幾個科學家的故事——楊振寧演講

　　　　　　　　　　　·許伯威、李隕滇整理·

　　今天我想談談一些物理學家的故事，我想大家是會感興趣的。

　　我是1945年去美國芝加哥大學念書的。為什麼去那裡呢？因為我在國內做研究生時已學到夠多的物理知識，因而對恩里科·費米非常佩服。費米是20世紀的一位偉大的物理學家，也是最後一位既在理論物理又在實驗物理方面有一流貢獻的物理學家，在他以後，物理學的知識發展越來越廣泛，研究的方法越來越複雜，所以現在基本上沒有人能在這兩個方向上都做出第一流工作。

　　我在芝加哥大學念書，後又當了一年的教員。總共三年半的時間，和費米的關係很好，從他那裡學到了很多東西，費米是一個腳踏實地的人，他的物理學知識以及他對世界上一切事情的看法都是從非常具體、非常實際的方向開始的，他對繁瑣複雜的形式化理論是不贊成的。他對我有根深的影響，原因是他在物理中的價值觀念和我在中國西南聯大念書時形成的價值觀念的方向不一樣。在中國念的物理學傾向於從公式出發，而費米對物理學的想法是從現象出發的。這是兩種不同的看法，當然最終目的是一樣的。但從公式出發容易鑽牛角尖，而從現象出發是腳踏實地的，這一點給我很深印象。

　　在芝加哥大學還有一位老師叫愛德華·泰勒。他現年80多歲了，住在斯坦福大學，當時教我書時才30多歲。他因發展氫彈，有人稱他為氫彈之父，但他不喜歡這個稱號。他的思想非常敏捷，也是一位從現象出發的理論物理學家。他是匈牙利人，早年不幸被電車撞了一下，所以一隻腳不大方便，走路時一拐一拐的，一隻腳重一隻腳輕。1945年我打電話到芝加哥大學問他是否可跟他做研究工作，他和我約好日子要我在物理系的大樓門口等他。那時芝加哥大學還沒有恢復到平時狀態，因二次大戰時芝加哥大學是美國研究原子彈的中心之一，物理系所在的那座大樓為美國軍部所占用，泰勒的辦公室就在裡面。那天早晨我在大樓門口等他，只聽見樓梯上“蓬、蓬、蓬”的走路聲，他下來了，他見我後說：“你就是楊唄！”我說：“是的。”他說：“我們去散散步。”他問我是否知道氫原子的基態波函數。學過大學物理的都知道這是量子力學中非常基本的知識，我多年前念書時就已經知道了，於是就告訴了他。他說：“好。”就這樣錄取了我，泰勒對他的學生有很多幫助，他的學生很多，他常常一星期就給你一個題目，下星期當你和他談論時他常全忘了上星期給你的題目。他的見解非常多，平均每天有八九十個見解，其中95％都是錯的。但這沒關係，因一個人如每天有半個好主意，則其成績將是不得了的。他有個作風給我印象很深，這一點我特別願意提出來和在座的同學談一談。泰勒有許多不成熟的見解，並且很願意和別人談，有時在走廊碰到你就談他剛想到的見解怎樣怎樣……這是和中國的傳統不一樣的，也是中國傳統極不贊成的，中國傳統的觀點認為沒有想清楚的東西不能亂說。泰勒完全不是這樣，所以跟他談話非常有意思，可學到很多東西，而且當和他熟了以後，知道他的見解不一定對，從而採取一點懷疑的態度，結果對彼此都有好處。以下我舉一個實際例子。1948年我得博士學位後當了一年的教員，在這一年中每星期都參加系裡的討論會，討論會是費米建議的，沒有固定的題目，在下午喝咖啡時教授和研究生隨便談論，任何人有新的想法或得到新的消息都可談。經常參加的有費米、泰勒、尤里（即發現重氫的那位化學家），所以是不愁沒有題目討論的。有一次泰勒說，他剛接到電話，在伯克利發現介子，介子可衰變成兩個光子，這是當時大家不知道的消息。泰勒緊接着說他可證明的自旋為零。費米問他如何證明，他到黑板前講了一通，講完後被大家駁得體無完膚，因他的想法不完善（但結論是對的）。我回去後想了想，覺得他的想法雖不完善，但並不是不可挽救的，所以想了幾天后我寫了一篇當時覺得（至今還認為）滿意的文章。這是和泰勒交談得益的一個具體例子。泰勒的思想很奔放，工作很多，所以沒有花時間備課教書。國內的老師對教書很認真，所以從這個標準來看，泰勒是一個壞老師。我剛去時，他教量子力學，有時聽他的課，聽着聽着發現他已出了錯誤，因他沒很好備課，出了一點差錯，再過10分鐘，就知道他將走到不可收拾的地步。於是你可坐在那裡看他掙扎，他在想這是怎麼回事。這是很有意思的，這件事實際上很有教育意味。特別是當你對他講的題目事先有些認識，在這種情況下看一位資深的物理學家在左衝右突時注意的是什麼，這對自己是很重要的教育。通過這樣的接觸，我深深了解到，對於泰勒什麼是重要的，什麼是不重要的。公式對他沒什麼重要性，只是公式的意義對他是重要的，這一點很有啟發性。大家知道1954年美國發生了一件震動世界的“奧本海默事件”。奧本海默生於1901年，比泰勒大幾歲。在1938年前他們兩人雖不是一流物理學家，但都已相當有名了，在二次大戰時美國政府任命格羅夫斯將軍主持原子彈製造工作，美國政府認為這是十分必要的工作。大家知道原子彈基於原子核裂變，而裂變現象是由德國的奧托·哈恩和斯特勞斯曼在柏林發現的。德國有非常優秀的物理學家，尤其是有創立量子力學的海森堡，所以美國的物理學家很怕德國製造原子彈。從歐洲移民去美國的物理學家錫拉德、泰勒、維格納等請愛因斯坦寫信給羅斯福總統提請美國政府注意此事，如讓德國製造了原子彈，對美國是十分危險的。

　　1941～1942年美國總統任命格羅夫斯主持這項工作。格羅夫斯到各學校看了一下，最後選定奧本海默擔任洛斯阿拉莫斯製造原子彈的實驗室主任。泰勒和其他重要的物理學家例如費米等都在該實驗室工作，戰後奧本海默到普林斯頓任研究所主任，泰勒任芝加哥大學物理系教授。但他們和成百的其他物理學家經常和美國政府討論美國的國防事項，這中間常發生一些意見上的分歧，主要是美國政府是否要製造氫彈。這段歷史很複雜，我不想細談。我要說的是，奧本海默這個人鋒芒畢露，容易得罪人，他在1948～1950年初得罪了美國政府中的一些重要人物，所以在1954年的奧本海默事件（由美國政府主持的討論奧本海默的有關背景）中，最後的結論是奧本海默今後不能繼續得到美國國防機密消息，美國政府不讓奧本海默參與美國國防工作。這件事導致了奧本海默和泰勒的友誼的絕對決裂，因聽證會中泰勒被請去作證，泰勒的話普遍地被聽證會解釋為泰勒是堅決反對奧本海默的，這對奧本海默打擊很大，對泰勒打擊也很大，因幾乎所有的物理學家認為泰勒做了不道德的事，在聽證會上的講話對奧本海默不利，導致了聽證會作出對他不利的決定。但大家認為奧本海默對美國有極大功勞。直至今天，在電視上經常可看到批評泰勒的節目。多年來，儘管他的影響還很大，但他和物理界的關係並不好，這是他覺得不高興的事。

　　奧本海默是20年代在哈佛大學畢業的，後在德國哥廷根大學讀博士學位。大家知道近代科學在美國突飛猛進發展是二次大戰前後的事。在20年代美國學生讀博士學位要去歐洲。奧本海默的老師是馬克斯·波恩（1882年生），當時已很有名了。波恩在他的自傳中這樣提到：一天來了一個高瘦的美國人當我的研究生，不到兩天全系都知道他是一位絕頂聰明的年輕人；有一次我寫了一篇文章給奧本海默看，過了兩天他來了，說：“這篇文章寫得很認真，是你寫的嗎？”

　　1949年我在普林斯頓當博士後，當時研究所中最有名的物理學家是阿爾伯特·愛因斯坦（1879年生）。他和牛頓被公認為最偉大的物理學家，因為他們改觀了整個物理學的基礎。我在研究所時，愛因斯坦70多歲了，已退休，但他每天還來研究所。我們這些20多歲的博士後不願打擾他。事實上我和他有所直接接觸是1950年。當時李政道和我寫了一篇關於相變的文章。大家知道相變是熱力學和統計力學中的一個重要的課題，例如水在100℃變成蒸汽，在0℃結成冰，都是相變的例子。愛因斯坦有位助手叫考夫曼，把我們的文章給愛因斯坦看了，他看後很感興趣，叫考夫曼把我們兩人找去。愛因斯坦在物理學方面的傳統是統計力學和電磁力學，這兩方面的傳統是他靈感的來源，相變是統計力學中十分重要的現象，所以他感興趣，我們到他辦公室談了約一個小時，愛因斯坦年紀大，說英文時又夾帶許多德文，但我的德文很蹩腳。當我猜想那些德文的含義時，他就講下面一句話了。再說我對愛因斯坦很佩服，見他時很緊張，所以談了一個小時，沒得到什麼要領，不知道愛因斯坦講了些什麼話。大家如有機會可看看愛因斯坦言論集這本小書。愛因斯坦的文章非常短，但非常中肯。例如他的一篇關於居里夫人的追悼文總共才半頁，但讀後不可能沒有深刻印象。從中可知道愛因斯坦對居里夫人如何佩服，居里夫人的為人，以及他們之間的感情，這是一篇非常精彩的文章。除這本書外，愛因斯坦的許多其他文章也都是很值得讀的。

　　19世紀初，1870～1900年間出生了很多傑出人物，這是很有意思的事。許多的大物理學家集中出生在這幾年之中，這清楚證明一個人在學術上的成就與機遇有很大關係。這一些年中出生的物理學家在1900年前後正當三十多歲，當時在物理學中正發生一場歷史性的革命，即量子力學的創立。和量子力學發展一起成長的物理學家後來作出了重大貢獻。其中一位就是發現不相容原理的沃夫根·泡利，這個原理是在1924年發現的，對原子構造的建立有革命性的影響。泡利曾經和我很熟悉，他在19歲（1919年）時寫了一篇關於廣義相對論理論和實驗結果的總結性論文。當時距愛因斯坦發表“廣義相對論”（1916年）才3年，人們認為他這麼年輕卻有如此獨到的見解，所以震驚了整個物理學界。從此他一舉成名了。關於他的故事很多，據說在一次國際會議上泡利見到了愛因斯坦，愛因斯坦演講完後，泡利站起來說：“我覺得愛因斯坦不完全是愚蠢的”。泡利對他的學生很不客氣，有一次一位學生寫了論文請泡利看，過了兩天學生問泡利的意見，泡利把論文還給他說：“連錯誤都夠不上”。

　　20世紀另一位偉大的物理學家是尼耳斯·玻爾，他比愛因斯但年輕六歲。大家知道量子論是本世紀初由普朗克提出的，這是一個半途出家的理論，並不形成完整的系統，其中有些是對的，有些是不對的。這干擾了物理學家長達25年之久（1900～1925年）。玻爾的貢獻是在1913年用這不完整的理論解釋原子的構造，為什麼有氫、氦、銀、鈹……元素的周期現象。這工作有驚人的成功，也有驚人的失敗。在這以後，物理學家致力於了解其中什麼是對的，什麼是不對的，整整奮鬥了12年，最後終於在1925年出現了自圓其說的理論--量子力學。所以在20年代，玻爾已是舉世公認的物理學大師。丹麥政府為他修建了玻爾研究所，中國的很多研究生和訪問學者都去過那裡。上世紀，丹麥有一位富翁叫卡爾斯伯，今天的卡爾斯伯啤酒廠就是他創建的，他去世時，將自己的房子送給丹麥政府，要政府將房子給最重要的丹麥學者居住，所以30年代後，玻爾就住在那裡。1951年，我去丹麥哥本哈根訪問，在旅館中打聽玻爾的地址，接待員說不需知道玻爾的地址，只要告訴出租車司機去找玻爾，他就會送你去。果然，當我告知司機要找玻爾，他就將我送到卡爾斯伯的那座房子，房子很大，院子外面還有走廊，玻爾和我在走廊上來回走了一個多鐘頭，丹麥人講話舌音很重，在中國人聽來覺得丹麥人都是大舌頭，尤其是玻爾，他還常抽煙，嘴裡銜着煙斗，講話更是聽不清楚，所以和他一個多鐘頭的談話，我幾乎沒聽懂一句話。

　　大家知道，量子力學的建立是一個奮鬥結果，原因是量子論的觀念中有許多似是而非的東西。後通過海森堡的測不準原理，對量子力學才有較深的了解。

測不準原理中有複雜的數學，也有奧妙的哲學上的想法，它對20世紀哲學的發展有非常重大的影響。尼耳斯·玻爾對這方面有很大的影響，他也特別喜歡考慮這方面的事情。他講過一些很有哲理性的話，例如：一個真理和一個很深的真理是不一樣的，一個真理是對的，真理的反面是錯的；一個很深的真理是對的，很深真理的反面也是對的。這包含了測不準原理的部分含義，這一類想法是玻爾最喜歡講的，海森堡在玻爾那裡做博士後研究工作，他的測不準原理是和玻爾辯論的最後成果。

　　海森堡生於1901年，和玻爾（1885年生）相差16歲，但他們之間的關係非常深，超過普通師生關係。二次大戰時，海森堡留在德國，納粹政府要他主持製造原子彈的工作，德國當時也有一個很大的計劃，雖然沒美國那麼龐大。1941年海森堡去哥本哈根看望玻爾，這是歷史上一次有名的會見，但這件事至今並不清楚。很好的海森堡傳記至今還沒寫出，而已有的傳記對這件事是語焉不詳的。玻爾至今也沒很好的傳記，已有的傳記對此也是語焉不詳的。當時哥本哈根已被納粹德國占領。海森堡猜想美國在製造原子彈，他到底知道多少現在我們不清楚。玻爾猜想德國在製造原子彈，但他到底知道多少現在我們也不清楚。在這樣的心情下海森堡和玻爾在院子內散步，但這次散步和1957年我和玻爾散步時情況不一樣，因為他們怕有竊聽器。海森堡戰後說，在散步中他想和玻爾講要美國和德國物理學家都不製造原子彈，但當他一提到原子能，玻爾立刻變得很激動，所以他們的話沒有講下去，玻爾對這件事諱莫如深，始終不講。

　　玻爾現已過世，他的兒子奧格·玻爾也是一位著名物理學家，曾擔任玻爾研究所主任，年齡和我差不多，在當時已有20歲，和他父親的關親很親近。在海森堡和玻爾那次談話不歡而散後，玻爾一定會和他兒子講那天發生的事，所以大家猜想奧格·玻爾是清楚這次談話的。但奧格·玻爾至今沒講那天發生的事情。後來德國製造原子彈的工作完全垮台了。其垮台的一個基本原因是德國一位著名實驗物理學家波特（Bothe）的測量上的錯誤（波特後來是得諾貝爾獎金的）。他當時的任務是測量中子在石墨中的吸收截面。因原子反應堆中有很多中子，如果石墨很容易吸收掉中子，則原子反應堆就不能繼續運轉。當時大家還不知怎樣建造原子反應堆，所以一個很重要的問題是要問石墨（或其他物質）對中子的吸收能力有多大。美國的費米和德國的波特當時都在進行這方面的測量工作。波特的錯誤測量在歷史上很重要，但為什麼會錯，不知道。他錯誤認為中子被石墨吸收的可能性很大，所以不能用石墨製造原子反應堆。費米的測量結果是對的，證明石墨吸收中子的截面很小，所以費米建造的第一個原子反。反應堆用的就是石墨，費米做實驗後想發表這一結果，如真的發表，則以後的歷史可能會完全不一樣，德國因此會知道波特的實驗結果是錯的，幸虧當時哥倫比亞有一位重要的物理學家錫拉德，他雖沒有作出第一流的物理學貢獻，但卻有第一流的政治遠見，他覺得事關重大，希望費米不要發表，但費米不接受，於是錫拉德找院長勸費米不要發表，結果費米同意不發表。波特實驗的錯誤結果導致德國沒有用石墨製造原子反應堆，這件事對世界歷史有決定性的影響。但另一原因是，德國方面的整個理論觀念不對。

　　據海森堡戰後說，理論觀念不對是因為他和其他德國物理學家都不希望德國製造出原子彈，所以不去努力想問題，使原子反應堆走入錯誤的方向，不少人認為海森堡以上的話只是在掩飾他自己，因在原子彈爆炸後，他對他們沒有想出原子反應堆和原子彈的構造是不高興的。當初海森堡是鋒芒最露的年輕物理學家，30年代德國的物理學在全世界是執牛耳的，但後來1989年12月在接受上海交通大學名譽教授大會上不僅沒製造出原子彈，而且考慮的方法至今看來是可笑的，對此海森堡是耿耿於懷的。如果閱讀海森堡後來的有關文章，可以了解這一點。這是一段非常複雜的歷史，我相信將來有人會寫出重要的有關海森堡的傳記。

　　談到原子反應堆和原子彈的歷史，我想和大家談談我所了解的中國在這方面的發展。中國在核武器方面的發展是驚人的，去年美國一位叫路易斯的教授和一位姓薛的中國訪問學者寫了一本有關中國原子彈發展的書。我1945年離開中國前參加過中國物理學會，那時開一次會參加的人數不過30多個，只在有限的三五個方向有一些人寫些文章在國際雜誌上發表。

　　50～60年代，中國造就出成千上萬個物理學家和其他工作者。從勘探鈾礦到開採、提煉鈾礦，純化石墨，還有許多非常複雜的技術，如爆炸學、化學、金屬學等，都在很短的時間內解決了。所以在1964年爆炸了第一顆原子彈，這是一項驚人的成就，西方學者對此研究後有一評價。但尤為驚人的是繼原子彈之後，只花了2年8個月就製造了氫彈。法國從原子彈到氫彈花了7年時間，法國起步早，但製造出氫彈的時間遠比中國晚。中國製造氫彈最主要的理論工作者是鄧稼先和于敏，也許在座的多半不知道他們兩位。中國在基礎物理方面作出重要貢獻的前輩有兩位，一位是趙忠堯先生，一位是王淦昌先生。趙先生是浙江人，現任高能所研究員，關於兩位先生的工作，我曾作過研究寫了文章，我之所以寫文章是因為看到日本的物理學家對他們前輩的貢獻不遺餘力地去研究，並把他們的重要性提出來，他們寫了很多文章和書，中國在這方面做得非常少。關於兩位先生的工作及其重要性的兩篇文章，是我花了些時間和高能所的李炳安合作寫成的。趙先生重要的貢獻是1930年在加州理工學院做的兩個實驗，第一個實驗從後來的眼光看來是發現了光子產生了正負電子對。根據1928年的狄拉克理論，除了帶負電的電子外，還有帶正電的正電子，正電子除了電荷為正以外，其他性質和負電子一樣。這是了不起的預言。根據狄拉克理論，光子可變成一對正負電子。趙先生1930年的第一個工作就是發現了這一現象，趙先生1930年底從事的第二個實驗觀測到了與第一個實驗密切相關的另一現象，即正電子如遇到負電子，將湮滅成兩個光子，這就是湮滅現象，但趙先生當時沒有懂得他所發現的是正負電子對產生以及湮滅現象，因為當時大家還沒接受狄拉克的理論。兩年後才真相大白，當時從事實驗工作的都受到趙先生1930年工作的影響。王淦昌先生曾是北京原子能所副所長，核工業部副部長。他們兩位現都己80多歲了。抗戰時，在非常困難的情況下，王先生在遵義寫了一篇理論文章，基本粒子中有一很神秘的粒子，叫中微子，它沒質量，不帶電荷，所以很難發現。理論上了解到必須要有中微子是在1931～1933年，這是一個重要的發展。之後很多實驗工作者從實驗上尋找中微子，但很久都沒找出來，因為實驗很難做。1941年，王先生在很閉塞的情況下寫了論文寄給《物理評論》，一針見血地指出用K俘獲的辦法可較簡單地發現中微子。文章發表後的半年內，美國的一位年輕物理學家傑姆斯·阿倫（現已去世）根據王先生的辦法進行實驗。阿倫對王先生是非常推崇的，所以在他論文的一開始就指出是根據王先生提出的K俘獲的方法尋找中微子的，而他所報告的就是以上實驗的結果。不幸的是，他的實驗不夠精確，結果不清楚，不能得到定論。當時正值戰時，許多物理學家不能從事普通的研究工作，所以一拖就是七八年。直到50年代初阿倫以及其他物理學家重新用了王先生的方法，果然在實驗上發現了中微子，這是一個非常重要的貢獻。

　　今天我講了很多的故事，在座的哪位同學如對物理學史感興趣，從中可了解到它的傳統。當然不只是物理學，其他如化學、數學等各種學科和工程，它們的歷史都有一種傳統，研究這種傳統是一件重要的事，也是很有意義的事。