夸克之父盖尔曼

纵观基本粒子物理学的百年发展史，可谓群星璀璨，英才辈出。默里·盖尔曼就是其中极富传奇色彩的人物之一，曾经主宰粒子物理的走向长达10余年。这位天才的理论家，1929年生于纽约一个普通的犹太家庭，14岁被耶鲁大学录取，22岁在麻省理工学院获得博士学位，25岁成为加州理工学院最年轻的终身教授。盖尔曼深邃的洞察力与旺盛的创造力使同时代的许多物理学家黯然失色，他对基本粒子物理学的重要贡献极大地加深了人类对微观世界的了解。他24岁发现了基本粒子的一个新量子数---奇异数，28岁建立了正确描述弱相互作用的V-A理论，32岁提出了强子分类的八正法（相当于介子和重子的门捷列夫周期表），35岁创立了夸克模型，40岁荣获诺贝尔物理学奖。
还在读大学的时候，我就从《高能物理》杂志（《现代物理知识》的前身）读过介绍夸克模型的文章，知道了所有物质都是由比质子和中子更基本的夸克组成的。我第一次听到盖尔曼的名字和学习夸克模型的细节，是1988年在研究生的必修课程“粒子物理”的课堂上。关于盖尔曼本人的趣闻轶事，我是几年后在慕尼黑大学作博士后时从哈罗德·弗里奇教授那里听说的。哈罗德70年代初曾与盖尔曼合作，为建立描述强相互作用的量子色动力学做出了重要贡献。1994年秋季的一天，当时我正在慕尼黑大学自己的办公室埋头工作，哈罗德推门进来，告诉我盖尔曼来了。我连忙起身走出房间，伟大的盖尔曼教授正站在走廊里。他那时已经65岁了，头发灰白，但精神饱满。我们互相问候并握手。第二天，由哈罗德主持，盖尔曼在物理系的大讲堂做了一场关于物理学、混沌与生命科学的生动演讲，推销他的新书《夸克与美洲豹》。盖尔曼给我留下的印象是慈祥、幽默、思维敏捷、妙语连珠。
其实夸克之父盖尔曼的性格复杂好斗，有时甚至近乎疯狂。这一点我是6年后读了《纽约时报》记者乔治·约翰逊的新书《STRANGE BEAUTY》(即《奇异之美》)才知晓的。当时我第二次访问慕尼黑大学，继续与哈罗德合作研究夸克和轻子的质量起源问题。哈罗德告诉我《奇异之美》是第一部详细描述盖尔曼生平的传记，并把谢尔登·格拉肖（因对弱相互作用和电磁作用的统一场论做出重要贡献而于1979年获得诺贝尔物理学奖）为该书撰写的序言用电子邮件转送给我。我被格拉肖风趣而略带调侃的序言吸引住了，急切地想读这本非同寻常的传记。从哈罗德那里借来崭新的《奇异之美》，我花了整整一个星期的业余时间读完了这本500余 页的盖尔曼传。太奇妙了，原来伟大的盖尔曼除了物理学研究之外还有那么多的个人爱好，而他在为人处世方面竟有那么多的缺点和不合常理之处。两个年轻的德国同事听了我的读后感后，也把《奇异之美》借去阅读。后来当我们在一起交流读书心得时，大家几乎异口同声地说，“盖尔曼真是个疯子”。
《奇异之美》的奇异之处在于它的真实、客观、生动和深刻。盖尔曼能够允许他的传记作家不惜笔墨地描述他本人性格中的缺陷以及他和许多同行之间紧张甚至敌对的关系，说明了他的心胸其实相当坦荡。我曾经问过哈罗德对《奇异之美》第13章的看法，因为这一章主要讲述了他和盖尔曼如何思考强相互作用的种种谜团并最终提出量子色动力学的基本思想。哈罗德平静地说，“很公平”。但是很多盖尔曼的合作者和竞争者并不觉得他是个对别人的科学贡献能够公平对待的绅士。的确，奇异数、V-A理论、八正法、夸克模型…这些重大理论突破中的每一项也曾由别人完全独立地做出，但只有盖尔曼一人对所有发现都有原始创新性的贡献。他有时会有意无意地淡化或抹煞别人的成果---这也许是一个伟大的科学家人性中最真实的一面。
2003年年初，《STRANGE BEAUTY》的中文版问世了，书名为《奇异之美—盖尔曼传》（由朱允伦、江向东、杨美霞和郭鹏翻译，上海科技教育出版社出版）。译著保留了其英文原版生动、幽默和略带辛辣的文字风格，并纠正了原书中的几处物理学概念笔误。可能是由于篇幅所限，译者删掉了《STRANGE BEAUTY》中格拉肖撰写的序言以及书末大量的采访和文献注释。这些内容或许对非粒子物理专业的读者并不重要。
我确信《奇异之美—盖尔曼传》会带给那些想了解盖尔曼生平和20世纪50年代至70年代基本粒子物理学发展史的读者一些奇异的美感和深刻的思索。它是一本如此与众不同的传记，讲述的不仅包括科学精神和科学家的人生观，而且包括科学与社会、人类与自然的相互影响。所有这些问题其实都是我们正在关注并期望找到答案的。
附图：夸克之父默里·盖尔曼（右）与畅销书《夸克》的作者哈罗德·弗里奇在阿尔卑斯山远足
（2001年，邢志忠，发表于《现代物理知识》）
我不是天才10月9日下午3点，中国科学院理论物理所，1969年诺贝尔物理学奖获得者、“夸克之父”默里·盖尔曼与这里的博士生与博士后进行了一次座谈。记者也参加了这场气氛轻松的谈话，感受了大师的幽默和智慧。好老师的影响 盖尔曼曾于三年前受邀来北京参加杨振宁先生的80岁生日聚会。据三年前见过他的中国学生回忆，那时他精神很好、步伐稳健、思维敏捷而富于雄辩。大概是由于去年意外地和妻子玛格丽特结束了长达近半个世纪的婚姻，他现在看起来老了很多，背驼了，走路需要搀扶。但一开口，那个生动的盖尔曼又回来了：“听说你们要和我讨论，那我们讨论什么呢？”他的亲切和幽默使会议室气氛变得很轻松。“你们可以问我任何你们感兴趣的问题，我试着解答，”他带着微笑。
记者问了第一个问题：“盖尔曼先生，所有人都说您是天才，您在不同领域均可称得上是专家，您是怎样学习的？” 盖尔曼挥舞着手答道：“我不是天才，不过对学习有一些体会。在我很小的时候，我的哥哥本，——比我大9岁——启发了我很多方面的兴趣：语言学、考古学、鸟类观察、数学等等，我们总有很多有趣的事情做，我们生活在纽约，经常一起去博物馆，去动物园，而我自己则习惯于读大百科全书。 不管怎样，他和我有共同的对大自然的好奇心，而这种好奇心如此之强以至于我们不得不努力学习才能满足。本是我最早的老师，一个好老师总是引导学生去‘学会 ’某样东西，而不是‘教会’他！ “以后在耶鲁我曾有幸遇到过这样的老师（他曾在自述中提到过物理学教授亨利·马根诺——Henry Margenau，教授物理哲学），他在研究方 面也许称不上突出，但在授课和启发学生上堪称一流！” 物理定律加上意外事件可以解释一切 盖尔曼在每一个需要强调的地方都加重语气并做出有力的手势。记者又问了第二个问题：“您在多个领域均有兴趣和建树，你是否认为这些不同领域之间有某种协同 作用？” 对这个问题，盖尔曼谈得非常详细：“我童年的兴趣如此广泛，知识也是如此的多样化，这和我后来从事的物理工作——极度专业性的研究——形成了鲜明的对照， 也是我对‘简单’与‘复杂’之间关系着迷的开始。我的《夸克与美洲豹》（他作的一本畅销书）中的一部分也试图阐释这一点。 “经典物理向我们展现的是一个确定的宇宙，而量子力学告诉我们宇宙不是预先决定的，它充斥着多种可能性。所以宇宙的每一步演化都会存在分支，并进一步形成一个复杂的系统，而向哪一个或哪几个分支演化往往是‘意外事件’。
“物理规律加上‘意外事件’可以解释宇宙的一切，它们共同决定了宇宙。基本的物理规律就两种：一种是基本粒子方程，一种是宇宙的方程。从基本的物理规律出发我们可以推演出物质世界的很多特性，但并非所有特性，因为有一些特性是‘意外事件’的产物：比如说我们的星系就来自于数十亿年前宇宙的涨落，还有太阳系的生成和地球的生成，以及生命起源于地球等等。所有的一切都诞生于基本的物理规律加上大量的‘意外事件’。而两者的关系值得探究，到底基本的物理规律和‘意外事件’对造成这一切各占的比重是多少呢？ “我在圣塔菲（Santa-Fe）研究所的一些朋友们曾从生物化学的角度来尝试回答这一问题。但是小分子， 比如碳或水，参与的最基本的反应到底能产生多少多样性却是他们不确定的。再看一个生物学的例子，生命体中的氨基酸几乎全是左手手性的，而参与生命过程的糖，都是右手手性的，生物学家已经可以解释为什么它们都拥有相同的手性，但却不能解释为什么它们不选择相反的手性。物理学里有类似的不对称现象，如我们的 世界是由物质而非反物质构成的。
人们已经花了 40年时间想用物理学的不对称性来解释生物学的手性问题，现在还没有结论，究竟手性问题是随机选择（即‘意外事件’）的结果还是基本物理规律的必然结果。 ” 说到这里，盖尔曼没有忘记为唯物主义辩护：“有人认为唯物主义的世界观是不完整的，这世界有‘更多的东西’，独立于物质之外的精神、神的启示，认为是这种 ‘东西’激发了‘爱’等等（大家笑），那是因为他们不懂Emergence(于禄院士译作“呈展论”)。当你有一个简单规律可以描述的系统，同时看到那些 简单规律的复杂表现，你会得出很多看上去不像是由那些简单的方程产生的事物——即便把‘意外事件’的因素考虑在内——但事实上它们是！这个系统可以得出各 种类型的事物，可能看起来都不像是由基本方程产生的，但它们的确是由这些简单方程产生的。所有奇异的现象都源自基本规律加上意外事件。根据‘呈展论’，你 并不需要更多以期获得更多！” 科学巨人和物理学 盖尔曼还回忆了量子力学最初的历史，普朗克爱因斯坦之间关于量子力学的有趣争论，以及量子力学的“哥本哈根阐释”。 他用“荒谬”来形容量子力学的哥本哈根阐释：“当你在谈论宇宙时，认为量子力学依靠处于系统之外的物理学家来进行反复观测是荒诞不经的，你能想象在人类诞生前的几十亿年里没有量子力学吗？此外，为什么一定要人类在系统之外观测呢？一个蟑螂不行吗？一个南美栗鼠不行吗？”他的率真和丰富的表情让与座者忍俊不禁。 他继而诙谐地说玻尔说话总是含含糊糊，“即便是他的丹麦话也很少有丹麦人能听懂……我最后一次见他时他躺在病榻上，1961年，他说了很多话”，然后盖尔 曼开始了极其精彩、滑稽而惟妙惟肖的模仿，“咕噜咕噜……咕噜咕噜……费曼……咕噜咕噜……爱因斯坦……咕噜咕噜”现场的每个人都被逗得不住地笑。最后盖 尔曼直率地做出了他的结论：“玻尔是个伟大的人，但就这一问题（哥本哈根阐释）他引起了最大的混乱。
” 当谈到爱因斯坦时，他说：“我在普林斯顿时经常看到他。他毫无疑问是个天才的物理学家，可惜他不相信量子力学，尽管他是这个领域的开创者之一。” “在他的‘统一’理论（统一场理论）中只包括电磁力和引力，而没有弱相互作用力和强相互作用力，所以他的研究注定失败，但他的统一论尝试给我们留下的重要遗产便是促进了后来的物理学家寻求统一理论。” 每当谈话中需要提到“诺贝尔奖”时，他总是用“那个瑞典的奖”带过，引起大家会心的笑。有学生希望他介绍一下自己近年来的生活，他一笑带过：“近年来的？好像我已经很老很老了！。”当学生提到《奇异之美——盖尔曼传》时，盖尔曼打断说“这本 书跟真相没有任何关系！这是一本很有趣的书，引人入胜，但它是虚构的！”至于最近所做的研究工作，盖尔曼答道“量子力学、历史学、语言学，当然还有复杂理 论”。 还有学生希望他谈一谈对物理“大一统”理论的候选者“弦论”的看法。尽管在实验上很难获得证明，盖尔曼仍然表示对弦理论满怀信心。
他 特别提到自己是弦论处于萌芽阶段的支持者之一，“70年代初，是我把一批得不到支持的弦论研究者聚集到了加州理工……我保护他们！” 盖尔曼接着回答了与会学生和研究人员的一系列专业问题，涉及到包括量子力学当中的退相干问题、复杂系统问题、粗粒化问题以及生物物理。犹太人的成就 座谈会接近尾声，“盖尔曼先生，您会说很多种语言……”记者的话还未说完便被打断：“你从传记上看到的吗？那都是谎言！”盖尔曼接着说，“英语是我唯一可 以正确运用的语言（笑），我会说法语、德语、意大利语和西班牙语，但我的父亲过去经常批评我的发音，而且我现在也免不了犯错。当然，由于我对语言学感兴趣，加上现在还在做相关的研究，我碰巧了解数百种 语言的一些特点，尤其是语言之间的关系和语言的‘目录树’，仅此而已……” “包括中文的特点吗！”记者问道。“当然！中央大国的语言！”盖尔曼马上回答。记者又问了有关犹太文化的敏感问题。众所周知，犹太人在哲学、心理学、物理学、数学、音乐等众多对抽象思维能力要求极高的领域里做出过突出贡献。盖尔曼也是犹太人。“您能解释这种现象吗？”记者问道。
盖尔曼第一次犹豫了，他缓缓地、似乎同时在琢磨怎样说才合适地回答道：“犹太的文化鼓励学习……但这并无特殊之处，要知道几乎每种文化都鼓励学习，比如中 国就有这种传统，还有希腊人、阿尔巴尼亚人、尼日利亚人、希伯来人、印度人等等……每种文化都显示出对教育、学习和了解世界的热忱。区别在于，当一个孩子 生长在鼓励向某个方向努力的环境中时他就会更倾向于在那个方向取得成就。相反，如果他的努力不那么得到尊重，他就不大可能取得成就。但这些条件和环境每时每刻都在发生变化……同样重要的是榜样！爱因斯坦就是一个好的榜样，把很多（犹太）人吸引到这个领域里来，我的朋友杨振宁、还有李政道都是好榜样，他们有着巨大的影响力和吸引力……人们总是受到榜样的启发去追求目标。” 关于默里·盖尔曼从神童到诺贝尔物理奖得主 人们说他有“五个大脑”，遗传运算法则创始人约翰·荷兰（麦克阿瑟天才奖获得者）称他是“真正的天才”，1977年诺贝尔物理学奖获得者菲利普·安德森曾 评价他“现存的在广泛的领域里拥有最深刻学问的人”，1979年诺贝尔物理奖获得者斯蒂文·温伯格说他“从考古到仙人掌再到非洲约鲁巴人的传说再 到发酵学，他懂得都比你多”。 默里·盖尔曼1929年生于纽约的一个犹太家庭，父亲曾就读于维也纳大学和海德堡大学，移民美国后管理着一个语言学校，“他是来自解体前的奥匈帝国的移 民，但说着无可挑剔的英语，并在语言上也这样苛求我”，盖尔曼后来回忆到。就在他出生前几周，美国大萧条时期降临，所以童年时他的家庭一直很拮据。童年的盖尔曼兴趣十分广泛，很早就成为街区里有名的神童——他的同学认为他是“会走路的大百科全书”。
到14岁时，他考虑申请到耶鲁大学，父亲 问他想学什么，“我回答说‘只要跟考古或语言学相关就好，要不然就是自然史或勘探’，父亲的第一反应是‘你会饿死的’”。时值1944年，战争时期的美国经济状况并不理想，他的父亲强烈建议他学“工程”，然而讽刺的是，在经过能力测试后盖尔曼被认为适合学习“除了‘工程’以外的一切学科”。于是他父亲建 议：“我们干吗不折中一下，学物理呢？”正是这个“意外事件”造就了后来的夸克理论提出者、1969年诺贝尔物理学奖获得者和“统治基本粒子领域20年的 皇帝”（格拉肖语）。 从耶鲁大学毕业后，不到22岁的盖尔曼在麻省理工学院获得博士学位，随后被“原子弹之父”奥本海默带到爱因斯坦时代的普林斯顿高等研究所做博士后，期间曾在费米领导的芝加哥大学物理系授课并被提升为副教授。1955年盖尔曼在博士后研究 结束后由于“奇异数”的发现曾有机会去芝加哥大学任教，“可惜费米前一年死了”，也曾想去丹麦的波尔研究所，“可惜他们没有博士后制度而只让我做教师或学 生”，所以最好的选择是去加州理工学院，“那里有费曼”。就这样，盖尔曼不到26岁就成为加州理工学院最年轻的终身教授。 从盖尔曼的奇异数发现到获得诺贝尔物理学奖，他的历程可以用渐入佳境来形容：24岁发现了基本粒子的一个新量子数——奇异数，28岁建立了正确描述弱相互 作用的V-A理论，32岁提出了强子分类的八正法(相当于介子和重子的门捷列夫周期表)，35岁创立了夸克模型(quark)，40岁荣获诺贝尔物理学 奖。这些重大理论突破中的每一项也曾由别人独立地提出过，但只有盖尔曼一人对所有发现都有原创性的贡献。
其中夸克模型（预言中子、质子这类亚原子粒子是由更基本的单元——夸克组成的。“夸克”是构成宇宙中几乎一切物质的亚微粒子）是与G.茨威格各自独立提出的。“夸克”这一名字是盖尔曼所取，来自他少年时读过的詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的苏醒》(Finnegan\'s Wake)中的诗句。 盖尔曼与圣塔菲研究所 SFI被称作是“没有围墙的研究所”，位于美国新墨西哥圣塔菲城，1984年在盖尔曼的倡议下与诺贝尔物理学奖得主安德逊(Philip Anderson)和诺贝尔经济学奖 获得者阿罗（Kenneth Arrow)等人的支持下创立，该所把复杂性作为研究的中心议题，旨在世界范围内传播对复杂理论的多学科研究。2005年暑假SFI曾与中国科学院理论物 理研究所、数学与系统科学研究院以及中国科学院研究生院成功的合作在京举办了“2005年复杂系统暑期学校”，吸引了不少来自世界各地对此方向感兴趣的一 流学员。