在上一篇文章《徐一鸿:如何获得物理直觉?》中,我们整理了著名美籍华裔物理学家、美国国家科学院院士徐一鸿(An thony Zee)教授在线直播《物理直觉是如何养成的?》的主题演讲部分,该活动由普林斯顿大学出版社主办。徐教授在讲座中分享了其近年出版的新书 Fly by Night Physics (《物理夜航学》)中的主要观点。演讲结束后,徐一鸿教授与上海交通大学李政道研究所物理与天文学院何红建教授、清华大学物理系楼宇庆教授三人展开对谈。三位教授在对谈和观众提问环节借由丰富而具体的科学史实,给年轻学者提供了许多宝贵的研究经验和建议,尽管他们的观点也不全相同。在此,我们将直播内容和补充提问择要整理成文,小标题为编者所加。
主持 | 楼宇庆
对谈 | 徐一鸿 x 何红建
整理 | 叶凌远
物理学家的个性与物理学的发现
楼宇庆:我想先来问问徐教授,您当年是 Sidney Coleman 的学生,何教授之前也提到了 David Gross 和 Frank Wilczek,他们和 David Politzer 共同获得了 2004 年的诺贝尔物理学奖。许多人认为,Sidney Coleman 当年没有跟他们当共同作者一起在获奖文章上署名,错过了得诺贝尔奖的机会。从您的年龄推断,您恰好是他们那个年代的物理学家,能否跟我们讲一讲其中的故事呢?
何红建:楼教授提的这个问题很好,我也想做一些补充。之前两位的讨论提到了许多例子,首先是关于 β-衰变的。Bohr 当年的确是非常大胆,假定了能量守恒在量子力学中可以不成立,只在统计意义上成立。基于这些想法,Bohr 也作了许多报告,写了不少文章。而 Pauli 则更加“保守”,他觉得能量守恒是更加基本的物理原则,不应违背,因此假设了中微子的存在。他当时觉得很内疚,因为这个新粒子不带电,几乎无法探测,因此只把这一猜想写在了一张明信片上寄给参会者。我之前写过一篇科普文章,分析了 Pauli 为什么这么“胆小”。我想,他没有认识到能量守恒背后所对应的更加基本的对称性原理,就是时间平移不变性。如果他认识到了这一点,我想他当年应该会大胆地写文章,来阐明为何能量必须是守恒的,因而 β-衰变的连续电子能谱恰好预示了一种全新的中性粒子的存在,其质量几乎为零。在之前的讲座中,徐教授也反复强调精确计算和物理直觉这两者的结合,我想 Pauli 提出中微子这一猜想是一个很好的例子。
另外,之前楼教授也提到了“de Broglie 关系”,我觉得这一关系的发现既有物理直觉的因素,也有数学理论框架的因素。我在讲课时经常强调,这不应该被称为“de Broglie 关系”,应该称为“Einstein - de Broglie 关系”,因为这一关系和光子 (光量子) 的情形是一模一样的,唯一的推广是将这一关系应用到质量不等于零的情形。在上世纪二十年代,狭义相对论闵氏空间的概念应该已经为人熟知了,若把能量和动量作为闵氏空间中的一个 4-矢量,则 de Broglie-关系完全是狭义相对论时空洛伦兹变换协变性的必然结果。我仍然认为 de Broglie 的博士论文是有史以来最伟大的博士论文,但其中关键内容的基础就是狭义相对论。然而,爱因斯坦没能直接发现这一关系也与他的一个“过失”有关,爱因斯坦没有意识到狭义相对论背后的数学基础 (即洛伦兹群) 的重要性。他充分认识到黎曼几何对于表述广义相对论的重要性,但是他却没有认识到、或者至少是大大低估了狭义相对论背后时空变换对称性 (对称群) 的重要性。
徐一鸿:刚才两位老师也讲到自旋二分之一背后的故事,很多人都知道这最早出自于 Kronig 。他告诉了 Pauli ,但 Pauli 否定了他的这一想法。当时,另外两个年轻人 Uhlenbeck 和 Goudsmit 也有同样的想法,写了文章发表。后来,遇到了 Kronig ,他告诉他们说 Pauli 说那是错的。这两个年轻人急急忙忙找上门要求退稿,却來不及了。他们的老师Ehrenfest 跟他们说,你们都还年轻,因此犯几次错误没有关系。
从这个故事也能看出,Ehrenfest 和 Pauli 对年轻人态度的不同。我也想强调的是,这也与东方人几千年来的文化有关。当你有一个好的想法,不要先跑去和老师或者所谓的权威讲,要先写文章发表,即使错了也没有关系,不然你的成果还可能被人偷去。
徐一鸿:在我 Fly by Night Physics 这本书中,有一整章写的都是有关 Planck 黑体辐射公式的。在我刚才的幻灯片中我的确有提到 Planck 对实验数据了解得非常清楚,这一点非常重要。但他不是去尝试对实验数据进行拟合,而是想写下他对黑体辐射的物理理解。但这是不可能的,因为缺少具有某一量纲的常数,因此他是被迫引入了这样一个常数。这一步的确是伟大的,非常了不起。其实,Planck 本人还没有非常了解黑体辐射的重要性,是 Einstein 向他解释了他的工作对物理是非常重要的。
徐一鸿:我最近为了写书也阅读了一些 Bell 不等式相关内容,2022 年的诺贝尔物理学奖也颁发给了实验验证 Bell 不等式的物理学家,可惜 Bell 已经去世了。Bell 最初发表这篇文章的两三年,一个引用都没有,发表之后十年大约也只有六、七个引用量。因此,年轻学生也要知道,如果你自己认为自己写了一篇很重要的文章,即使暂时没有人看到或承认你的工作,你也要有自信。当然,做到这一点是很困难的。
楼宇庆:说到 Bell 不等式,2022 年诺贝尔物理学奖得主之一是 John Clauser,他是哥伦比亚大学的博士生,他的导师是 Thaddeus,是天体物理学界非常具有威望的物理学家。因此,当初 Clauser 的博士论文做的天体物理相关的工作。但之后 Clauser 就特别感兴趣 Bell 不等式的实验验证,Thaddeus 强烈反对,认为他瞎折腾。甚至 Thaddeus 在推荐信中写,他要做的这件事是没有希望的。当然,后来 Thaddeus 已经道歉了。Thaddeus 也是一个非常优秀的物理学家,但有的时候他们的判断也会有很大的偏差。因此,Clauser 依然还能沿着他的兴趣坚持下去,这是挺了不起的。
徐一鸿:每个人都有不同的兴趣。我在念本科时,在别人的影响下我第二年准备念数学,不念物理了,但读了一年数学我自己就知道我不适合做数学。我再举一个例子,我的朋友 Frank Wilczek ,他在普林斯顿读研究生时是数学专业,不是物理专业,他是从数学转成了物理。他有一天跟我讲,他每天晚上祷告时,都感谢上帝将他从读数学转向了读物理。讲到最后,我还是认为苏格拉底的那句话最重要,你要认识你自己。
徐一鸿:我写了三本教材之后就写了 Fly by Night Physics ,是不大可能再写一本统计物理的教材了。但我觉得统计物理应该有一本很薄的教材,因为我发现统计物理的教材有很多很繁杂的内容,尽管这些内容可能对应用很重要。我记得 Fermi 好像写过一本很薄的统计物理教材,好像 Schrodinger 也写过。我觉得统计物理是一个很美的领域。
结束语
楼宇庆:今天非常高兴我们大家能聚在一起,听徐教授讲他的书 Fly by Night Physics 中最核心的内容和最关注的问题。徐教授之前也提到过,我们希望今天的听众,特别是学生,能理解到在课堂上拿到好成绩是做研究的必要条件,但不是充分条件。书要念得好,要会计算,但学习物理的过程中更要培养物理的直觉,这也是徐教授写这本书的动机。另外,徐教授还特别强调了解物理的历史,以及不同物理学家的研究风格。如果能了解实验和物理概念背后的演化、发展过程,当我们从事前沿的物理研究时或许也会有更多的灵感。