| 高能理论物理领域的师徒接力 |
| 送交者: 霸主 2006年06月19日15:48:00 于 [教育学术] 发送悄悄话 |
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高能理论物理这个领域和其它科学领域相比有个特殊之处,那就是高能理论学家喜欢在某一时期一窝蜂地集中研究某类问题,其它领域偶而也有这个现象,但是没有高能理论圈子这么显著。随着这个现象而来的是高能理论社群在任何时刻,几乎都可找出个带头的风云人物--他们的文章就代表风尚,指引了当时真理的方向,年轻学子人人必读。这些领袖在位的时间虽长短不同,每个人的天资与努力毫无疑问都过人一等,否则也服不了这么多相当自命不凡的跟随者。 自一九五○年代以来,这些引领一时风骚的人物依时间顺序主要包括了许文格(J. Schwinger,1918-1994)、葛尔曼(M. Gell-Mann,1929-)、万伯格(S. Weinberg,1933-)、特胡夫特(G. ‘t Hooft,1946-)与威顿(E. Witten,1951-)等人。在这些人物当中,只有特胡夫特不是美国人--他来自荷兰这个虽有长久科学传统但在当时不能算是世界科学中心的国家,所以他崛起的过程也稍带灰姑娘式的传奇色彩。 特胡夫特在一九七一年发表了两篇论文,一篇解决了所谓的无质量「杨(振宁)─密尔斯」规范场论(Yang-Mills gauge field theory)的重整化问题,另一篇则是证明了杨─密尔斯场论配合上「自发失称机制」(也称为希格斯机制Higgs mechanism)就会得到可重整化的「带质量矢量介子」理论。[大致上说,所谓可重整化理论就是理论中不会出现恶劣不可处理的无穷大--所有出现的无穷大都可以合并到物理量里。]这后一种理论可以用于描述弱交互作用,是大家梦寐以求的圣杯。特胡夫特这个还没有拿到博士学位的研究生居然解决了几十年来公认的大难题,让所有专家跌破眼镜。当时哈佛知名高能理论教授格拉肖(S. Glashow,1932-)在听到消息时就说:「这个人若不是个白痴,就是这几年来物理学界所出现最厉害的天才。」 其实不仅是格拉肖摸不清楚状况,连特胡夫特自己的指导教授维特曼(M. Veltman,1931-)一开始也是半信半疑--师徒两人在一九七○、七一年交替之际曾有一段历史性对话: 维:「我不管怎样可以做到,总之一定要有一个可以重整化的理论含有带质量又带电荷的矢量粒子。如何可以和自然相符是以后的事。」
维特曼就把特胡夫特写给他的理论输入电脑中,亲自验证了所有不应该出现的无穷大的确都相抵消掉了!维特曼很早就费了相当大的功夫在杨─密尔斯规范场论上,所以这个结果正是维特曼自己一辈子追求的目标,他的兴奋之情可想而知。原先维特曼并不想让特胡夫特碰规范理论,因为他认为对于学生而言,这题目太难了,但特胡夫特坚持试一下,维特曼也只好同意。这种圆满的结局并不多见,也令人羡慕。 事实上早在一九六七、八年万伯格与巴基斯坦物理学家沙拉姆(A. Salam,1926-1996)就已经提议利用自发失称机制与杨─密尔斯场论来统一弱交互作用与电磁交互作用,但是他们当时并不会证明这种理论的可重整化性,所以几乎没人把这个理论当一回事。直到特胡夫特的证明出现之后,万伯格与沙拉姆的电弱理论才「从青蛙变成王子」(哈佛教授寇曼的评语),成为热门的理论。(格拉肖其实比万、沙二人更早地在一九六一年提出用杨─密尔斯场论来统一弱与电磁交互作用,只是那时他还不知道用上自发失称机制)万沙的电弱理论后来为实验所证实,为此万伯格、沙拉姆与格拉肖三人在一九七九年共获诺贝尔物理奖。当时维特曼对于没能分享诺贝尔荣耀极为失望,他认为真正重要的是弄清楚理论的结构,至于找出正确的模型只是时间的问题而已。还好诺贝尔奖委员会还是把把一九九九年物理奖颁给了维特曼与特胡夫特,没让二人有遗珠之憾。 特胡夫特在他那惊人的两篇处女作论文后,仍勇猛地陆续推出极有创意的文章。人们透过他这些文章才了解了杨─密尔斯规范场论极为丰富的内涵,尤其是其不凡的非微扰现象,例如夸克局限(quark confinement)、瞬间子(instanton)、磁单极(magnetic monopole)等等。他的每个点子几乎都弹无虚发,都能神奇的揭露了规范场论的某些秘密。所以他除了解决了规范场论重整化难题的这份功劳之外,可以说还是一九七○年代高能理论的霸主,这样子一号人物获得诺贝尔奖似乎还说得过去。 但是心眼小一点的人难免会问:特胡夫特的指导教授维特曼是不是也值得拿奖呢?尤其是我们从师徒两人的对话知道,重整化证明的关键点纯粹是特胡夫特一人所想出来的,和维特曼没有关系。当然两人后来合作了数篇论文,比较完整地解说重整化理论与技巧,对于理论发展有正面影响,所以维特曼当然也有不可磨灭的贡献。不过,这样的贡献够大吗?事实上,两人在获奖之前──根据媒体报导──已经是「渐行渐远」,彼此交情变淡的原因和功劳的归属有关系吗? 我的朋友范文祥介绍我一本他发现的好书──《坦白的科学四》(Candid Science IV),里头有三十多位知名物理学家的访问录;因为问题尖锐,回答坦白,所以才有那样的书名。(本书是一系列书的第四册,前三册是对于化学家与生化学家的访问。)维特曼与特胡夫特都是书中的访问对象,尤其是维特曼直话直说的态度让我首次了解了他的心境,也了解了一点师徒间摩擦的原由。 维特曼被问到他在研究规范场论时是否知道这项研究是诺贝尔级的研究?他的回答显露了他的心情──他从头讲起:「当然,但是这里头有些教育因素我们必须理解,因为那很重要。当我在荷兰长大的时候,我并没有接触过在粒子物理前线工作的人。即便我到CERN(欧洲核子物理实验室)去的时候也是这样,CERN是欧洲最好的地方,但是当时还是不能和美国相比。所有的大头都是美国人:费曼、葛尔曼、李政道、杨振宁,他们都是美国人,没有欧洲人。现在(欧洲)年轻的一代一开始都很清楚方向,但是我们当时不是这样……我后来去了SLAC(美国史坦福加速器中心),从那时起我才慢慢开始成长,然后我回到CERN,我在1964年不可能做出我在1968年的工作,因为我还要必须多受一些教育。我必须学习什么是重要的,必须学习方向,否则你只是做别人也在做的事,只是在研究已知理论的一小部分而已。你必须摸索适应才能有独创性的思考,才能找到新方向,才能研究真正的问题。这是特胡夫特不必做的事,他当然永远不会承认,因为他从来没有经过这种学习。我想我只有约在1966年才开始成熟。」 维特曼又说:「如果人们来自没有这种学习机会的地方,他们就没有视野,……他们只会玩弄数学……对于物理来说,数学是重要的,但是基本的想法还是得来自其它的地方。」 我终于知道了维特曼的确在抱怨特胡夫特没有太尊重他开创研究方向的功劳:在当时,寻找「可重整化的理论含有带质量又带电荷的矢量粒子」的确是很冷门的事,维特曼一人在荷兰单独守着这个问题,不能说没有过人的眼光与坚持。维特曼在稍早的访问中曾称赞特胡夫特「数学上的天份极高」,甚至「对于标准模型的数学比我还强,这没有疑问」,但是他真正的意思是这种数学天份如果没有他在指引方向还是不会有出路。 特胡夫特的说法则是维特曼给了他好几个可能的问题,但是他选择了其中最有趣的矢量粒子问题,那也是维特曼自己在做的题目,但「因为这个问题他已经研究了十年(而没有结果),所以并不期待我会有什么进展,但是如果我感兴趣,我可以试一下。……我看到他的问题,我有新鲜的想法,我有点子怎么解这问题。」 无论师徒二人之间有何微妙的情结,两人的确是唇齿相依的,两人的长处刚好配合在一起,才能攀上顶峰。维特曼如果没有特胡夫特,的确不可能去斯德哥尔摩一趟;特胡夫特如果没有维特曼的指点,固然不能说就一定不会解决重整化问题,但是正如维特曼所强调的,特胡夫特可能要摸索相当时间才会寻到正确的路──那时或许圣杯已被夺走了也不一定。我年轻的时候,特胡夫特是我的英雄,现在我只希望有维特曼的眼力与运气。 特胡夫特曾来台湾访问两次。有一回演讲过后,台大学生问他如何选择问题,他就在黑板上从上到下划一条线,然后说这条线代表我们目前知识的边界,线的右边是未知的范畴;要问出还不知道答案的问题很容易,但是这些问题可能离开那条线很远,得到解答的机会不高。真正困难的是如何看出哪里些问题离开那条线不远,我们有机会破解它,而将线往右边推进一些。 |
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