| 高能理論物理領域的師徒接力 |
| 送交者: 霸主 2006年06月19日15:48:00 於 [教育學術] 發送悄悄話 |
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高能理論物理這個領域和其它科學領域相比有個特殊之處,那就是高能理論學家喜歡在某一時期一窩蜂地集中研究某類問題,其它領域偶而也有這個現象,但是沒有高能理論圈子這麼顯著。隨着這個現象而來的是高能理論社群在任何時刻,幾乎都可找出個帶頭的風雲人物--他們的文章就代表風尚,指引了當時真理的方向,年輕學子人人必讀。這些領袖在位的時間雖長短不同,每個人的天資與努力毫無疑問都過人一等,否則也服不了這麼多相當自命不凡的跟隨者。 自一九五○年代以來,這些引領一時風騷的人物依時間順序主要包括了許文格(J. Schwinger,1918-1994)、葛爾曼(M. Gell-Mann,1929-)、萬伯格(S. Weinberg,1933-)、特胡夫特(G. ‘t Hooft,1946-)與威頓(E. Witten,1951-)等人。在這些人物當中,只有特胡夫特不是美國人--他來自荷蘭這個雖有長久科學傳統但在當時不能算是世界科學中心的國家,所以他崛起的過程也稍帶灰姑娘式的傳奇色彩。 特胡夫特在一九七一年發表了兩篇論文,一篇解決了所謂的無質量「楊(振寧)─密爾斯」規範場論(Yang-Mills gauge field theory)的重整化問題,另一篇則是證明了楊─密爾斯場論配合上「自發失稱機制」(也稱為希格斯機制Higgs mechanism)就會得到可重整化的「帶質量矢量介子」理論。[大致上說,所謂可重整化理論就是理論中不會出現惡劣不可處理的無窮大--所有出現的無窮大都可以合併到物理量里。]這後一種理論可以用於描述弱交互作用,是大家夢寐以求的聖杯。特胡夫特這個還沒有拿到博士學位的研究生居然解決了幾十年來公認的大難題,讓所有專家跌破眼鏡。當時哈佛知名高能理論教授格拉肖(S. Glashow,1932-)在聽到消息時就說:「這個人若不是個白痴,就是這幾年來物理學界所出現最厲害的天才。」 其實不僅是格拉肖摸不清楚狀況,連特胡夫特自己的指導教授維特曼(M. Veltman,1931-)一開始也是半信半疑--師徒兩人在一九七○、七一年交替之際曾有一段歷史性對話: 維:「我不管怎樣可以做到,總之一定要有一個可以重整化的理論含有帶質量又帶電荷的矢量粒子。如何可以和自然相符是以後的事。」
維特曼就把特胡夫特寫給他的理論輸入電腦中,親自驗證了所有不應該出現的無窮大的確都相抵消掉了!維特曼很早就費了相當大的功夫在楊─密爾斯規範場論上,所以這個結果正是維特曼自己一輩子追求的目標,他的興奮之情可想而知。原先維特曼並不想讓特胡夫特碰規範理論,因為他認為對於學生而言,這題目太難了,但特胡夫特堅持試一下,維特曼也只好同意。這種圓滿的結局並不多見,也令人羨慕。 事實上早在一九六七、八年萬伯格與巴基斯坦物理學家沙拉姆(A. Salam,1926-1996)就已經提議利用自發失稱機制與楊─密爾斯場論來統一弱交互作用與電磁交互作用,但是他們當時並不會證明這種理論的可重整化性,所以幾乎沒人把這個理論當一回事。直到特胡夫特的證明出現之後,萬伯格與沙拉姆的電弱理論才「從青蛙變成王子」(哈佛教授寇曼的評語),成為熱門的理論。(格拉肖其實比萬、沙二人更早地在一九六一年提出用楊─密爾斯場論來統一弱與電磁交互作用,只是那時他還不知道用上自發失稱機制)萬沙的電弱理論後來為實驗所證實,為此萬伯格、沙拉姆與格拉肖三人在一九七九年共獲諾貝爾物理獎。當時維特曼對於沒能分享諾貝爾榮耀極為失望,他認為真正重要的是弄清楚理論的結構,至於找出正確的模型只是時間的問題而已。還好諾貝爾獎委員會還是把把一九九九年物理獎頒給了維特曼與特胡夫特,沒讓二人有遺珠之憾。 特胡夫特在他那驚人的兩篇處女作論文後,仍勇猛地陸續推出極有創意的文章。人們透過他這些文章才了解了楊─密爾斯規範場論極為豐富的內涵,尤其是其不凡的非微擾現象,例如夸克局限(quark confinement)、瞬間子(instanton)、磁單極(magnetic monopole)等等。他的每個點子幾乎都彈無虛發,都能神奇的揭露了規範場論的某些秘密。所以他除了解決了規範場論重整化難題的這份功勞之外,可以說還是一九七○年代高能理論的霸主,這樣子一號人物獲得諾貝爾獎似乎還說得過去。 但是心眼小一點的人難免會問:特胡夫特的指導教授維特曼是不是也值得拿獎呢?尤其是我們從師徒兩人的對話知道,重整化證明的關鍵點純粹是特胡夫特一人所想出來的,和維特曼沒有關係。當然兩人後來合作了數篇論文,比較完整地解說重整化理論與技巧,對於理論發展有正面影響,所以維特曼當然也有不可磨滅的貢獻。不過,這樣的貢獻夠大嗎?事實上,兩人在獲獎之前──根據媒體報導──已經是「漸行漸遠」,彼此交情變淡的原因和功勞的歸屬有關係嗎? 我的朋友範文祥介紹我一本他發現的好書──《坦白的科學四》(Candid Science IV),裡頭有三十多位知名物理學家的訪問錄;因為問題尖銳,回答坦白,所以才有那樣的書名。(本書是一系列書的第四冊,前三冊是對於化學家與生化學家的訪問。)維特曼與特胡夫特都是書中的訪問對象,尤其是維特曼直話直說的態度讓我首次了解了他的心境,也了解了一點師徒間摩擦的原由。 維特曼被問到他在研究規範場論時是否知道這項研究是諾貝爾級的研究?他的回答顯露了他的心情──他從頭講起:「當然,但是這裡頭有些教育因素我們必須理解,因為那很重要。當我在荷蘭長大的時候,我並沒有接觸過在粒子物理前線工作的人。即便我到CERN(歐洲核子物理實驗室)去的時候也是這樣,CERN是歐洲最好的地方,但是當時還是不能和美國相比。所有的大頭都是美國人:費曼、葛爾曼、李政道、楊振寧,他們都是美國人,沒有歐洲人。現在(歐洲)年輕的一代一開始都很清楚方向,但是我們當時不是這樣……我後來去了SLAC(美國史坦福加速器中心),從那時起我才慢慢開始成長,然後我回到CERN,我在1964年不可能做出我在1968年的工作,因為我還要必須多受一些教育。我必須學習什麼是重要的,必須學習方向,否則你只是做別人也在做的事,只是在研究已知理論的一小部分而已。你必須摸索適應才能有獨創性的思考,才能找到新方向,才能研究真正的問題。這是特胡夫特不必做的事,他當然永遠不會承認,因為他從來沒有經過這種學習。我想我只有約在1966年才開始成熟。」 維特曼又說:「如果人們來自沒有這種學習機會的地方,他們就沒有視野,……他們只會玩弄數學……對於物理來說,數學是重要的,但是基本的想法還是得來自其它的地方。」 我終於知道了維特曼的確在抱怨特胡夫特沒有太尊重他開創研究方向的功勞:在當時,尋找「可重整化的理論含有帶質量又帶電荷的矢量粒子」的確是很冷門的事,維特曼一人在荷蘭單獨守着這個問題,不能說沒有過人的眼光與堅持。維特曼在稍早的訪問中曾稱讚特胡夫特「數學上的天份極高」,甚至「對於標準模型的數學比我還強,這沒有疑問」,但是他真正的意思是這種數學天份如果沒有他在指引方向還是不會有出路。 特胡夫特的說法則是維特曼給了他好幾個可能的問題,但是他選擇了其中最有趣的矢量粒子問題,那也是維特曼自己在做的題目,但「因為這個問題他已經研究了十年(而沒有結果),所以並不期待我會有什麼進展,但是如果我感興趣,我可以試一下。……我看到他的問題,我有新鮮的想法,我有點子怎麼解這問題。」 無論師徒二人之間有何微妙的情結,兩人的確是唇齒相依的,兩人的長處剛好配合在一起,才能攀上頂峰。維特曼如果沒有特胡夫特,的確不可能去斯德哥爾摩一趟;特胡夫特如果沒有維特曼的指點,固然不能說就一定不會解決重整化問題,但是正如維特曼所強調的,特胡夫特可能要摸索相當時間才會尋到正確的路──那時或許聖杯已被奪走了也不一定。我年輕的時候,特胡夫特是我的英雄,現在我只希望有維特曼的眼力與運氣。 特胡夫特曾來台灣訪問兩次。有一回演講過後,台大學生問他如何選擇問題,他就在黑板上從上到下劃一條線,然後說這條線代表我們目前知識的邊界,線的右邊是未知的範疇;要問出還不知道答案的問題很容易,但是這些問題可能離開那條線很遠,得到解答的機會不高。真正困難的是如何看出哪裡些問題離開那條線不遠,我們有機會破解它,而將線往右邊推進一些。 |
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