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读书随笔:理查德·费曼传(5-5完)

盖尔曼于1952年提出了一项猜想——奇异数守恒。他用奇异数守恒来解释强力与弱力对粒子产生的不对称作用。

粒子发生衰变主要来源于弱力,弱力较弱,所以衰变时间会很长。盖尔曼认为,新粒子总是以粒子-反粒子成对产生的,它们之间的奇异数要守恒,即正反粒子奇异数相同但符号相反。

如果是强力作用粒子衰变,那么就会破坏奇异数守恒。强力是遵循奇异数守恒的,但弱力没有,只不过因为弱力够弱,所以粒子的衰变如中子的衰变要经历较长的时间。

正是奇异数这个新概念,揭开了一个新的方法论——宇称守恒,以对称性作为一个物理量,来对众多的新奇粒子进行分门别类

弱力的奇特性质也许会不遵循宇称守恒,这一点也为费曼和盖尔曼所怀疑。

这引发了两个有着过人胆识的年轻物理学家李政道和杨振宁的注意,他们有着出色的直觉——如果能从这个点做些验证,也许会形成较大的突破。

于是两人对费曼和盖尔曼的理论和计算过程进行了全面检视,提出了一个有待证伪的假设——弱力可能不遵守宇称守恒,并且设计了相关的实验,让同是华裔的物理学家吴健雄女士亲自操刀实验——吴健雄是当时物理学界顶尖级的实验专家。

实验的原理简单描述——以中子衰变为质子的β衰变为例,中子释放了一个电子,从中性变成了正电性,也就是极化,如果弱力遵循宇称守恒,那么中子释放电子之后朝着特定方向旋转,则被发射的电子要朝向相反的方向以维持宇称守恒。如果电子不论在什么情况下,都只朝向特定方向,则说明弱力不遵循宇称守恒。

1956年,吴健雄的实验结果出来了,实验结果与杨振宁和李政道的预测一致——不论什么情况下,衰变发射的电子总是朝向一个特定的方向,也就是说,弱力确实不遵守宇称守恒

这是有史以来,最快速的研究进展——从理论提出到实验验证,不到两年时间。杨振宁和李政道为此获得了1957年诺奖

这个研究结果说明啥?弱力引发的粒子衰变,是我们这个世界物质构成的主要原因之一,如果弱力有偏向性,就说明,在早期宇宙形成过程中,弱力可以造成局部粒子的不均衡分布,为恒星、行星的形成提供基础!

宇称不守恒,意味着,上帝是个左撇子。

为啥会这样呢,到后来知道,β衰变的产物中微子,是已知所有粒子中,唯一只朝一个方向旋转的粒子!甚至于用我们习惯的“镜像观察”角度来看,它也只有一个方向!难以想象吧

费曼就像上次对超导体、超流体的研究一样,再次错过了诺奖——不过他根本不在意,他只在意自己的方法——路径积分,用路径积分来描述弱力这种特殊的形式。

经过与盖尔曼的反复争吵,费曼逐步把原先需要四个量来描述的弱力,缩减到了两个量——V矢量和A轴矢量,终于算是完成了对弱力的统一方程描述。

由此,加州理工成为了五十年代粒子物理学的网红打卡地。

这个阶段,费曼的个人生活也终于算是稳定了下来——在经历了十年时间的情场浪子生涯之后,他与一个英国女士格温妮丝组建了家庭,生了两个孩子。稳定的家庭生活,给费曼,给整个物理学界带来的好处,就是费曼终于开始全身心投入到物理学课程建设中去。

他以费曼式的特色,喜欢出奇和出彩,喜欢追寻各种不同概念和现象之间的联系,重建了当时整个大学本科的物理学课程。

说实话,这套课程,也就是后来畅销的《费曼物理学讲义》,并不是为零基础的学生准备的,对基础物理学知识的要求其实很高。费曼更倾向于脱离基础知识的讲解,为大家展示整个物理学以及整个宇宙中各种奇特的关联。

所以,他甚至认为,学生不需要从斜坡滚球来学习物理,完全可以从微观粒子开始。而且,他还把肆意妄为地把物理学拓展到其它领域——生理学、神经科学、工程学等等,简直是纵横八级。

不仅是我们不容易看懂,即便是加州理工的研究生群体,听费曼的课程也很吃力,但是大家完全被费曼的performance呈现方式,所吸引了。

大多数学生都很难通过这门课程的考试,不过大家还是趋之若鹜。这一大群听不懂课的研究生中,后来也出了好几个诺奖

值得一提的是,即便是这样超纲超规的授课,加州理工居然也能容许,并且纳入到正规课程体系,还资助费曼把课程讲义整理出书!

这就叫氛围,环境。

终于,19651021日,费曼和朝永振一郎、施温格三个人一起,因为此前在QED领域里对路径积分方法的应用和拓展,获得了诺奖。

拿到诺奖之后的费曼,才真正体现出了费曼的风格。他依然我行我素地保持着与行政权力的距离,坚辞所有任职的邀请,甚至于他在获奖后,向美国国家科学院提出了辞去院士的申请。国家科学院跟他磨了十年,才最终同意他的辞呈。

更可贵的是,费曼在研究工作上,也依然我行我素,绝不跟随潮流,就像他前两次与诺奖失之交臂一样,他依然专注于自己的领域,因为自己的方法开创的新突破口,他依然不管不顾。甚至于对物理学本身的突破和进展,他也不太关心。

从六十年代开始,费曼的主要工作,就是运用方法探索一个新领域,发展出一套非凡的数学方法和物理学洞见,然后剩下的工作就交由其他人去完成,从而带动一系列重大发现,当然,最终的荣誉也都归了其它人。

近现代物理学史上,没有哪个人像费曼一样,一人之力推动物理学发展,开创新领域,发展关键的方法和见解,完全是从背后和侧面发挥引领作用

看到这里,一方面感叹费曼这种学人的个性,另一方面更感叹,他所处的环境和体制,能够容纳他这样特立独行的人,也才能集聚到全世界最顶尖的人才才能让这些人才我行我素不受干扰地做成自己想做的事,无形之中保证了这个国家基础研究的发展和科技水平的领先

环境和体制!就像费曼自己说的,和他一样聪明,比他聪明的人多的是,但像他这样幸运地得到自己想要的状态和环境的人,可就少了。

与此相对应,新中国建国70余年后的今天,才首次由中央发出倡议,不要让过多的政治学习干扰基础科研工作。

六十年代,费曼的思考转向了广义相对论领域。一如敝号此前多数科普随笔中提到的,广义相对论本质上就是引力理论,又因为引力相对于其他三种力太过特殊,所以,广义相对论始终是特立独行的,无法与经典力学、量子力学相容。

费曼的想法依然是费曼式的,抛开爱因斯坦的理论,从零开始,而且从他擅长的QED量子点动力学开始,从粒子以及场的相互作用来重新构建引力理论——他发现,只要把粒子的自旋设定为2,对应的就是非球体质量天体向四周发射引力波的状态,那么,就可以用量子电动力学重新构造出广义相对论方程!

费曼很快就把这个他假设出来的粒子命名为“引力子”,也就是引力波的量子化单位,与光子一样。与电磁场是因为粒子之间交换无质量的光子形成的一样,引力也是由物质之间交换引力子形成的

费曼的设想为引力领域的研究又提供了一个有力的新框架。

史蒂芬·霍金运用费曼的量子引力框架,分析计算出了黑洞会有粒子辐射——霍金辐射,而且因为这种辐射损失质量,最终黑洞会“蒸发”消散掉。

正是因为要处理自旋为2的引力子,物理学家们运用了一种振动弦的方程来模拟引力子的行为,由此产生了近三十年以来最富热议的弦理论

当然,费曼自己对于弦论持有不赞同态度,原因也很简单,费曼本人就是经典物理学家,一切理论都必须要能够提出可供实验检验的预测,弦论至今也无法做到这一点。

除此之外,运用量子引力理论,费曼推测出两个有意思的猜想——宇宙总体引力能量可能为零,也就是说,宇宙确乎是诞生于虚无——宇宙暴胀的动能,与星系之间的引力负能大体相等;同时,宇宙空间其实是平直的,也就是普通欧几里得几何学意义上的空间。

关于宇宙是平直的,最近几年的天文学观测差不多靠近了这个结论。

费曼在去世前对于引力研究的最后表述是,也许我们之前的设定都错了,真正的问题应该是,引力的大小是怎样被决定的。

费曼的小弟盖尔曼出成果了。盖尔曼一直沉迷于粒子行为领域,没有像费曼那样还去思考了引力,1961年盖尔曼丢开费曼的QED方法,采用了代数领域的群论工具,令人惊讶地找到了给海量粒子归类的方法。

简单来说,就是把自旋或电荷等物理量相同的粒子归入一个群——某个形式的多面体中,通过对称性互换(宇称),这些多面体可以呈现出不同的结构和旋转方向,从而构成我们所谓的新粒子。

盖尔曼发现群论框架下,物质粒子可以呈现出8种基本的内部旋转状态,他把这个发现命名为八正道——eightfold way,对应的就是佛陀所说的“八正道”

紧接着,盖尔曼再次发现,八正道中的每一种状态,还可以分解为3种更为基本的组合。盖尔曼想到,是否这3种基本组合,对应的就是三种更为基本的粒子?但是从电荷角度来看,这三个粒子只能具有分数电荷,而不是整数电荷,这让盖尔曼有些犹豫。

1962年,经过一年的思考和忐忑,盖尔曼在看乔伊斯的《芬尼根的守灵夜》时,被其中的台词“three quarks for Muster Mark”(对马可王三呼夸克),灵感突来,也可以说勇气降临,当晚就写出两页的论文——把这3个基本结构称之为一种叫“夸克”的新粒子,这三个夸克还被命名为“上、下、奇”

费曼对此持有高度怀疑态度,他用QED方法对盖尔曼的猜想进行计算,结果却令人惊讶地正确!于是费曼也开始设想,质子之中可能确实还有基本成分,他当时把此称之为“部分子”,因为他还不能接受盖尔曼的创意。

六十年代中后期,欧洲核物理实验室SLAC的科学家们陆续在粒子对撞实验中观测到了夸克效用,这才证实了盖尔曼的猜想之强悍。

费曼借由夸克的类型,把QED方法发展为QCD,即量子色动力学(之前的电荷,变成了夸克的自旋状态),以深入探究为何夸克只成组出现在质子中,却没有自由的夸克。QEDQCD的出现,将微观世界中的强力和弱力统一了起来。

1979年费曼被检查患上了癌症,此后便一直与癌症抗争,同时就是在继续拓展QCD理论。与疾病抗争的同时,他也逐渐认识到,所有的物理理论都只能在一个有限的尺度范围内描述自然。

绝对的真理,在所有尺度下,所有时间上,放之四海皆准的理论,是不存在的。任何理论到了小尺度以内,就会出现无穷大量,便是理论失效的体现。

费曼始终坚持的,就是防止过分依赖和解读数据与数学,必须坚守经验现实的约束——实验。这是物理学不同于数学和哲学的根本。

1988215日,这个自由自在探究世界本原一辈子的科学家去世了。

就像作者评价的,这个人最具特色的地方,在于,他一辈子无论什么时候,所有的兴趣都集中于一点——解决问题。

重点不是他个人如何,仍然感叹由体制决定的环境和氛围,如何促成顶尖人才的生成。

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