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最顶尖的天才又走了一个,杨振宁惋惜 | 纪念盖尔曼

 撰文 | 施郁(复旦大学物理学系教授)
现代德谟克里特
古希腊的德谟克里特提出,物质由不可分割的基本单元组成,叫做“原子”。中文确实有物质基本单元的意思,英文atom则来源于希腊语ἄτομος,就是“不可分割”的意思。
19世纪,道尔顿根据化学反应的规律,提出物质由原子组成。后来,原子论也得到玻尔兹曼、爱因斯坦、皮兰等人从统计物理角度的支持。
 
物理学家进一步发现,原子由电子和原子核组成,并由量子力学描述。这完美解释了门捷列夫的元素周期表,将化学统一到了物理学,但是也说明现代科学中的原子是可分割的。 
 
然而,目前的科学理论中,确实有不可分割的物质基本单元,这就是夸克。夸克才是德谟克里特“原子”(ἄτομος)的现代对应物。
 
夸克理论的提出者默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann,1929.9.15-2019.5.24)刚刚去世,年近90岁。1969年,他40岁时,“因为对基本粒子及其相互作用的分类所作出的贡献”独享诺贝尔物理学奖。笔者觉得,盖尔曼堪称现代德谟克里特。
 
在1930年代之前,新粒子的理论预言和实验发现都是很困难的事情[1]。1932年,查德威克发现中子。从此人们知道原子核由质子和中子组成,统称核子或者重子。1934年,汤川秀树预言传递核子之间作用力的介子。这就是1947年鲍威尔在宇宙线中发现的π介子。在这之前,1937年在宇宙线中发现缪子,曾被认为是介子,后来知道是与电子属于一类的,叫做轻子。1949年,费米和杨振宁考虑了介子不是基本粒子,而是由核子及其反粒子组成的模型。
 
1950年代初,很多“奇异”的粒子被发现,先是在宇宙线中,后来也在布鲁克海文实验室的新加速器Cosmotron中,它们也归为重子和介子。面对这些新粒子,诺奖得主拉比感叹:“是谁订购的?”另一位诺奖得主兰姆在诺奖演讲中说:“我听说有一种说法,发现新的基本粒子以前能获诺奖,现在应该罚款一万美金。”
 
他给复杂无序的粒子世界带来了秩序
 
1953年,盖尔曼提出一个新的指标(量子数),叫做奇异数。在强相互作用主宰的粒子产生过程中,奇异数是守恒的。而在弱相互作用主宰的衰变过程中,奇异数不守恒。在此过程中,盖尔曼还预言,中性K介子也有反粒子。 
 
在这之前,派斯提倡要寻找新的量子数、守恒律和对称性,并曾经提出一种量子数,奇偶性必须守恒,所以有粒子的联合产生。盖尔曼的奇异数理论取代了派斯的理论。在思想形成的初期,盖尔曼曾在普林斯顿做了一个报告,派斯不以为然,说这是他自己想法的一个例子。后来盖尔曼完成了两篇论文,派斯发现正是他所期待的理论,于是邀请盖尔曼合作一篇会议文章,由派斯在会议上报告,总结了该领域的情况。在此过程中,他们也合作了一篇论文,提出正反中性K介子都是两种不同寿命的K介子的量子叠加态。事后盖尔曼觉得自己被利用,两人反目为仇[2]。 
 
1961年,盖尔曼提出了当时粒子物理的“元素周期表”,称之为八正道(这个名词从佛教语言中借用,但只是作为一个词,盖尔曼不信教)。根据当时的基本粒子的电荷和奇异数,将重子和介子排成规则的几何图形。8个最轻的重子组成六边形,另有2个重子在中心,构成重子8重态。8个最轻的介子也组成六边形,另有2个在中心,构成介子8重态。另外,9个重子构成三角形图案,另有一个顶点空缺,那里的粒子应该是具有电荷-1,奇异数-3,叫做负欧米伽(Ω-)。3年后,这个粒子果然被找到了。
 
八正道的成功表明了这些基本粒子之间的所谓的SU(3)对称性。每个图案都是这个对称性的一个表示。作为这个对称性的基本表示,盖尔曼1964年提出夸克模型,包含3种夸克。每个介子由2个夸克组成,每个重子由3个夸克组成。夸克具有分数电荷。但是通常夸克不能自由存在,只能禁闭在介子或者重子中。 后来,人们发现有6种夸克,或者说,夸克有6味。
 
值得一提的是,驻伦敦的以色列武官尼曼独立提出了类似于八正道的理论,费曼的学生茨威格在CERN工作时独立提出类似夸克理论的aces理论。而且,盖尔曼原本并不认为夸克是真实的粒子,茨威格从一开始就认为aces是真实的粒子。但是茨威格不愿意在欧洲杂志发表(为此与CERN的主任发生冲突),而美国的《物理评论》没有接受他的论文,因此他的文章第一篇没有发表,第二篇十几年后发表在一本文集中。有点讽刺意味的是,盖尔曼的论文发表在欧洲杂志《物理通讯》。 
 
1962年,盖尔曼还提出所谓流代数,运用对称性,通过“流”这个物理量的代数关系,在不了解夸克的动力学的情况下,可以给出夸克模型的预言。 1964年,格林伯格提出夸克还具有“色”自由度。1972年,弗里兹希和盖尔曼提出用杨-米尔斯理论,通过色来描述强相互作用,叫做量子色动力学[3]。1973年,格罗斯和韦尔切克,以及普利策发现杨-米尔斯理论具有渐进自由的性质,也就是说,距离越短,相互作用越弱。这确定了量子色动力学的物理意义。    
 
由于诺贝尔奖一般不会授予已经得过诺奖的人,盖尔曼的去世或许增加了弗里兹希与他人分享诺奖的可能性。 
 
费米:“我将物理学交给你们了”
 
盖尔曼对粒子物理还有很多其他贡献。1952年,与戈德伯格合作研究色散关系。1953年,与娄(Francis Low)合作研究重整化群,发现相互作用强度取决于能量和空间尺度(1970年代以后,重整化群在粒子物理和统计物理中都变得非常重要)。1957年,弱相互作用的宇称不守恒确立后,和费曼提出V-A理论(这个理论也由苏达山和马夏克提出)[4]。
 
1954年,为了寻找大量奇异粒子产生背后的相互作用规律,杨-米尔斯理论提出。盖尔曼对之很感兴趣,建议费曼研究它的量子化。1960年代初期他与格拉肖研究过SU(2)之外的李群下的杨-米尔斯理论,自己也尝试过电磁作用与弱作用的统一,但未成功。1960年,盖尔曼与勒维等人合作研究轴矢量流的部分守恒。1960年代,他还在强相互作用的雷奇理论(量子色动力学出现之前的理论,研究散射作为角动量的函数的数学性质)方面做了很多工作。盖尔曼在粒子理论中的领导地位延续了很多年。
 
盖尔曼出身于纽约的犹太平民,这一点与费曼一样。父母都来自奥地利,在美国相识。父亲曾经在纽约办过语言学校,母亲相信盖尔曼能做大事[5]。盖尔曼从小就显示出不凡的语言能力,以及对鸟类、植物、演化、考古、历史这些东西的兴趣和渊博知识,持续一生。大概与此特质密切相关,他后来在粒子物理中,对粒子分类作出杰出贡献,还命名了很多东西。而他后来转向复杂性的研究,大概也与这种广泛的兴趣有关。  
 
盖尔曼15岁进入耶鲁大学,19岁进麻省理工学院读博士,导师是韦斯科夫,22岁获得博士学位,可谓天才。之后,他去普林斯顿高等研究院做博士后,那是1951年。夏天还去伊利诺伊大学访问。一年后,同办公室的戈德伯格(费米的学生)回芝加哥大学任助理教授,帮助盖尔曼联系到去那里任讲师。这是杨振宁曾经担任过的职位,所以盖尔曼咨询杨振宁,了解到这个职位只需要每学期上一门课,而且肯定能升为助理教授。于是接受了这个职位[5]。在芝加哥,盖尔曼做出了奇异数、色散关系和重整化群的重要工作,成为学术明星。
 
1954年秋,费米病重。盖尔曼当时刚到哥伦比亚大学做访问副教授。他叫上杨振宁,飞到芝加哥探望费米。当他们离开时,听到费米在他们身后的说:“我将物理学交给你们了。”[6]
 
虽然芝加哥和哥伦比亚都给盖尔曼永久职位,他1955年选择了加入加州理工学院,成为费曼的同事。1971年,施瓦兹等人在普林斯顿创立超弦理论。1972年,盖尔曼将施瓦兹聘来,持续支持,虽然当时超弦理论还处于低潮。1980年代,施瓦兹和格林取得了极大进展,超弦理论变得热门起来。
 
1984年,盖尔曼和安德森、派因斯等人一起创立圣塔菲研究所,致力于复杂性的研究。1993年他从加州理工退休后,搬到了圣塔菲。笔者觉得,他对复杂性的兴趣大概与他长期的广泛兴趣有关。 盖尔曼曾经有过一个“臭名昭著”的玩笑,称固体(solid)物理为肮脏(squalid)物理。而他的导师韦斯科夫以前说过,粒子物理是基本的物理,固体物理是扩展的物理。两人说法都让安德森恼火。据笔者理解,盖尔曼同意每个层次有规律涌现出来,但是认为这类似于对称破缺,不同意安德森所说的不能还原到低层次的规律。在这个时期,盖尔曼还和他过去的学生哈特尔研究退相干,即经典世界如何出现在量子力学中,并用到量子宇宙学。他们的理论建立在量子力学的多世界和自洽历史诠释之上。
 
天才之间的惺惺相惜
 
按照戈德伯格的说法,盖尔曼在获奖之前的6年之内,就是诺奖的热门人选。1969年,他因为对Ω-的预言,得到一个研究大奖,这预示他很可能要得到诺奖,因为很多诺奖得主在得诺奖前得了这个奖。有人问他12月有没有空时,他说有。李政道莫测高深地反问:“你确定吗?”
 
盖尔曼得诺奖后,费曼给予了极高的赞誉:“这标志着对我们已经知道很长时间的事实的公开认可,这个事实是,盖尔曼是今天的领头理论物理学家。过去20年内,我们关于基础物理的知识进展中,没有哪个富有成效的想法没有他的贡献。”[3]
 
盖尔曼少年天才,非常自负,锋芒毕露,惹恼过不少人,包括前面说过的派斯。他的想法多,但是写文章慢,特别是害怕发表错误文章。所以会有别人抢在他前面发表类似想法的情况。在弱相互作用宇称不守恒发现之前,李政道和杨振宁曾经尝试过用所谓宇称双重态来解决θ-τ之谜,后来当然知道这是错的。盖尔曼也有类似的想法,但是没有发表。看到李和杨的文章(发表在4月1日),盖尔曼开始攻击他们。戈德伯格(也是杨振宁的同学)劝他,你不会因为写在笔记本上的想法得到功劳。李和杨知道后,写信警告盖尔曼。盖尔曼道歉。李和杨回信接受盖尔曼的道歉[3]。
 
1950年代后期,在普林斯顿高等研究院的物理教授会上,奥本海默说他考虑邀请盖尔曼加入研究院。杨振宁说,如果盖尔曼来,他就离开。奥本海默不再提这件事[6]。
 
这不过是小插曲。盖尔曼对费曼和杨振宁虽然都各有某种竞争心态,但认为他们在理论物理上很强。笔者注意到,盖尔曼在演讲中提到杨-米尔斯理论时,喜欢说“我的朋友弗兰克·杨……”
 
1989年,李政道参加了在帕萨迪纳的盖尔曼60寿辰学术庆祝会。2002年,盖尔曼参加了在清华大学的杨振宁80寿辰学术庆祝会。 2009年,杨振宁参加了在新加坡的盖尔曼80寿辰学术庆祝会。   
 
得知盖尔曼去世的消息后,杨振宁先生在给笔者的邮件中写道:
“健在的90岁以上的物理学家:斯坦伯格、杨、安德森、李。???”
 
参考文献:
[1] 施郁. 人生危机催生中微子假说,南方人物周刊2019年第12期,2019年第12期,58-63. 
https://mp.weixin.qq.com/s/0BI0SkXmbY5kMb5w2PJEEg
[2] Johnson G. Strange Beauty. 
[3] 施郁. 规范理论一百年,知识分子,2019年3月31日. 
https://mp.weixin.qq.com/s/YmFQRDGnb4vE8DWygCF5WQ
[4] 施郁. 费曼百年(下). 知识分子,2018年11月18日.
https://mp.weixin.qq.com/s/qYKTh0o6R4GA1xOu1SzI7w
[5] Gell-Mann M. Interviewed by S. Lippincott. 
[6] Yang C N. Selected Papers with Commentary II. 
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