秀的科学家，他或许没有像卡皮查那样跌宕起伏的一生，但他和卡皮查都为低温物理做出了卓越的贡献，他们分别独立发现超流的事迹将永载史册。

刊载于《科学文化评论》第17卷第2期（2020）原题《超流发现的历史回溯 卡皮查获1978年诺贝尔奖的有关争议》

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