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上帝是个左撇子 物理学家理查德•费曼曾和杨振宁打赌

前言:世界是确定的,但世界的确定性不是我们能把我的。费曼曾和杨振宁打赌,结果大家都知道了。也就是说这个打赌,费曼输了。从这一点上看,和其他物理贡献来看,杨的贡献要多于费曼。

以下内容引用自《理查德·费曼传》,仅供学习参考使用。

上帝是个左撇子 物理学家理查德•费曼曾和杨振宁打赌 句子迷的资源分享 第1张

上帝是个左撇子
那一刻,我知晓了自然界的运转之理。

——理查德·费曼

1950年,介子闯入了理查德·费曼的生活;1956年,介子已将整个粒子物理学界搅了个天翻地覆。新的粒子不断被发现,一种比一种古怪。在宇宙射线中产生了大量的粒子,解释其产生的物理学原理预言它们会快速衰变,然而,它们的寿命为百万分之一秒,这听起来并不是很长,却比人们根据第一性原理所预测的要长几百万倍。

到1956年,费曼已在物理学界建立了稳固的声望。费曼图已经成为标准物理学方法的一部分,每一个来过加州理工学院的人都会想方设法表达他们对费曼的敬意。每个人都想与费曼交谈,因为他们想要与费曼讨论自己正在研究的物理学问题。费曼不仅令女人们为之倾倒,也同样令科学家们为之折服。这一特质与卓越的意大利物理学家恩里科·费米如出一辙。费米荣获了诺贝尔奖,作为曼哈顿计划的重要顾问,在芝加哥大学领导建造了世界上第一台可控核反应堆;同时,费米也是世界上最后一位既精于理论又擅长实验的核物理和粒子物理学家。费米发展了一套简单的理论,描述了与中子衰变成质子相关的核反应过程[衰变过程还产生了一个电子和最终被费米称为“中微子(neutrino)”的粒子——这个词在意大利语中是“小中子”的意思],即β衰变,这是原子弹及后来的热核武器中所发生的重要反应过程之一。费米就是因为这套理论而获得了诺贝尔奖。

中子在衰变前的寿命将近10分钟,相比于20世纪50年代发现的那些不稳定的强相互作用的介子,中子近乎不朽。人们认识到,控制中子衰变的作用力必须非常弱。β衰变中的相互作用(费米建立模型的基本相互作用)因而被称为“弱相互作用”。至20世纪50年代中期,人们逐渐明白,弱相互作用是自然界中确切存在的一种力,完全不同于创造了在加速器中观察到的所有新粒子的强相互作用,弱相互作用可能是所有寿命超长的粒子衰变的原因。但是尽管费米关于β衰变的模型很简单,却没有基础理论将所有被观测到并被归结为这种新作用力的相互作用联系起来。

费米将芝加哥大学理论研究组打造成了一个国际性的强大科研组织,每个人都渴望加入其中,去分享物理学的喜悦,以及与费米一起工作的兴奋。他有一个异乎寻常的特质,与费曼颇似:善于倾听他人。在与人交谈时,他们全神贯注于正在谈论的内容,并尽量去理解别人正在表达的观点,而且如果可能的话,他们还试图帮助对方改进那些观点。

不幸的是,费米1954年因癌症去世,或许是对放射性物质的处理不当所致,当时的人们对放射性物质的危险性认识还不充分。费米的去世是物理学界和芝加哥大学的巨大损失,他在芝加哥大学培养的年轻的理论科学家和实验科学家,将成为粒子物理学界的下一代领军者。

费米去世后,费曼成为年轻理论物理学家们崇拜的对象。和费米不同,费曼缺少那种孜孜不倦地帮助和培养年轻科学家的耐心。然而,对于当时的物理学家来说,没有什么比让费曼全神贯注于他们的观点更令他们兴奋的了。因为费曼一旦关注了一个问题,除非他解决了它,或者最终认定此问题不可解,否则他不会善罢甘休。许多年轻的物理学家都会将费曼对这些问题的兴趣误当作对他们个人的兴趣,这是极其诱人的。

来自芝加哥的25岁青年默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann),自幼就被誉为天才,他是被费曼的光芒所吸引的年轻科学家之一。如果说费曼主宰了战后初期的粒子物理学,盖尔曼则将统治接下来的10年。正如后来费曼以他赞美别人时惯用的口吻所说的那样:“基础物理学知识中的每一个卓有成效的观点都应归于默里·盖尔曼的名下。”

这种说法毫不夸张。盖尔曼的才能刚好完美地适合应对当时粒子物理学界所遇到的问题。他在这一领域留下了不可磨灭的印记,不仅仅是因为他提出了“奇异数”和“夸克”这类异乎寻常的术语,更是因为他的思想。就像费曼一样,盖尔曼的思想至今仍然影响着物理学的前沿讨论。

不过,盖尔曼在很多地方都与费曼完全不同。和朱利安·施温格一样,盖尔曼也是位神童。15岁高中毕业时,他收到的最好的入学邀请来自耶鲁大学,这让他很失望,但他还是去了。19岁大学毕业后,他来到了麻省理工学院,21岁时就在这里拿到了博士学位。他曾告诉我,如果不是为了使毕业论文的主体内容尽善尽美,他本可以在一年内毕业。

21岁的盖尔曼不仅精通物理,且近乎全知全能。最著名的是他对语言的着迷,包括词源、发音以及不同语言间的相互关系。几乎所有认识默里的人都被他纠正过他们名字的发音!

但是盖尔曼和施温格有一个明显的不同,而这一差别正是费曼吸引他的原因。盖尔曼对那些以花哨的数学形式来表现自己工作(这些工作通常是微不足道的)的人没什么耐心。他能一眼看透这类把戏,而且他对别人工作的轻蔑程度在物理学家中也是罕见的。但是盖尔曼通过费曼的工作以及言谈了解到,费曼在研究物理时没有废话,没有伪装,只讨论纯粹的物理学。而且,费曼的解决方案确实很重要。如盖尔曼所说:“我一直很喜欢理查德的风格,他的报告毫不浮夸。我厌倦了理论科学家用花哨的数学语言来装饰他们的工作,或者为他们有时相当平庸的贡献发明自命不凡的框架。费曼的想法通常是强大、巧妙且具有开创性的,并且是以一种直截了当的方式呈现出来的,令我耳目一新。”

费曼性格中爱出风头的一面则令盖尔曼难以接受。如他所述,费曼“花费了大量的时间和精力制造关于他自己的趣闻逸事”。费曼的这一特性后来常令盖尔曼感到心烦,但是,1954年费米去世后,当盖尔曼思考离开芝加哥大学的可行性时——他想去哪里工作,与谁共事——答案是显而易见的。

1954年,盖尔曼和理论物理学家弗朗西斯·洛(Francis Low)利用费曼的QED理论合作完成了一项卓越的早期计算,其目的是解决该理论将随探索尺度的逐渐减小(确切地说是那些以传统方法完全无法观测的领域,费曼在这样的尺度上对理论进行了大胆的改变,以消除无穷大的结果)而发生哪些变化的问题。他们的计算结果令人惊讶,虽然当时的技术很难验证这些计算结果,然而最终,这项计算为20世纪70年代粒子物理学的许多进展奠定了基础。

他们发现,由于在探究QED中的量子力学效应时必须考虑虚“粒子–反粒子”电子对的影响,可测量的物理量(如一个电子所带的电荷)取决于人们的测量尺度。事实上,在QED背景下,当我们尝试穿过环绕着每个粒子的正负电子对时,电子携带的有效电荷以及电磁相互作用的强度似有增加。

费曼有一个出了名的习惯:他试图独立地推导——多数情况下是重新推导——所有的物理结果。因此,他往往会忽视其他人的论文。然而,盖尔曼和洛的论文给费曼留下了很深的印象。当盖尔曼第一次访问加州理工学院时,费曼就向对方透露了这一感受。据费曼说,这实际上是他所知道的唯一不是由他本人独立完成的QED计算。回过头来看,这有点儿令人不可思议,因为在消除量子场论中的无穷量这一问题上,“盖尔曼–洛”方法最终导向了与费曼在此后的一系列研究完全不同的另一种阐释。我们将在后文中谈到,尽管费曼一直认为他的重正化方法只不过是一种人为拼凑的手段,总有一天会被真正理解QED的方法所取代,然而盖尔曼和洛的研究表明,这种方法实际上反映了一个潜在的物理现实,它是自然界在最小尺寸体系中运行的核心特征。

当盖尔曼来到加州理工学院时,他自己以及物理学界的大多数人都清楚地意识到,也许这一代人中最伟大的两位物理学家已被同一家机构招入旗下。所有人都在期待双星碰撞的火花。

以单一的标准去评价盖尔曼深奥至极且富有创造性的工作,难免有失公正。不过,盖尔曼已经在物理学史上留下了自己的印记,且将通过在自然界的最小尺度上发现新的对称性而不断稳固自己的地位。对称性是我们目前理解自然的核心,然而公众对其重要性却存在极大的误解。其中一部分原因在于,在物理学中具有更高对称性的事物,从艺术的角度去感知就会显得比较无趣。在传统上,一件艺术作品越是以华丽繁复的手段展现对称,它获得的评价就越高。因此,漂亮且拥有许多相同弯曲构造的枝形吊灯备受青睐。M. C. 埃舍尔(M. C. Escher)的艺术作品也是一个很好的例子,他在画作中嵌入了鱼或其他动物的许多形象。但是在物理学中,那些让自然尽量简洁的对称才是最为珍贵的,比如一个单调的球体远比一个正四面体更为对称。

这是因为物理学中的对称性意味着,在改变观察角度时,对称的物体或系统不会发生改变。如果我们将一个正四面体沿着经过它的任何一面的中心且与这一面垂直的轴旋转120度,它看起来都会和原来一样。然而,一个球体所具有的对称性更强大,因为在我们将球体旋转任何角度时,无论角度有多大,球体看上去都是一样的。对称性意味着,事物并不会随着我们观察角度的改变而发生变化。回过头来看,认识到这一事实似乎使对称性在物理学中的重要性呼之欲出。然而,直到年轻的德国数学家埃米·诺特(Emmy Noether)在1918年揭示了我们今天所说的诺特定理之后,物理学对称性的终极数学含义才得以显现。

诺特(她最初因为性别原因而无法在大学里获得职位)证明,自然界中存在的每一种对称,都必须对应着一个守恒的量,即不随时间改变的量。最著名的例子便是能量守恒和动量守恒。通常,学生们会在课堂上了解到这些物理量是守恒的,但是他们学到的更像是一种“信念”。然而,诺特定理告诉我们,能量的守恒源自物理定律不随时间而发生改变的特性:昨天如此,今天也如此。而动量的守恒定律源自物理定律不随位置而发生改变的特性:无论我们在伦敦还是纽约进行实验,结果都将是相同的。

20世纪50年代早期,加速器中出现的大量新的基本粒子迫使物理学家在混乱的表象之下找出一些规律,因此利用自然界的对称性来约束或支配物理学基本定律的尝试变得更为普遍。研究的重点在于寻找当一个粒子衰变成为其他粒子时能够保持不变的物理量。物理学家们希望这类守恒量能够让人们追溯到自然界潜在的对称性,并推导出描述相关物理学原理的数学方程式。最终,物理学家们得偿所愿。

1952年,盖尔曼因他所提出的一项理论而声名鹊起。他提出,新的介子之所以产量很高而衰变很弱,是因为与这些新粒子有关的一些物理量在强相互作用下是守恒的。他为这种奇怪的新的物理量赋予了一个或许最为贴切的名称——“奇异数”。然而,《物理评论》(他首次发表自己观点的杂志)保守的编辑认为,这个新名词并不适合出现在一本物理学出版物中,所以拒绝将它用在相关的论文标题中。

盖尔曼的想法是这样的:奇异数是守恒的,因此新粒子必须以“粒子–反粒子对”的形式产生,其中粒子和反粒子所具有的奇异数数值相等而符号相反。新粒子本身则需要是绝对稳定的,因为如果只有强力在起作用,衰变成非奇异粒子就会违反这一守恒定律,让奇异数改变1。然而,如果弱力(造成中子衰变并导致了太阳产生能量的那些反应)不遵循这一守恒定律,那么弱力就能够诱使这些新粒子发生衰变。但是由于这种力非常弱,所以粒子的衰变极为缓慢。

这个想法着实迷人,但物理学的成功不能仅仅依靠后见之明。这一想法能够提供哪些可供验证的预测呢?这的确是盖尔曼许多同事的第一反应。譬如,在氢弹研发过程中曾发挥关键作用的杰出实验物理学家理查德·加温(Richard Garwin)提出:“我看不出它有什么用。”

当盖尔曼认识到,这种奇异的量子数可以用来对现有粒子分门别类时,这项研究取得了突破性的进展。他甚至做出了一个更加离奇的预测,认为一种叫作K0的电中性粒子应该具有一种不同于它自己的反粒子,即反K0。而大多数其他电中性粒子,比如光子,都等同于它们的反粒子。所以即便保守地说,这一预测也非同小可。最终它被证明是正确的,且“K0–反K0”系统成为探索物理前沿的研究典范,巩固了盖尔曼在当时崛起的新一代粒子物理学家中的声誉。

盖尔曼开始收到来自其他科研机构的工作邀请,是在他引入了奇异数,以及费米去世之后。盖尔曼想去加州理工学院与费曼一起工作,为了促成此事,加州理工学院开出了极具竞争力的入职条件,让年仅26岁的盖尔曼成为建校以来最年轻的正教授。人们希望,盖尔曼能和费曼一起,为学校带来真正具有突破性意义的历史事件。

费曼和盖尔曼是一对惹人注目的学术伙伴。为了解开粒子物理学前沿的最新谜团,他们二人会在办公室里争论不停。这是一种友好的争论,盖尔曼后来称之为“拧宇宙的尾巴”(twisting the tail of cosmos)。这种交流方式也影响了他们的学生和博士后。记得当年,作为哈佛大学的一位青年研究员,我曾与施温格从前的学生——诺贝尔奖得主谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)一起工作过。我们的组会不时被争论和笑声打断。格拉肖曾在加州理工学院做过盖尔曼的博士后,我认为他深受在那里所目睹的讨论风格的影响,这种讨论风格也进一步影响了我,希望我的学生们也能从中受益。但从另一个角度来看,费曼和盖尔曼之间的合作,也代表着两种对立理念之间的艰难共处。盖尔曼是典型的有教养的科学家,而费曼则不是。盖尔曼天生喜欢评判别人和别人的想法,而且总想在理论发布方面抢占先机。费曼欣赏天才,对物理学方面的无稽之谈或华丽浮夸没有耐心,但就像前文中提到的,如果他在学术发表上被别人抢了先,他最关心的是自己究竟是对是错,而不是谁最终获得了荣誉。这是一对有趣的组合,性情和作派上的差异终将为二人的合作带来麻烦,但短时间内尚不至于如此。

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