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杨振宁谈费米:他永远脚踏实地

2021年9月29日是费米诞辰120周年。费米是20世纪物理学大师之一,对理论物理学和实验物理学均做出了重大贡献。在杨振宁眼中,费米在人格方面也是独特的――他永远脚踏实地,不滥用影响,是标准的儒家君子。本文写于2001年费米诞辰100周年之际。今年是费米诞辰120周年,我们以此纪念这位伟大的物理学家。

撰文 | 杨振宁

力能加害而不屑,

最显能为而不为;

能动他人己如石,

坚定冷静不为移;

如彼允宜得天厚,

自然丰赐不浪掷;

如彼诚彼美颜后,

他人糜耗为美役。[1]

费米(Enrico Fermi)是20世纪所有伟大的物理学家中最受尊敬和崇拜者之一。他之所以受尊敬和崇拜,是因为他在理论物理和实验物理两方面的贡献,是因为在他领导下的工作为人类发现了强大的新能源,而更重要的是因为他的个性:他永远可靠和可信任;他永远脚踏实地。他的能力极强,却不滥用影响,也不哗众取宠,或巧语贬人。我一直认为他是一个标准的儒家君子。

费米最早在物理学中的兴趣似乎在广义相对论方面。1923年左右他开始深入探讨统计力学中的“吉布斯佯谬”(Gibbs paradox)和“绝对熵常数”(absolute entropy constant)。然后,正如塞格雷(E. Segrè)所写的:

当他读了泡利关于不相容原理的文章后,立即意识到他已掌握了理想气体理论的全部要素。这个理论能在绝对温度零度时满足能斯特定理(Nernst theorem),提供低密度高温度极限时绝对熵的正确的萨库尔-特罗德公式(Sackur-Tetrode formula)。这个理论没有形形色色的任意假设,而这些假设是以前统计力学中求正确的熵值时必须引入的。[2]

这项研究导出了费米的第一项不朽的工作,导出了“费米分布”、“费米球”、“费米液体”、“费米子”等等概念。

按照费米研究风格的特点,在做出了这个理论方面的贡献以后,接着他就把此理论用到重原子的结构,导出了现在通称的托马斯-费米方法(Thomas-Fermi method)。对于这个方法中的微分方程:

费米用一个小而原始的计算尺求出了其数值解。此项计算也许花了他一个星期。马约拉纳(E. Majorana)是一位计算速度极快而又不轻信人言的人。他决定来验证费米的结果。他把方程式转换为里卡蒂方程(Riccati equation)再求其数值解。所得结果和费米得到的完全符合。[3]

费米喜欢用计算器。不论是小的还是大的计算器他都喜欢用。我们这些在芝加哥的研究生们都看到了他这个特点而且都很信服。显然在事业的早期,他就已爱上了计算器。这个爱好一直延续到他的晚年。

费米下一个主要贡献是在量子电动力学方面,他成功地排除了纵向场,得到了库仑相互作用。1946至1954年间在芝加哥的学生们都知道他对这个工作极为自豪(可是在今天,65岁以下的理论物理学家似乎已经很少有人知道费米的这一贡献了)。这一工作又是极有费米风格的:他看穿了复杂的形式场论,看到了其基本内含――谐振子的集合,进而化问题为一个简单的薛定谔式方程。这项工作1929年4月他第一次在巴黎提出,1930年夏在安阿伯(Ann Arbor)有名的夏季研讨会中再次提出来。1950年代后期,乌伦贝克(G. Uhlenbeck)曾告诉我,在费米的这项工作以前,没有人真正了解量子电动力学。这个工作使得费米成为世界 上少数几个顶尖的场论物理学家之一。

现在我跳过费米1920年在超精细结构理论中绝妙的工作来讲他的β衰变理论。按照塞格雷的讲法,费米终其一生都认为这个理论是他在理论物理学中最重要的贡献。我曾读过塞格雷在这方面的评论,但是感到迷惑不解。1970年代的一天,我和维格纳(E. Wigner)在洛克菲勒大学咖啡室中曾有过下面一段谈话。

杨振宁:你认为费米在理论物理中最重要的贡献是什么?

维格纳:β衰变理论。

杨振宁:怎么会呢?它已被更基本的概念所取代。当然,他的β衰变理论是很重要的贡献,它支配了整个领域四十多年。它把当时无法了解的部分置之一旁,而专注于当时能计算的部分。结果是美妙的,并且和实验结果相符。可是它不是永恒的。相反,费米分布才是永恒的。

维格纳:不然,不然,你不了解它在当时的影响。冯・诺伊曼(John von Neumann)和我以及其他人曾经对β衰变探讨过很长时间,我们就是不知道在原子核中怎么会产生一个电子出来。

杨振宁:不是费米用了二次量子化的后大家才知道怎么做的吗?

维格纳:是的。

杨振宁:可是你和约尔丹(P. Jordan)首先发明二次量子化的Ψ。

维格纳:对的,对的,可是我们从来没有想到过它能用在现实的物理理论里。

我不拟再继续讲费米此后的贡献,也不拟讲他和学生们的关系。后者,我在以前已经写过。[4]我只讲两个关于费米的故事。

琼・欣顿(Joan Hinton,寒春)是第二次世界大战中费米在洛斯阿拉莫斯的助手之一,战后成为芝加哥大学的研究生。当我1946年后期开始为艾利森(Samuel King Allison)工作时她也在这个实验室当研究生。1948年春她去了中国,和她的男朋友恩斯特(Sid Engst,阳早)结婚,并定居中国,从事农业(她的经历是一个应该写下来的很有意思的故事。我希望她能很快做这件事)。1971年夏,我第一次访问新中国,这是在尼克松访问中国之前半年。我偶然在昔阳县大寨的招待所中遇到了她。大寨是当时农业公社的一个模范典型。我们当然又惊又喜,共同回忆了在芝加哥的那些日子:我在实验室里是怎样地笨拙;我是怎样在无意中几乎使她受到致命的电击;我怎样教了她几句中文;我怎样借了一部汽车开车送她去拉萨尔(La Salle)车站,开始她去中国的漫长的旅程,等等。她问我还记不记得在她离开前费米夫妇为她举行的告别会,这我记得。她又问我记不记得那天晚上他们送她的照相机,这我不记得了。然后她说在告别会前几天,她觉得应该告诉费米她打算去中国共产党控制区。考虑几天以后她终于告诉了费米。费米说什么呢?“他没有反对,对此我永生感激。"我知道她的这句话的分量,[5]回到石溪后我立刻给在芝加哥的费米夫人打了电话,告诉她我在大寨遇到琼的全部过程。几年以后,琼自己到了芝加哥,有机会访问了费米夫人和她的女儿内拉・费米(Nella Femi)。

现在引述我的《选集》(1983)第48页中的一段话作为结束。

不论是作为一位物理学家还是作为一个人,费米深为所有的人所崇敬我相信,他之所以使人肃然起敬是因为他是一个扎实的人。他的所有表现无不散发出他的这种品格的魅力。1950年代早期,美国原子能委员会极重要的顾问委员会的主席奥本海默(J. R. Oppenheimer)告诉我他曾试图劝说费米在任期满后继续留在顾问委员会中。费米不愿意。奥本海默坚持。最后费米说道:“你知道我不相信我自己在这些政治问题方面的见解总是正确的。”

【后记】人们常说,在所有20世纪物理学家当中费米(1901-1954)是独一无二的,在理论和实验上都做过一流的贡献。我要指出在另一方面他也是独特的:他从来没有有意识或无意识地试图将他的声望和影响力,膨胀到现实或他真实的自己的范围之外。为了强调这一点,我选了莎士比亚的第94首十四行诗中的八行来介绍费米。不幸当上述这篇文章在2004年《费米回忆录》发行时,最后一行被排版工人遗漏了。相反的,奥本海默(1904-1967)和特勒(E. Teller,1908-2003)都享有而且追求权力和影响力。我相信这是他们之间的冲突,和他们很不相同的悲剧性生命的主要原因。

当我在上述这篇文章中写到费米时说:

他永远脚踏实地。他的能力极强,却不滥用影响,也不哗众取宠,或巧语贬人。我一直认为他是一个标准的儒家君子。

我认为这样的人品在今天的美国是不多见的。美国社会似乎将它的杰出人士推向相反的方向。奥本海默、特勒、费恩曼(R. P. Feynman)、库恩(T. Kuhn)各有自己的一套取悦观众、标榜自己的方法。

美国的科学在突飞猛进,成功的美国科学家们常常是极端进取而锋芒毕露的。难道这两件事是相关的吗?

但是我知道中国儒家的楷模,即使是在今天,也非常具有活力。前中国科学院院长周光召作为一个普通人和物理学家,我写了下面的一段话:

周光召是一位顶尖的物理学家。他视野开阔,影响力深远,并且能够快速地洞悉新思想。他做物理研究的风格让我想起了朗道(Lev Davidovich Landau)、萨拉姆(Mohammad Abdus Salam)和特勒。但是从我个人角度看,周光召是一个完美的儒家思想实践者,而不像美国、欧洲和俄罗斯的许多名物理学家那样咄咄逼人。

〔本文为作者于2001年为纪念费米诞辰100周年而作,曾收录于《曙光集》(杨振宁著,翁帆编译,三联书店2008年版)。2013年重新收录英文版Selected PapersⅡ,with Commentary (World Scientific Publishing,2013)时,作者加了后记,并交本刊发表,后记由杨建邺译成中文。本刊发表时按本刊体例作了少量文字处理,并经作者审定。]

本文发表于《科学》杂志2013年第4期

注释

[1] 参见:莎士比亚十四行诗,第94首。

[2] 参见:Segrè E. Collected papers of Enrico Fermi. Chicago: Univ of Chicago Pre, 1962:178.

[3] 参见:Rasetti E. Collected papers of Enrico Fermi. Chicago: Univ of Chicago Press, 1962: 277.

[4] 参见:Yang C N. Collected papers of Enrico Fermi. Chicago: Univ of Press, 1962: 673.

[5] 寒春是在1948年去的中国,那时中国共产党还没有战胜蒋介石,朝鲜战争是在两年之后才爆发。如果在朝鲜战争爆发后她想去中国,我确信美国政府不会允许她离开美国。