统治基本粒子领域20年的皇帝”去世

作者: 张建东 李唐 金庄维来源:赛先生发布时间:2019-06-03

他从事过很多工作,包括在孤儿院为孩子们提供咨询、在华尔街工作、为一家玩具进口公司处理德国相关事宜、以及开办了一所语言学校。

加州理工学院罗伯特·安德鲁·密立根理论物理教授(荣誉退休), 1969年诺贝尔物理学奖获得者默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann),于2019年5月24日去世,享年89岁。

统治基本粒子领域20年的皇帝”去世

(图源:wikipedia.org)(图源:wikipedia.org)

盖尔曼的主要贡献在于为二十世纪五六十年代的粒子物理领域带来了秩序。当时,“原子粉碎”实验中发现了大量令人眼花缭乱的新粒子,他发明了一种新的方法将粒子按照电荷、自旋和其它性质分成八个一组。以色列科学家尤瓦勒·内埃曼(Yuval Ne‘eman)也得到了类似的分类方法。

盖尔曼借用佛教中表述八种觉悟方式的概念“八正道”,将他的分类方法命名为“八重道”(The Eightfold Way)。

由于这项研究成果及相关工作,盖尔曼被授予诺贝尔物理学奖,获奖原因是“他对基本粒子的分类和相互作用的研究所作出的贡献”。

他的同事,诺奖得主大卫·格罗斯(David Gross)称,盖尔曼“在二十世纪五六十年代统治着理论粒子物理学领域”。另一位诺奖得主谢尔登·李·格拉肖也称他为“统治基本粒子领域20年的皇帝”。

但鲜为人知的是,这位粒子物理领域的“皇帝”在高中时代并不喜欢物理。

从“博学家”到物理学家

盖尔曼于1929年9月15日出生于纽约。他的父亲阿瑟出生于奥地利,后来移民到曼哈顿找工作。他从事过很多工作,包括在孤儿院为孩子们提供咨询、在华尔街工作、为一家玩具进口公司处理德国相关事宜、以及开办了一所语言学校。阿瑟在1919年和盖尔曼的母亲波林结婚。

在加州理工档案馆的一份口述历史(oral history)中,盖尔曼提到,母亲“总是梦想着我能做一些伟大的事情”,而她的梦想在他通过私立语法学习的全额奖学金时实现了。他跳了好几级。

在这份口述历史中,盖尔曼还描述了自己的广泛兴趣。他说:“我的主要兴趣都是涉及个性、多样性和进化的主题。历史、考古、语言学、各个物种——鸟类、蝴蝶、树木、草本开花植物等等的自然历史,这些是我喜欢的东西。此外还有数学和其它各种东西——例如艺术和音乐。”

盖尔曼于1948年获得耶鲁大学物理学学士学位,并于1951年获得麻省理工学院物理学博士学位。之所以选择物理学作为专业,离不开他父亲的劝说。

根据盖尔曼的说法,物理是“我在高中时唯一学得很差的课程,而且我讨厌它。”但他的父亲告诉他,他会喜欢量子力学和相对论的。“所以我选择了物理学,并且很快就喜欢上它了。我发现父亲是对的,事实上——一反常态,他说得很对。量子力学和相对论非常了不起。”

在加州理工

盖尔曼从1956年起成为加州理工学院的教授,此后38年,加州理工一直是他的“大本营”。正是在那里,他完成了出色的研究工作。

从20世纪50年代到70年代,盖尔曼在帮助建立基本物理标准模型的过程中发挥了领头作用。

夸克的想法(乔治·茨威格也同时独立提出了这一想法)就是盖尔曼对基本粒子及其相互作用进行分类的工作的一部分。盖尔曼用詹姆斯·乔伊斯的小说“芬尼根守灵夜”中的“向麦克老人三呼夸克”,为这种基本粒子取了名。

夸克是构成质子、中子和其它亚原子粒子的不可分割的物质。夸克从来没有被独立观测到,而且也不能从所组成的更大的粒子中被分离出来。它们的电荷是-1/3和2/3,而这最初被认为在物理上是不可能的。后来的实验证明了夸克的存在,这些物质现在也构成了我们对宇宙的物理理解的基础。

盖尔曼后来还与人合作,发展了关于夸克的量子场论,也就是量子色动力学(QCD)。这一理论解释了核子及其强烈的相互作用。

除了广为人知的夸克,盖尔曼还在粒子物理领域引入了一些其它概念,比如控制着一些粒子如何衰变“奇异性”,以及与在原子核内将质子和中子结合在一起所产生的作用强核力有关“色荷”。

(portrayed by Toya Walker)(portrayed by Toya Walker)

如此成就斐然,盖尔曼自然容易吸引“对手”的注意。在加州理工,他遇到了与他“针锋相对”的同事——理查德·费曼

盖尔曼和费曼都是好胜心强的人,两人经常为攀比“谁是加州理工学院最聪明的人”而争执不休。

费曼知道博学的盖尔曼喜欢侃侃而谈,于是常常拿盖尔曼说过的话开玩笑,故意激怒他,然后看他无语和抓狂的样子,这让盖尔曼很恼火。

而盖尔曼也直言不讳地指出:

我对理查德的风格中广为人知的另一面则不以为然。他将自己置身于层出不穷的神话之中,并且耗费了大量的时间和精力来打造关于自己的趣闻轶事。

两人虽然同事多年,但除了与共同的学生乔治·茨威格(George Zweig)一起发表过一篇专业论文之外,费曼和盖尔曼两人多年来只合作发表过一篇学术论文。

但在乔治·茨威格的回忆中,这两位教授更多时候表现出“英雄惜英雄”的一面。

茨威格曾经希望盖尔曼成为他的论文导师,因为盖尔曼如父亲一般对他关爱有加。但是盖尔曼拒绝了,因为他要去东海岸休假,并且建议茨威格“与迪克聊聊”。(注:迪克是费曼的别名)

当茨威格非常腼腆地问费曼是否愿意成为自己的论文导师时,费曼回复道:盖尔曼说你OK,那你就一定OK。

这种情况并非偶然。两人一起听报告时,费曼也非常看重盖尔曼的态度。

在茨威格的回忆中,他俩经常坐在第一排中间,报告进行后不久,费曼就会问盖尔曼:这家伙聪明吗?(Is this guy smart?)如果盖尔曼上下点头,费曼就会问问题;如果盖尔曼来回摆头,费曼也不会浪费时间提问。

此外,在1977年,费曼还提名盖尔曼和茨威格作为诺贝尔物理学奖候选人。茨威格表示,据他所知,这是费曼所作的唯一一次诺奖提名。

统治基本粒子领域20年的皇帝”去世 (2)

盖尔曼(左)和费曼(右)(Photo by Joe Munroe。 Physics。/Caltech Archives)盖尔曼(左)和费曼(右)(Photo by Joe Munroe。 Physics。/Caltech Archives)

夸克与美洲豹

在职业生涯后期,盖尔曼开始对生物学,生态学,社会学和计算机科学的复杂性问题产生兴趣。 他于1994年出版了《夸克与美洲豹》( The Quark and the Jaguar),向读者介绍他对简单性和复杂性的看法。

在书中,盖尔曼表示自己几十年以来一直保持着两种爱好:寻找所有物质服从的基本定律以及探讨地球上生命与人类文化的演化。这使得他自然而然地关注复杂系统。

生命起源和进化的过程中处处可以看到复杂适应系统。例如在抗生素广泛使用的时代,细菌会产生耐药性。这种系统通过获取环境及其自身与环境之间相互作用的信息,总结出所获信息的规律性,并把这些规律提炼成一种“图式(schema)”或模型,最后以图式为基础在现实中采取相应的行动。

盖尔曼认为,人类的科学活动便是一个典型的案例。科学理论即为图式。然而,科学活动并不严格按照任何明确的模型进行。因为科学毕竟是人的科学,个人的信念、行为方式都会对他们的理论产生影响。但“科学活动的本性就使它具有自动修正性,并且能够克服种种弊端,向正确方向前进。”

科学往往会产出局部统一的定律,比如麦克斯韦方程组就近乎完美地描述了所有电磁现象。这种理论将复杂的现象压缩进了一个简单而又威力强大的数学包中,于是,人们不用再去记忆繁多的事件,世界变得简单,变得更易于理解。

但是对于像生物这样十分复杂的系统,就算我们拥有一个大统一的理论,理论本身也不可能告诉我们关于宇宙的一切。考虑到量子力学的不确定性和普遍存在的混沌现象——初始条件的微小变化会对结果产生显著的影响,如果把宇宙看作一个复杂系统,科学也许只能预言不同历史发生的概率。

但盖尔曼并不因此失望,他鼓励道,当新现象产生时,我们应扩大科学,保护文化多样性,“向一个更加持续的世界转变”。

出于对复杂系统的兴趣,盖尔曼于1984年共同创立了圣达菲研究所,致力于复杂系统科学的研究。

1993年从加州理工退休后,盖尔曼便生活在新墨西哥州圣达菲。除了偶尔到新墨西哥大学教课,他还在圣达菲研究所继续工作。在那里,他回归了年轻时代对人类语言演化的热情,和考古学家、人类学家、遗传学家、语言学家等一起,追溯人类语言演化的起点。

盖尔曼始终是一个孩童,他对这个世界充满兴趣。我们将为他的成就竖起纪念碑,并在他的鼓舞下,继续在科学之路上前进。愿他一路走好

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