最頂尖的天才又走了一個，楊振寧惋惜 | 紀(jì)念蓋爾曼
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撰文 | 施郁（復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授）
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現(xiàn)代德謨克里特
古希臘的德謨克里特提出，物質(zhì)由不可分割的基本單元組成，叫做“原子”。中文確實有物質(zhì)基本單元的意思，英文atom則來源于希臘語?τομο?，就是“不可分割”的意思。
19世紀(jì)，道爾頓根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律，提出物質(zhì)由原子組成。后來，原子論也得到玻爾茲曼、愛因斯坦、皮蘭等人從統(tǒng)計物理角度的支持。
物理學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，原子由電子和原子核組成，并由量子力學(xué)描述。這完美解釋了門捷列夫的元素周期表，將化學(xué)統(tǒng)一到了物理學(xué)，但是也說明現(xiàn)代科學(xué)中的原子是可分割的。
然而，目前的科學(xué)理論中，確實有不可分割的物質(zhì)基本單元，這就是夸克?？淇瞬攀堑轮兛死锾亍霸印?/span>（?τομο?）的現(xiàn)代對應(yīng)物。
夸克理論的提出者默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann，1929.9.15-2019.5.24）剛剛?cè)ナ溃杲?0歲。1969年，他40歲時，“因為對基本粒子及其相互作用的分類所作出的貢獻(xiàn)”獨享諾貝爾物理學(xué)獎。筆者覺得，蓋爾曼堪稱現(xiàn)代德謨克里特。
在1930年代之前，新粒子的理論預(yù)言和實驗發(fā)現(xiàn)都是很困難的事情[1]。1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子。從此人們知道原子核由質(zhì)子和中子組成，統(tǒng)稱核子或者重子。1934年，湯川秀樹預(yù)言傳遞核子之間作用力的介子。這就是1947年鮑威爾在宇宙線中發(fā)現(xiàn)的π介子。在這之前，1937年在宇宙線中發(fā)現(xiàn)繆子，曾被認(rèn)為是介子，后來知道是與電子屬于一類的，叫做輕子。1949年，費米和楊振寧考慮了介子不是基本粒子，而是由核子及其反粒子組成的模型。
1950年代初，很多“奇異”的粒子被發(fā)現(xiàn)，先是在宇宙線中，后來也在布魯克海文實驗室的新加速器Cosmotron中，它們也歸為重子和介子。面對這些新粒子，諾獎得主拉比感嘆：“是誰訂購的？”另一位諾獎得主蘭姆在諾獎演講中說：“我聽說有一種說法，發(fā)現(xiàn)新的基本粒子以前能獲諾獎，現(xiàn)在應(yīng)該罰款一萬美金?！?/span>
他給復(fù)雜無序的粒子世界帶來了秩序
1953年，蓋爾曼提出一個新的指標(biāo)（量子數(shù)），叫做奇異數(shù)。在強相互作用主宰的粒子產(chǎn)生過程中，奇異數(shù)是守恒的。而在弱相互作用主宰的衰變過程中，奇異數(shù)不守恒。在此過程中，蓋爾曼還預(yù)言，中性K介子也有反粒子。
在這之前，派斯提倡要尋找新的量子數(shù)、守恒律和對稱性，并曾經(jīng)提出一種量子數(shù)，奇偶性必須守恒，所以有粒子的聯(lián)合產(chǎn)生。蓋爾曼的奇異數(shù)理論取代了派斯的理論。在思想形成的初期，蓋爾曼曾在普林斯頓做了一個報告，派斯不以為然，說這是他自己想法的一個例子。后來蓋爾曼完成了兩篇論文，派斯發(fā)現(xiàn)正是他所期待的理論，于是邀請蓋爾曼合作一篇會議文章，由派斯在會議上報告，總結(jié)了該領(lǐng)域的情況。在此過程中，他們也合作了一篇論文，提出正反中性K介子都是兩種不同壽命的K介子的量子疊加態(tài)。事后蓋爾曼覺得自己被利用，兩人反目為仇[2]。
1961年，蓋爾曼提出了當(dāng)時粒子物理的“元素周期表”，稱之為八正道（這個名詞從佛教語言中借用，但只是作為一個詞，蓋爾曼不信教）。根據(jù)當(dāng)時的基本粒子的電荷和奇異數(shù)，將重子和介子排成規(guī)則的幾何圖形。8個最輕的重子組成六邊形，另有2個重子在中心，構(gòu)成重子8重態(tài)。8個最輕的介子也組成六邊形，另有2個在中心，構(gòu)成介子8重態(tài)。另外，9個重子構(gòu)成三角形圖案，另有一個頂點空缺，那里的粒子應(yīng)該是具有電荷-1，奇異數(shù)-3，叫做負(fù)歐米伽（Ω-）。3年后，這個粒子果然被找到了。
八正道的成功表明了這些基本粒子之間的所謂的SU（3）對稱性。每個圖案都是這個對稱性的一個表示。作為這個對稱性的基本表示，蓋爾曼1964年提出夸克模型，包含3種夸克。每個介子由2個夸克組成，每個重子由3個夸克組成?？淇司哂蟹?jǐn)?shù)電荷。但是通?？淇瞬荒茏杂纱嬖冢荒芙]在介子或者重子中。 后來，人們發(fā)現(xiàn)有6種夸克，或者說，夸克有6味。
值得一提的是，駐倫敦的以色列武官尼曼獨立提出了類似于八正道的理論，費曼的學(xué)生茨威格在CERN工作時獨立提出類似夸克理論的aces理論。而且，蓋爾曼原本并不認(rèn)為夸克是真實的粒子，茨威格從一開始就認(rèn)為aces是真實的粒子。但是茨威格不愿意在歐洲雜志發(fā)表（為此與CERN的主任發(fā)生沖突），而美國的《物理評論》沒有接受他的論文，因此他的文章第一篇沒有發(fā)表，第二篇十幾年后發(fā)表在一本文集中。有點諷刺意味的是，蓋爾曼的論文發(fā)表在歐洲雜志《物理通訊》。
1962年，蓋爾曼還提出所謂流代數(shù)，運用對稱性，通過“流”這個物理量的代數(shù)關(guān)系，在不了解夸克的動力學(xué)的情況下，可以給出夸克模型的預(yù)言。 1964年，格林伯格提出夸克還具有“色”自由度。1972年，弗里茲希和蓋爾曼提出用楊-米爾斯理論，通過色來描述強相互作用，叫做量子色動力學(xué)[3]。1973年，格羅斯和韋爾切克，以及普利策發(fā)現(xiàn)楊-米爾斯理論具有漸進(jìn)自由的性質(zhì)，也就是說，距離越短，相互作用越弱。這確定了量子色動力學(xué)的物理意義。
由于諾貝爾獎一般不會授予已經(jīng)得過諾獎的人，蓋爾曼的去世或許增加了弗里茲希與他人分享諾獎的可能性。
費米：“我將物理學(xué)交給你們了”
蓋爾曼對粒子物理還有很多其他貢獻(xiàn)。1952年，與戈德伯格合作研究色散關(guān)系。1953年，與婁（Francis Low）合作研究重整化群，發(fā)現(xiàn)相互作用強度取決于能量和空間尺度（1970年代以后，重整化群在粒子物理和統(tǒng)計物理中都變得非常重要）。1957年，弱相互作用的宇稱不守恒確立后，和費曼提出V-A理論（這個理論也由蘇達(dá)山和馬夏克提出）[4]。
1954年，為了尋找大量奇異粒子產(chǎn)生背后的相互作用規(guī)律，楊-米爾斯理論提出。蓋爾曼對之很感興趣，建議費曼研究它的量子化。1960年代初期他與格拉肖研究過SU(2)之外的李群下的楊-米爾斯理論，自己也嘗試過電磁作用與弱作用的統(tǒng)一，但未成功。1960年，蓋爾曼與勒維等人合作研究軸矢量流的部分守恒。1960年代，他還在強相互作用的雷奇理論（量子色動力學(xué)出現(xiàn)之前的理論，研究散射作為角動量的函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)）方面做了很多工作。蓋爾曼在粒子理論中的領(lǐng)導(dǎo)地位延續(xù)了很多年。
蓋爾曼出身于紐約的猶太平民，這一點與費曼一樣。父母都來自奧地利，在美國相識。父親曾經(jīng)在紐約辦過語言學(xué)校，母親相信蓋爾曼能做大事[5]。蓋爾曼從小就顯示出不凡的語言能力，以及對鳥類、植物、演化、考古、歷史這些東西的興趣和淵博知識，持續(xù)一生。大概與此特質(zhì)密切相關(guān)，他后來在粒子物理中，對粒子分類作出杰出貢獻(xiàn)，還命名了很多東西。而他后來轉(zhuǎn)向復(fù)雜性的研究，大概也與這種廣泛的興趣有關(guān)。
蓋爾曼15歲進(jìn)入耶魯大學(xué)，19歲進(jìn)麻省理工學(xué)院讀博士，導(dǎo)師是韋斯科夫，22歲獲得博士學(xué)位，可謂天才。之后，他去普林斯頓高等研究院做博士后，那是1951年。夏天還去伊利諾伊大學(xué)訪問。一年后，同辦公室的戈德伯格（費米的學(xué)生）回芝加哥大學(xué)任助理教授，幫助蓋爾曼聯(lián)系到去那里任講師。這是楊振寧曾經(jīng)擔(dān)任過的職位，所以蓋爾曼咨詢楊振寧，了解到這個職位只需要每學(xué)期上一門課，而且肯定能升為助理教授。于是接受了這個職位[5]。在芝加哥，蓋爾曼做出了奇異數(shù)、色散關(guān)系和重整化群的重要工作，成為學(xué)術(shù)明星。
1954年秋，費米病重。蓋爾曼當(dāng)時剛到哥倫比亞大學(xué)做訪問副教授。他叫上楊振寧，飛到芝加哥探望費米。當(dāng)他們離開時，聽到費米在他們身后的說：“我將物理學(xué)交給你們了?！?/span>[6]
雖然芝加哥和哥倫比亞都給蓋爾曼永久職位，他1955年選擇了加入加州理工學(xué)院，成為費曼的同事。1971年，施瓦茲等人在普林斯頓創(chuàng)立超弦理論。1972年，蓋爾曼將施瓦茲聘來，持續(xù)支持，雖然當(dāng)時超弦理論還處于低潮。1980年代，施瓦茲和格林取得了極大進(jìn)展，超弦理論變得熱門起來。
1984年，蓋爾曼和安德森、派因斯等人一起創(chuàng)立圣塔菲研究所，致力于復(fù)雜性的研究。1993年他從加州理工退休后，搬到了圣塔菲。筆者覺得，他對復(fù)雜性的興趣大概與他長期的廣泛興趣有關(guān)。 蓋爾曼曾經(jīng)有過一個“臭名昭著”的玩笑，稱固體（solid）物理為骯臟（squalid）物理。而他的導(dǎo)師韋斯科夫以前說過，粒子物理是基本的物理，固體物理是擴(kuò)展的物理。兩人說法都讓安德森惱火。據(jù)筆者理解，蓋爾曼同意每個層次有規(guī)律涌現(xiàn)出來，但是認(rèn)為這類似于對稱破缺，不同意安德森所說的不能還原到低層次的規(guī)律。在這個時期，蓋爾曼還和他過去的學(xué)生哈特爾研究退相干，即經(jīng)典世界如何出現(xiàn)在量子力學(xué)中，并用到量子宇宙學(xué)。他們的理論建立在量子力學(xué)的多世界和自洽歷史詮釋之上。
天才之間的惺惺相惜
按照戈德伯格的說法，蓋爾曼在獲獎之前的6年之內(nèi)，就是諾獎的熱門人選。1969年，他因為對Ω-的預(yù)言，得到一個研究大獎，這預(yù)示他很可能要得到諾獎，因為很多諾獎得主在得諾獎前得了這個獎。有人問他12月有沒有空時，他說有。李政道莫測高深地反問：“你確定嗎？”
蓋爾曼得諾獎后，費曼給予了極高的贊譽：“這標(biāo)志著對我們已經(jīng)知道很長時間的事實的公開認(rèn)可，這個事實是，蓋爾曼是今天的領(lǐng)頭理論物理學(xué)家。過去20年內(nèi)，我們關(guān)于基礎(chǔ)物理的知識進(jìn)展中，沒有哪個富有成效的想法沒有他的貢獻(xiàn)?！?/span>[3]
蓋爾曼少年天才，非常自負(fù)，鋒芒畢露，惹惱過不少人，包括前面說過的派斯。他的想法多，但是寫文章慢，特別是害怕發(fā)表錯誤文章。所以會有別人搶在他前面發(fā)表類似想法的情況。在弱相互作用宇稱不守恒發(fā)現(xiàn)之前，李政道和楊振寧曾經(jīng)嘗試過用所謂宇稱雙重態(tài)來解決θ-τ之謎，后來當(dāng)然知道這是錯的。蓋爾曼也有類似的想法，但是沒有發(fā)表?？吹嚼詈蜅畹奈恼?/span>（發(fā)表在4月1日），蓋爾曼開始攻擊他們。戈德伯格（也是楊振寧的同學(xué)）勸他，你不會因為寫在筆記本上的想法得到功勞。李和楊知道后，寫信警告蓋爾曼。蓋爾曼道歉。李和楊回信接受蓋爾曼的道歉[3]。
1950年代后期，在普林斯頓高等研究院的物理教授會上，奧本海默說他考慮邀請蓋爾曼加入研究院。楊振寧說，如果蓋爾曼來，他就離開。奧本海默不再提這件事[6]。
這不過是小插曲，天才之間總是惺惺相惜。蓋爾曼對費曼和楊振寧雖然都各有某種競爭心態(tài)，但認(rèn)為他們在理論物理上很強。筆者注意到，蓋爾曼在演講中提到楊-米爾斯理論時，喜歡說“我的朋友弗蘭克·楊……”
1989年，李政道參加了在帕薩迪納的蓋爾曼60壽辰學(xué)術(shù)慶祝會。2002年，蓋爾曼參加了在清華大學(xué)的楊振寧80壽辰學(xué)術(shù)慶祝會。 2009年，楊振寧參加了在新加坡的蓋爾曼80壽辰學(xué)術(shù)慶祝會。
得知蓋爾曼去世的消息后，楊振寧先生在給筆者的郵件中寫道：
“健在的90歲以上的物理學(xué)家：斯坦伯格、楊、安德森、李。？？？”
參考文獻(xiàn)：
[1] 施郁. 人生危機催生中微子假說，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. 規(guī)范理論一百年，知識分子，2019年3月31日.
https://mp.weixin.qq.com/s/YmFQRDGnb4vE8DWygCF5WQ
[4] 施郁. 費曼百年（下）. 知識分子，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.
