「夸克之父」去世:棄文從理拿諾獎,一生與費曼「相愛相殺」

2021-01-20 科研圈

高能物理理論巨人默裡·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)於當地時間 5 月 24 日辭世,享年 89 歲。


蓋爾曼是一位粒子物理學界的奇才,作出了許多奠基性的工作。自 20 世紀 50 年代以來,蓋爾曼在粒子物理學中一直扮演著最重要的角色。特別是他於 1964 年提出的夸克模型,開闢了人們對物質結構認識的新篇章,被譽為「夸克之父」,1969 年獲得諾貝爾物理學獎。


此外,蓋爾曼和他在加州理工的同事、著名物理學家費曼之間亦敵亦友的交鋒故事,也隨著兩位天才的離去成為了傳說。


來源:SME 科技故事(ID: SMELab)


默裡·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)*出生在紐約,有一個比他大 9 歲的哥哥。蓋爾曼的廣泛興趣完全得益於他的哥哥:他們一起觀察鳥類還有各種小動物、讀歷史、參觀博物館、學習各種語言。


*註:Murray Gell-Mann 中間有連字符,這個連字符其實是默裡的父親發明的。據說是因為他作為一個猶太移民,想在紐約出人頭地,所以蓋爾曼就給自己的名字中間添加了一個連字符。


年輕的蓋爾曼


此時蓋爾曼的能力已經展現了出來,他對很多知識的吸收能力實在驚人。他被同齡的孩子們稱作「兩條腿的圖書館」,學習成績更是異常優異。因為對學校單調乏味的生活感到厭煩,於是他不斷跳級,15 歲便考入了耶魯大學。



他本打算選擇考古或是語言作為專業,不過父親卻極力反對。父親認為考古或是語言都是不能養活自己的專業,希望他成為一個工程師。不過尷尬的是,蓋爾曼在一次能力測試中,被認定為「適合任何專業,除了工程專業」。


不死心的父親只能退而求其次,讓他選擇了與之相近的物理專業。事實上他的父親非常喜歡物理學,特別是對愛因斯坦極為崇拜,經常把自己鎖在房間裡學習廣義相對論,儘管他從來沒有真的弄懂過。


蓋爾曼一開始接觸物理時,就認定物理學是非常乏味的。幸運的是,在耶魯大學讀書時,他遇到了一位改變他想法的物理學教授亨利·馬耿諾。馬耿諾老師在研究上並不突出,但授課和啟發學生上堪稱一流,蓋爾曼便是在馬耿諾的課堂上被勾起了對物理的好奇。待他接觸到了量子力學,感受到了物理學的美感後,他徹底沉淪在了物理世界裡。


耶魯老校區庭院


由於天資聰慧,蓋爾曼的學業壓力幾乎為零。多餘的時間裡,他參加許多學術討論會,了解了物理學家的工作,這讓他逐漸興起對科學發起挑戰的欲望。他的博士論文便是研究難度極高的大統一理論*,並且憑此獲得了博士學位。


*註:希望能藉由一個單一理論來解釋數種不同的相互作用所導致的物理現象。



因為學生時期的優異成果,他被奧本海默推薦進了普林斯頓高等研究院,與父親的偶像愛因斯坦在同一屋簷下工作。翌年,他又成為了費米所領導的芝加哥大學核研究院的講師,隨後受聘於加州理工學院,任物理學副教授,一年後晉升正教授。就是在這短時間內,20 來歲的年輕科學家蓋爾曼,因為他的粒子物理學研究,成為粒子物理學界的重要人物。


普林斯頓高等研究院


人們對於微觀世界的認識是不斷地在變化的,從分子到原子,還有著更小的離子、電子。但這遠遠不是終點,更加細微的粒子如輕子、質子、中子、介子電子等等,我們總能觀測到更小的粒子。


而隨著基本粒子不斷被發現,人們希望對他們做一番整理找到規律性,效仿當年門捷列夫的工作,為基本粒子找到一個「周期表」。


八重態的組成部分用綠色表示


蓋爾曼所做的工作,正是為這些粒子們,找到它們的歸屬。他先是提出了奇異數的概念,為不同的粒子賦予了不同的奇異數,以此分類粒子。


隨後他在奇異數的基礎上,提出了八重法,八重法是指將八個粒子聯合一起形成一個穩定的狀態,以此也可推演至十重法。


依照他所提出的思路,他預言了許多粒子的存在,其中也包括了無法被觀測到的夸克粒子,他也因此被稱為「夸克之父」、「20 世紀的門捷列夫」。


可以說,蓋爾曼的工作讓粒子物理學邁進了全新的領域。


夸克基礎模型


由於蓋爾曼對粒子物理學的貢獻,他摘下了 1969 年的諾貝爾物理學獎,除此以外還有許多獎勵榮譽:


1959 年、1966 年、1967 年和 1968 年先後獲得了美國物理學會的丹尼·海涅曼獎;

美國原子能委員會頒發的 E.U.勞倫斯(Lawrence)物理學獎;

費城富蘭克林學院的富蘭克林獎章以及美國科學院的 J.J卡蒂(Carty)獎章等等。



蓋爾曼在物理學上成果豐碩,但他也從未放下在歷史、語言、自然科學上的興趣愛好。他到老都在四處奔跑,研究鳥類,他對物理學以外的學科研究常常讓人驚嘆。也因為這樣,他被認為是加州理工學院裡最聰明的人。當然,另一個人完全不認同這句話,那就是蓋爾曼的宿敵——費曼。


1965年諾貝爾物理學獎得主費曼


費曼總喜歡誇耀自己聰明,這幾乎是大家都知道的事,儘管他確實聰明。與之相同,蓋爾曼也從不否認自己的聰明,也許同性相斥,兩位自認聰明的人無意間成了「宿敵」。


蓋爾曼與費曼


費曼與蓋爾曼的交鋒總是非常激烈,即使在公共場合也毫不掩飾。有一次,霍金來到加州理工學院作學術訪問,他正在聽蓋爾曼的講座。這時費曼也來了,蓋爾曼便開始用單調乏味的語氣讀起了筆記。十分鐘後費曼起身離去,讓霍金大吃一驚的是,全場似乎氣氛一松,蓋爾曼也開始用生動的語氣說起他的研究。事後霍金才知道,蓋爾曼是為了避免不必要的交鋒才故意示弱。


不過,恐怕費曼也是知趣而退,給足了霍金面子。


他們兩參與的研討會向來以殘酷著稱,蓋爾曼從不放過他人提出的一點錯誤,喋喋不休地向你發問。若是話題無聊到讓他連錯誤都懶得提,那麼他就會一臉無聊地在一旁看報紙。而費曼會更直接,他一樣不喜歡錯誤或草率的想法,先是當場說出自己的看法,然後直接離去。為此兩人同時出席的會議,可不會平靜如霍金參加的講座一般。



除了觀點爭鋒,兩人為了展示自己才是全加州理工學院最聰明的人總是不留餘力。費曼的愛車上畫滿了費曼圖,車牌上寫上「量子」的單詞,生怕別人認不出這是費曼,當然蓋爾曼也差不多,他的車牌上寫著「夸克」。


在費曼的自傳《別鬧了,費曼先生》出版後,蓋爾曼對書中描寫他的部分非常不滿,逼著費曼改到他滿意為止。而在蓋爾曼《夸克與美洲豹》一書中介紹費曼圖的那段話,就不知道費曼是不是也插了一手了。



兩人也在一起做過不少有意思的事情,他們有著一位共同的美國畫家朋友。有一次,這位畫家正巧生日,他們兩家人突發奇想想要送他一隻孔雀。於是費曼夫婦負責吸引畫家的注意力,蓋爾曼悄悄將孔雀放進了畫家的臥室。待畫家回到臥室時,著實嚇了一跳,那可真是一個不可思議的禮物!



很容易感覺到,兩人雖為「宿敵」關係,但其實更像兩個羈絆極深的密友。費曼總是會往蓋爾曼家中打電話,向蓋爾曼的太太詢問蓋爾曼的日程。若是得知蓋爾曼在花園裡幹活,那費曼就能樂一整天。但要是聽聞蓋爾曼在做研究,那要不了多久費曼就會出現在蓋爾曼家中。


兩人為了爭論兩人到底誰更聰明一直是「明爭暗鬥」。直到 1988 年費曼撒手人寰,這才終止了戰爭,但蓋爾曼也沒想到,費曼還是留了一手,離世也不忘「將他一軍」。


這是在 2010 年,紀念蓋爾曼誕辰 80 周年的新加坡國際會議上,費曼的學生喬治·茨威格回顧過往,提到了一個秘密:原來費曼曾於 1977 年提名蓋爾曼作為諾貝爾物理學獎候選人,當時在場的蓋爾曼頓時被震驚了。


外人看來,費曼的提名是兩人莫逆的交情必然結果。但蓋爾曼與費曼的關係卻也是複雜的,兩人相互競爭,也相互幫助。


恰如蓋爾曼的研究,將複雜粒子關係,用一個清晰易懂的方式分門別類。也許在簡單與複雜之間找到的平衡,確是自然規律中重要的一環。


*參考資料

杜正國. 蓋爾曼和夸克模型[J]. 中學物理教學參考,2006,(04):27-28. 

程民治. 蓋爾曼——博學多才特立獨行的物理學家[J]. 物理與工程,2005,(03):53-55+64. 

王增年. 靈山觀鳥——諾貝爾獎得主蓋爾曼先生科學考察野生鳥紀事[J]. 中國花卉園藝,2002,(20):42-43. 


本文轉載自公眾號「SME 科技故事」(ID: SMELab)


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