江仁寿生平与教育经历及其金属黏滞性的研究

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  江仁寿(1906—1988) ,中国近现代物理学家、教育家。20 世纪 30 年代曾留学英国伦敦大学理学院(University College London) 研究物性学,师从葡萄牙裔物理学家安德鲁德 (AndradeE. N. da C,1887—1971) 教授从事液态金属黏滞性研究,1936 年获该校博士学位后归国。历任武汉大学、复旦大学、西北大学等校教授、物理学系主任。江仁寿从业于分子物理学研究,主要从事液态金属黏滞性、表面张力与熔点关系和熔点滞性与熔点张力的关系等方面研究,在国内较早进行非平衡统计物理研究,为推动非平衡态统计物理研究做出了积极贡献。然而迄今为止,关于江仁寿及其物理学贡献方面的研究文献寥寥无几,武汉大学校史、西北大学校史等就江仁寿生平及教学经历仅作概括综述,而对其留学生活、科学成就、教学研究等方面较少涉及。本文在大量原始资料搜集、整理、分析及前人研究成果的基础上,就江仁寿的生平概要、金属黏滞性研究进行较全面的论述,以纪念他从事中国现代物理教学和科研 60 载所做出的贡献及其影响。

  1、 生平与教育经历

  江仁寿 1906 年 1 月 15 日生于安徽省歙县南乡一个偏僻的山村———皋经村,1988 年 4 月 4 日病逝于西安,享年 82 岁。

  Fig. 1 Jiang Ren-shou(1906 - 1988)1. 1 童年启蒙与中学教育(1906—1922)江仁寿,小名江福保,安徽歙县人。歙县自隋以后的 1300 多年间一直是郡州府治,尤其是宋以后徽商的发展带来了文化繁荣。江家数代为农,至祖父江世孝时只能勉强度日,江仁寿父亲江养芝为养家糊口开始在浙江嘉兴经商,家境开始宽裕,遂在徽州和浙江都买了宅子,家境尚称殷实。江仁寿幼时身体较弱,但任性、顽皮,好胜心和优越感强,由于是父亲老来得子(江仁寿出生时父亲已经 50 岁) ,祖父和祖母徐氏对他溺爱有加,常和顽童在村里打架闹事,桀骜不驯。

  江仁寿 9 岁上私塾,11 岁时家里专门给他请了秀才教习书法和作文,由于老师生动的典故讲解及登峰造极的点化让他倍感读书之乐,日夜孜孜不倦,习字和作文进步很快。13 岁时,父亲带他接受新式教育,遂远离家乡到嘉兴新单高小读书。其时正值 1919 年巴黎和会,英、美、法庇护日本,军阀政府卖国求荣,北京大学学生上街游行,五四运动迅速影响到全国。嘉兴虽是个小镇,却常有进步学生到乡间宣传,国难当头,学校师生亦开始声援。这一时期,教师常常上午在课堂上向学生讲解国家面临的帝国主义侵略及“挽救之道”,下午学生们再到乡间宣传,江仁寿参与其中,小小年纪开始意识到国家遭外强入侵、政府腐败,接受到思想教化的启蒙,并开始对帝国主义及反动政府有所认识,对当时提倡的科学救国、学术救国深信不疑,并立志学习科学报效国家。

  中学一年级时,江仁寿开始学习英语和代数,与小学四书五经的八股文及修身课相比,学习兴趣大大提高。在校期间,他常常听到老师说上海大同学院(大同大学前身) 数理学办得好,所以不等中学毕业,1922 年,江仁寿即至大同大学数理专修科插班学习。

  1. 2 大学教育(1922—1928)

  大同学院始建于 1912 年,是清华学堂教师胡敦复(1884—1978) 、平海澜(1885—1960) 等因不满清华学堂外国主事者的办学方式而在沪筹办的。大同学院是一所独立自主的学校,以“研究学术,明体达用”为宗旨。学生按科分班,多读理工科课程,教学内容和教学方法新颖,教学成绩显著,在社会上产生较大影响,以至当时社会无人不知“大同之敦复先生”者,并称胡敦复为“中国第一流教育家”。

  大同学院 1922 年 9 月改称大同大学。除专修科和普通科外,增设大学科。学校注重英文教学,教材选用国外原版,数理练习多,学生忙于理科演练和实验,以“学术救国”和培养“君子之风”为目标。江仁寿与姚启钩(以后的华东师范大学物理学教授) ,郑昌时(以后的同济大学物理学教授) ,钱临照(以后的中国科学院教授) 等经常在一起研究学问,很少关心政治活动。他后来回忆到,大同大学对他影响最深的教师是胡明复(1891—1927) 及严济慈(1900—1996) 两位教师。

  胡明复是胡敦复的同胞兄弟,是我国第一个获得数学博士学位的留美学生。严济慈是著名的物理学家、教育家,1923 年夏,他从南京高等师范学校毕业,获理学学士学位。同年自费赴法国巴黎大学学习,在著名物理学家夏尔·法布里(CharlesFabry,1867—1945) 实验室从事研究工作,创造性地采用单色光干涉法,精确测量了 40 多年来尚未解决的居里压电效应“反现象”,即石英在电场下的形变实验研究。江仁寿深受两位数理学者的教导和熏陶,称赞“胡先生对教学工作认真负责,善于用生动的语言讲述深奥难懂的概念和问题,他的讲演深受学生们欢迎。”对严济慈先生,他评价其“数理知识渊博,善于启发引导学生,使学生对科学产生兴趣和快慰。”

  1928 年,江仁寿毕业后承严济慈老师的推荐留校担任助教。1929 年,调任浙江大学工学院助教 1 年。同年,行政院颁布新的留学政策,严格限定资格,注重应用科学以造就专门技术人才。1930 年暑假,江仁寿参加安徽省教育厅第二届公费留学考试并被派往英国留学。
  
  1. 3 留学教育(1930—1936)

  1930 年 9 月,江仁寿由巴黎赴伦敦。他原打算去剑桥大学学习,但剑桥大学高昂的学费让他徘徊。此时,严济慈经由巴黎大学法卜利教授的介绍在伦敦大学物理系参观访问。严济慈便将江仁寿推荐给安德鲁德教授,进入伦敦大学理学院。

  当时的伦敦大学共有 40 多个学院(College) ,每个院都有文、理、法、商系及研究所。其中理学院(University College) 、皇家学院(Kings College) 和帝国学院(Imperial College) 是最好的,而且对学生的要求也特别严格。

  1910 至 1930 年,留学英国伦敦的中国学生寥寥无几,与江仁寿关系很要好的霍秉权在理学院学习一年后,转入剑桥大学师从威尔逊教授,他改进威尔逊云室并提高了云室的功能,成为我国首批从事宇宙射线、高能物理和核物理研究的物理学家之一。1934 年,徐贤恭(1902—1994) 、钱临照(1906—1999) 、戴礼智(1907—2007) 等留学伦敦大学,尤其是钱临照、戴礼智与江仁寿同在一个实验室,一起学习和讨论物理问题,对江仁寿影响最大。

  留学第一年,江仁寿主要跟随理学院物理系本科生上课,系统学习了热学、物性学、电磁学及原子物理学等基础学科,每周还要在实验室忙 3个下午的实验。1931 年秋,江仁寿顺利通过了毕业考试取得硕士入学资格,转入 Carey Foster 物理实验室工作。导师安德鲁德当时的研究涉及诸多课题,如金属单晶范性、黏滞性、声学、脆裂等研究。导师一开始打算让江仁寿从事声学研究后从事液体黏滞性研究与测定。当时,实验室很是简陋,测定液体黏滞性装置只有一个球形玻璃瓶,装水后悬挂作旋转振动,观察周期和衰减来计算黏滞系数。他每天泡在实验室里,熟悉实验仪器、实验过程及实验影响因素分析,利用一个多学期的时间,自己设计了一个简单便捷的仪器并摸索着装置完成,对测定液体黏滞系数的理论和实验有了自己的见解。1932 年,安德鲁德教授带来一些精密的实验仪器,江仁寿重新设计改造几个关键问题。在安德鲁德教授精心指导下,对仪器进行改进和设计。该实验装置设计合理、巧妙,为了准确计算惯性杆的转动惯量,还请来专业人员对惯性杆和圆盘直径进行了精密测量。基于此,江仁寿完成了《运用封闭容器中流体振荡对黏度测定新法》(On the Determination of Viscosity Byoscil-lation of a Vessel Enclosing Fluid) 的硕士学位论文,取得该校理科硕士学位。论文发表在《英国物理杂志》(即 Proc. Phys. Soc. 1936,48 - 247) 。

  江仁寿在这 3 年里,边实验边学习理论知识,还自学了流体力学理论知识,掌握了真空技术及吹玻璃等技术。江仁寿对导师安德鲁德教授非常感激,认为正是他的指导为自己指明研究的方向和目的,他在论文中提到: “安德鲁德教授的研究指导最为重要和得当,令我永远崇敬并感激。”

  1933 年冬,江仁寿在前期奠定的实验基础上开始了博士学位阶段的学习。为了使实验能适用于高温和真空条件,他测定了液态碱金属的黏滞性,改进了设计方案,利用改进的实验装置测定了液态钠和钾的黏滞性,完成了《液态金属钠和钾的黏度》(Viscosity of Liquid Sodium and Potassium)的博士学位论文。实验结果测得: 钠和钾在熔点时的黏度值分别为 0. 006 3 Pa·s 和0. 005 2 Pa·s,实验值分别为 0. 006 95 Pa·s 和 0. 005 37Pa·s,实验结果证明了在熔点处,钠、钾黏滞性符合安德鲁德的黏度公式

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  该测量值在国际上一直被公认和采用。

  1. 4 归国后的物理学教育生涯

  1936 年归国后,江仁寿历任武汉大学、复旦大学和西北大学物理系教授。其间曾兼任中山大学、暨南大学教授,为新中国的教育事业和物理科学研究做出了重要贡献。

  1. 4. 1 执教并建设武汉大学物理系 (1936—1946)
  
   1936 年 4 月,江仁寿经霍秉权介绍到武汉大学物理系任教,担任力学、物性学教学及实验。后由于“七七事变”爆发,日寇全面侵华,武汉大学于 1938 年迁四川乐山,江仁寿任物理系主任。由于敌人的狂轰滥炸和学校的搬迁,造成了物理系很多实验器材破损,导致诸多课程无法正常开展。他和同事们坚持武大办学传统,在艰苦环境中为物理系学生开设了热学及热力学、物性学和理论力学等课程。据当时听他讲课的林应茂老师回忆说: “江仁寿讲课内容精炼,简明扼要,符合少而精的原则……板书条理分明,容易记、容易学,话语不多但不失幽默,引人入胜。”

  为了适应战时国家对物理人才的急需,教师在教学中坚持知识方面探求高深理论,技能方面加强实际本领的培养,重视基础理论与实验的紧密结合。

  当时物理系仪器和设备损失严重,江仁寿就与其他教授们共同购置了部分廉价实验仪器的部件,然后动手加工成为物理实验室的实验装置,解决了学生进行力学、热学、光学和电磁学等方面实验的急需。

  1. 4. 2 执教复旦大学(1949—1955)
  
  1949 年暑假暨南大学停办,江仁寿应复旦大学数理系主任的邀请,任复旦大学物理系教授、副主任,担任热学及理论物理教学。当时复旦数理系的实验仪器利用率不高,实验结果不够准确。江仁寿与戴乐山老师利用课余时间修旧利废,陆续设计并改装了 8 套热学实验仪器,制成了“电阻温度计”模型1 个,学生可以在实验室完成 18 个实验,极大地促进了热学实验室的建设。复旦大学校刊曾以“克服困难改进教学,物理系自制热学实验仪器”为题,对他们的工作给予肯定和表扬。

  1949 年 12 月,江仁寿受邀参加中国科学工作者协会上海分会与中国科学社联合举办的第三次物理座谈会,本次会议的题目是“自然科学与辩证法”。江仁寿在会上发表了自己对“辩证法与自然科学”的认识。他认为“宇宙是整体分不开的,绝没有孤立之物,没有超然物,所以我们必须着重联系观念; 物体存在内在矛盾,没有单纯的机体,所以必须着重组织观念; 矛盾发生物有对立两性质,或物必有两性。我们需要应用此原则发现新事实。”会议主持者陆禹岩对江仁寿的看法进行总结,认为江仁寿着重于联系,不片面孤立看世界是非常重要的。他提出自然界一切事物断没有孤立存在着的,人类的行为都是受行为执行者的观念支配的,观念正确与否直接影响到行为的结果。事实上,自然科学研究的进展是自然辩证法的重要生长点,同时自然科学的发展离不开自然辩证法的指导,二者是相互作用,相互促进,共同发展。

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  1. 4. 3 建设西北大学物理系 (1955—1988 )
  
  1955 年,江仁寿响应党的号召离开复旦大学支援西北,放弃了在复旦大学丰厚的待遇,来到西北大学任教,此举动获得了“陈毅市长的大力赞扬”。20 世纪 50 到 60 年代初,高校深受极左思潮的影响,一系列的政治运动干扰了高校的正常教学秩序。此时的江仁寿不受外界干扰,依旧埋头书案,在校内开设了原子物理学、统计物理学和气体分子运动论等课程,并编写了《理论力学》、《气体分子运动论》等讲义,同时编写了适合本系各个专业使用的教材及相关讲义,希望通过这些材料可以让学生更好更快地了解和认识所学内容,使得物理系从基础课、专业基础到专业课形成一批比较精干的老、中、青相结合的教师梯队。在此时期,西北大学物理系培养出一批院士,如侯洵(1936—) 、张殿琳(1934—) 等人。1966 到1976 年 10 年动乱,由于取消了高考制度,同时也破坏了教学与科研秩序,什么“任务带动学科”、“三机一泵代替物理课”等等,摧残了教育事业,严重挫伤了知识分子的教学热情,江仁寿被关“牛棚”、挨批斗,遭受打击。1976 年,打倒“四人帮”之后,教育事业获得重生,十一届三中全会的正确路线,激励起江仁寿积极指导和带领中青年教师开拓非平衡态理论研究的新领域。1976年江仁寿退休,决定回家安享晚年。1979 年西北大学征求江仁寿意见,能否继续任教,他欣然答应决定返校继续任教,继续为国家努力培养人才、搞科研活动,直到 1988 年逝世于西安。

  2、 金属黏滞性研究

  在大学期间,严济慈等老师培养了江仁寿在研究过程中善于发现问题、解决问题的良好习惯。

  留学期间,他跟随安德鲁德教授从事液体黏滞性的研究工作,改装了亥姆霍兹的旋转实球振动法,并用改装的方法对液体金属钠和钾的黏滞性进行测量和研究,测出的数据在国际上被公认和采用。回国后,他继续从事液态金属黏滞性和金属液体熔点表面张力与熔点关系等方面的科学研究。

  2. 1 惯性棒的双线悬挂球测定液体的黏滞性液体黏滞性是反映液态金属流体力学的基本特征,是金属熔体的重要物性参数之一。研究金属黏滞性不仅可揭示黏滞性的物理机制,而且对材料制备具有重要的实际意义。历史上,测量液体黏滞性最早采用流逸管法,但这种方法却不能用于测定与常温流体不同的液态金属的黏滞性。

  1860 年,德国的物理学家亥姆霍兹和俄国的皮奥特罗夫斯基(Piotrowski,1876—1929) 一起设计了双线悬挂旋球法,用这个装置可以测量大范围温度液体金属的黏滞性,使液体黏滞性的方法有了历史性的转变,但这种方法依旧存在很大的误差。

  为了减小金属黏滞性测量的误差,江仁寿在导师指导下,通过对双线悬挂旋球的研究,发现电磁起动法后,实验仪器转动会带动其他装置摆动从而影响测量的精确度。如果改进装置使外部阻尼减小到可忽略不计,则数据的精度会大幅度提高。于是,江仁寿对实验装置进行改装,决定采用机械装置。他设计了带有惯性棒的双线悬挂球球形容器(实验装置如图 2 所示) ,由于惯性棒能避免容器发生任何摆动和转动,因此,在容器内部装上待测液体,采用照相记录容器扭振幅度的方法,就可以共振振幅衰减来计算液体的黏滞性。运用改进的方法对水的黏滞性进行测量,测量结果与国际测定常数误差约在理论值的 0. 5% 以内。与传统的方法相比较,对黏滞性的测量采用改装的装置不仅操作简单、误差小,而且可以适用于高温、高压实验,且不需要考虑传统方法所需的修正,测量方法具有更高的精确度。

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  2. 2 液态金属钠钾合金黏滞性研究回国后,江仁寿一边从事教学,一边指导学生或者青年教师进行科研活动。1960 年,他指导青年教师和研究生采用惯性棒的双线悬挂球测量法对液态钠钾合金的黏滞性进行测量(实验装置如图 2) ,完成了合金 NaK 的黏滞性和液态合金 Al- 4. 5Cu 的黏滞性研究。

  合金 NaK 的黏滞性实验是在 300℃的温度范围内测量液态合金的黏滞性。他们采用空球法对3 种 NaK(K 含量为 49% ,51% ,74% ) 样品在 0 ~350℃ 间的黏滞性进行了测定。空球法是把空球装满液体悬挂起来,让它在真空中作衰减振动,通过记录空球的对数衰减确定黏滞性。这种方法在理论和计算上较复杂。但是,对化学性质活泼的钠钾合金而言,既便利又可靠,是对单质碱金属黏滞性的重要发展。实验结果表明: 对所测的 3 种成分和所用温度范围而言,钠钾合金完全遵守安德兰规律,即η = BebT。

  其中 η 是液体的黏滞性; T 是振动的周期; B,b 为常数。

  后来,他的学生还将液态合金黏滞性研究推广到非平衡黏滞性的研究。田荫棠等对 Al-4. 5Cu 液态合金的平衡黏滞性与过热后的非平衡黏滞性进行了实验研究。他们用空球法对 Al-4. 5Cu 合金处于液固共存时的黏滞性进行了考察,实验给出了 Al-4. 5Cu 合金液相线温度以上的黏滞性和不同过热度下的黏滞性。研究结果表明,Al-4. 5Cu 合金在液相线温度以上的平衡黏滞性遵从 Fulcher-Vogel 规律,Al-4. 5Cu 液态合金的黏滞性与合金的结构弛像相关,固液共存态的 Al-4. 5Cu 合金具有触变性行为。空球法能对其最大黏滞性所对应的温度以及固相搭成稳定网状组织流动性完全丧失的温度做出判断。

  3、 结 语

  江仁寿出生在晚清封建社会,接受过旧式私塾教育和民国新式教育,20 世纪 30 年代赴英国攻读博士学位,40 年代归国后曾先后在几所重点大学任系主任,为我国高等院校物理科学基础理论和实验室建设,为培养中青年教师队伍,开拓新学科的研究领域做出了重要贡献。1949 年后,他扎根西北大学物理系执教 30 多个春秋,开设了原子物理学、统计物理学和气体分子运动论等专业课程,培养了一支老、中、青相结合的专业教学团队,指导学生和青年教师从事实验研究,教育熏陶了几代人,默默地为新中国的教育事业和物理科学研究做出了贡献。

  江仁寿专于分子物理学研究,设计了惯性棒双线悬挂球测定液体的黏滞性的实验装置,并且首先用它精确地测定了液态金属钠钾合金及液态碱金属的黏滞性,并对液体金属钠钾合金黏滞性进行研究,采用空球法实验得到安德兰公式,并将此方法推广到非平衡态研究,在国内较早进行非平衡统计物理研究,为不同学科开展非平衡态理论起到引导作用,推动了我国非平衡统计物理理论的发展,在中国近代物理学发展和近代高等教育发展中具有重要意义。

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