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他在混沌中寻找秩序

2019-07-17

1. 对于物理学家来说,没有什么比一堆匪夷所思的实验结果更吸引他们注意力的了。在许多物理学家的心中,自然在本质上是简洁的、优雅的,只要他们努力地去思考,就能发现那些隐秘的能给混沌带来秩序的原理。诺贝尔奖得主、物理学家默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)就是这样一位善于从混沌中找到秩序的人。 

盖尔曼最著名的事迹是发展了”夸克“理论。在1964年以前,物理学家认为原子只有三种基本部分组成——中子质子。但盖尔曼怀疑,质子和中子可能是由更小的、不可分割的粒子组成的。  

上世纪五六十年代是粒子物理学的黄金时代,物理学家在拥有强大的加速器中,将粒子加速并且让他们碰撞,由此发现了大量具有不可预测性质的新粒子。随之衍生的一个新问题是:在这些没有任何明显规律的碰撞中,产生了太多的新粒子,这背离了物理学家所期待的简洁与优美。  

但盖尔曼却觉察到了这些粒子属性的模式,他意识到这些粒子都可以通过某种数学对称性联系起来。通过一波波精妙的操作,盖尔曼揭示了使一切恢复正常的秘密模式。根据这些粒子的电荷自旋和其他属性,盖尔曼设计了一种新的方法来分类粒子,这个方法被称为“八重法”。八重法之于基本粒子,就如同元素周期表之于化学元素,它不仅能够解释已发现的,也能够预测未发现的。最终,他提出了用“夸克”来解释几乎所有的新发现,这种未被发现的基本粒子会以两个或三个成组的形式结合在一起。 

诺贝尔物理学奖得主David Gross曾说:“在有大量新的实验发现的20世纪五六十年代,盖尔曼成为了那段时期的理论粒子物理学的主导。凭借着近乎神奇的直觉,他发现了许多新粒子之间的模式和对称性。” 

○ 盖尔曼(1966年)。| 图片来源:Caltech Archives 
 

夸克具有惊人的性质,比如它们的电荷是-1/3和2/3,这一属性在物理上最初被认为是不可能的。但现在,夸克的存在已是毋庸置疑的事实,这些基本粒子构成了我们对宇宙物理理解的基础。  

夸克的发现并不是盖尔曼在物理上的唯一贡献。盖尔曼还展示了量子力学如何能将一个粒子转变成另一个粒子,然后再转变回来。他证明了粒子相互作用的强度将取决于它们碰撞时的能量。他与费曼一起解释了弱核力(四种基本力之一)的对称结构。他提出了一个新的物理量——“奇异数”,用它来解释为什么有的粒子比其他粒子存在的时间更长。他与物理学家哈拉尔德·弗里奇(Harald Fritzsch)提出存在一种携带力的粒子,他们称之为“胶子”,这种粒子会将夸克束缚在一起。这些想法都在后来的实验中被一一证实了。 

2. 对于一名物理学家而言,能作出以上的这些成就中的任何一项,都足以让他/她的职业生涯熠熠生辉。而且,还有许多科学成就都与盖尔曼有关,但他的完美主义常常让他等太久才将结果发表,所以偶尔会有其他科学家捷足先登的情况。例如,八重法就是由尤瓦尔·涅曼(Yuval Ne’eman)独立提出的,而夸克理论则是由乔治·茨威格(George Zweig)提出的。盖尔曼的完美主义让他的研究变得更好。  

在为自己的想法命名方面,盖尔曼几乎总是走在最前面。Ne'eman只是简单地用数学标签“SU(3)”来称呼自己的提议,这始终难以与“八重法”这样浪漫又“佛”性的名字相比,不过这种佛性后来也给盖尔曼带来了一些苦恼,因为总有人想要借此把量子物理学与一些神神叨叨的事物联系起来。而夸克这个名字,与他在小说《芬尼根的守灵夜》中看到“向麦克老大三呼夸克”这句话有关,这样一句与粒子物理学毫无关系的话,也没能阻止盖尔曼将其中的一个词变成一个色彩斑斓的新词。  

与那时的繁荣相比,如今的粒子物理学似乎有些平淡。从高能加速器产生的所有数据都可以用一个平凡的名字——标准模型——来解释。标准模型是现代粒子物理学基础中的一块闪闪发亮的基石,它是由许多有科学家用多年的努力才拼凑而成的模型。而在这个模型的建造过程中,盖尔曼再次当仁不让地扮演了最重要的角色之一。 

但到了20世纪80年代,在标准模型取得巨大成功后,盖尔曼便想要改变自己的生活。他不再满足于这些荣誉,开始认为我们迫切地需要对复杂系统进行更多的跨学科研究。正因如此,他离开了让他声名鹊起的加州理工学院,搬去了新墨西哥州,参与了圣塔菲研究所的创办。他从一名传统粒子物理学家,转而成为了一名前卫科学方法的实践者。圣塔菲研究所成为了他生命中最后几十年的科研基地,如今,那里已成为了世界领先的复杂性研究中心。  

对于一位功成名就的粒子物理学家来说,这样的举动并不寻常。基本粒子是自然界最基本的组成部分,对它们的研究就像是寻找对纯粹形式的最简化表达。而复杂性研究则刚好相反,它的本质是新秩序的出现,只有在庞大而混乱的系统中才会显现。 

但是这种转变很适合盖尔曼,因为他从来都不喜欢狭隘的学科界限。他是一个少有的博学多才的人,除了物理,他还精通考古学、历史学和鸟类学。他并致力于发展出量子力学的新诠释,他与他之前的学生James Hartle一同发表了一系列重要的论文。他的最后一个研究项目与人类语言的进化有关。  

3. 盖尔曼还是出了名的暴脾气。他是超弦理论的早期倡导者,如果该理论得到证实,那么弦将是比夸克更为基本的存在。一些物理学家认为超弦理论有望将量子力学与爱因斯坦的广义相对论统一起来;但也有一些物理学家认为弦的探测需要极高的能量,所以觉得超弦理论并不科学。盖尔曼会严厉地抨击后者,他相信超弦理论可能与所有力和所有粒子的统一理论有关,他认为不能直接检测到弦并不等于这个理论失效,因为我们可以转而探测由这个理论所导致的一些其他结果。 

在认识新朋友的时候,盖尔曼总是想要向他们提供名字的词源和正确的发音。他还会向法国和西班牙餐馆的服务员抱怨菜单上的拼写错误。如果有人让他评价某位著名物理学家的工作时,他很可能会直言道:“我不知道他在说些什么。” 

但在这刺猬一般的外表下,盖尔曼是个真正温暖的人。他可以毫不留情地批评别人,但一旦被证明是错的,就会立马改变主意。在一场纪念费米百年诞辰的演讲研讨会上,盖尔曼带着听众回顾了一遍自费米之后自己所取得的成就之后,不禁哽咽起来,他回忆起自己对费米的喜爱,以及这位年长的物理学家对他的影响。而他响应这些感触的方式,就是大力支持年轻科学家的那些极其大胆的想法。 

他珍视这些年轻科学家向传统智慧发起的挑战,他曾说:“大多数对科学正统学说的挑战都是错误的,那些人中的很多人都是民科。但偶尔也会出现正确的对科学正统观念的挑战,而发起这种挑战的人在被倾听、被相信、被认真对待方面都面临着可怕的处境。”他之所以会前往圣塔菲,也是希望能够帮助改善这一点。  

小说家科马克·麦卡锡(Cormac McCarthy)也是圣塔菲学院的一名研究员,他说,盖尔曼“知道的东西比我见过的任何人都多。”他的天才和在混乱中寻求秩序的热情将被深深地怀念。 

 

参考链接: 

[1]https://www.nytimes.com/2019/05/28/opinion/gell-mann-physics.html 

[2]https://www.caltech.edu/about/news/caltech-mourns-passing-murray-gell-mann

[3]https://www.nature.com/articles/d41586-019-01907-y?utm_source=twitter&utm_medium=social&utm_content=organic&utm_campaign=NGMT_2_JNC_Nature 

[4]https://www.sciencenews.org/blog/context/murray-gell-mann-gave-structure-subatomic-world 

来源:原理 



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