歷史 物理

與諾貝爾獎擦身而過的物理學家們: 雖敗猶榮的競爭者(一)

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-05-11
點閱次數:1062
  • 前面一口氣寫了三篇被合作者丟包的諾貝爾獎遺珠之憾,這一次就稍微轉換一下情緒,來講五位與諾貝爾獎擦身而過的理論物理學家。他們的工作都與去年剛過世的給爾曼(Murray Gell-Mann, 1929-2019) 的工作相重疊。簡單地講,他們都是給爾曼的競爭者。他們研究的主題是所謂強子的結構與對稱性。雖然他們五人都沒有得到諾貝爾獎的肯定,但是物理界普遍還是認可他們的功績,而他們的人生固然少了諾貝爾獎光環的加持,但是一樣發光發熱,就讓阿文我為您一一介紹這五位物理學家。

     

    首先上場的是亞伯拉罕·佩斯(Abraham Pais, 1918年-2000年)。佩斯出生於阿姆斯特丹,出身於一個荷蘭猶太人的中產階級家庭。1935年秋天,佩斯在阿姆斯特丹大學開始他的學業。 1936/1937年冬天,他聽了烏得勒支大學理論物理教授George Uhlenbeck進行兩次客座演講。烏倫貝克(Uhlenbeck)介紹費米(Enrico Fermi)將微中子納入貝他衰變理論讓佩斯著迷,所以他決定走上物理之路。
     

    Abraham_Pais
    亞伯拉罕·佩斯 (圖片來源:維基百科)


     

    1938年2月16日,佩斯獲得了物理學和數學理學學士學位。他開始參加阿姆斯特丹的研究生課程,包括物理課程。他很快就對那裡的理論物理學教授感到失望。1938年秋天,佩斯轉到烏得勒支大學(University of Utrecht)攻讀研究生課程。 然而,烏倫貝克卻跑去紐約市的哥倫比亞大學擔任客座教授。烏倫貝克從美國回來後,他帶來了他參加在華盛頓舉行的一次會議聽到的大消息:波爾和費米在會議上首次公開了核分裂的實驗結果。烏倫貝克還宣布,他將於1939年夏天去密西根大學安娜堡分校擔任教授。烏倫貝克把佩斯介紹給了萊頓大學的物理學家亨德里克·安東尼·克萊默斯(Hendrik Anthony Kramers),後來他成為他終生的良師益友。

     

    佩斯在1940年4月22日成功通過了碩士學位的考試。5月7日,荷蘭教育部長任命列日大學的羅森菲爾德(Léon Rosenfeld)接替烏倫貝克。1940年5月10日,德國人入侵了荷蘭,比利時和盧森堡,使烏得勒支和列日之間的郵件中斷了數月之久。恢復郵件服務後,佩斯再次寫信給列日的羅森菲爾德。很快地佩斯被任命為羅森菲爾德的助手,因為他的前任助手在德國入侵後自殺身亡。1940年9月羅森菲爾德親自到達烏得勒支,佩斯開始著手準備博士論文。佩斯應在其論文中用射影相對論(一種類似廣義相對論但推廣到高維度來統一重力與電磁力的理論)來表達羅森菲爾德和莫勒的核力介子理論,然後用該理論計算氘在高能光子照射下分解的可能性。佩斯致力於研究射影相對論,介子理論和與氘核有關的核物理。

     

    1940年11月,德國當局發布了一項法令,禁止猶太人擔任所有公務員職位,包括學術職位。因此,佩斯失去了助理的職位,儘管羅森菲爾德秘密地安排其繼任者與佩斯非正式地分擔該職位的職責和薪水。然而,佩斯另一位老闆倫納德·奧恩斯坦教授(Leonard Ornstein,1880-1941)失去了實驗室的權力,甚至無法使用實驗室,並於1941年5月20日在失意中過世。德國法令隨後下令禁止在1941年6月14日後向猶太人頒發博士學位。佩斯幸好趕上在6月9日(即截止日期前五天)獲得了理論物理學博士學位。

     

    德國人開始逐漸限制荷蘭猶太人的活動,並在1942年初要求他們佩戴黃色星星。起初,佩斯不感到受到威脅,因為他以前的大學身份使他免於被送往勞教所。然而,在1943年初,荷蘭內政部秘書長腓特烈斯(Frederiks)安排大學的猶太人向Barneveld報到,以確保自己的安全,並將他們安置在城堡內。佩斯不相信這個說法,決定躲藏起來。那些到Barneveld匯報的人後來被送往位於捷克的Theresienstadt集中營,他們中的大多數人倖存下來。

     

    當德國人開始強迫荷蘭猶太人在阿姆斯特丹老城區居住時,他的妹妹安妮(Annie)和她的丈夫赫爾曼(Hermann)順服了。安妮後來在Sobibór滅絕營中喪生。他的朋友在阿姆斯特丹郊外的一個農場里為佩斯的父母找到避難所,在那裡他們倖免於難。佩斯最後的藏身之處是與大學朋友萊昂·諾德海姆(Lion Nordheim),妻子珍妮(Jeanne)和他的小姨子特魯莎·範·阿梅隆根(Trusha van Amerongen)一起住在一間公寓裡。然而,在1945年3月,他們被出賣,四人全被捕。同一周,美國人越過萊茵河並切斷了鐵路線,使他們無法轉移到集中營。這些婦女很快被釋放。在蓋世太保進行了一個月的審問之後,佩斯在戰爭結束前幾天被釋放。不幸的是諾德海姆在戰爭結束前十天被納粹處決。

     

    第二次世界大戰期間,佩斯的博士論文引起了尼爾斯·波爾的注意,波爾邀請他來丹麥擔任助手。戰爭結束後佩斯得以接受邀請,並在其位於Tisvilde的鄉間別墅擔任波爾的私人助理一年。1947年,他前往普林斯頓高等研究院。在接下來的25年中,他從事基本粒子理論的研究,特別是其中的對稱性。他首先提出了“關聯產生”"(associated production)的概念,這是緣由他注意到一些生命期相對長的新粒子(當時稱為V粒子,現在稱為奇異粒子)都是成對出現,所以他設想一種新的類似”宇稱”的量子數來解釋奇異粒子的令人困惑的特性。所以”宇稱”為偶的粒子必須衰變成兩個”宇稱”為奇的粒子,而一個”宇稱”為奇的粒子與一個”宇稱”偶的粒子作用必須變成一個”宇稱”為奇的粒子與一個”宇稱”偶的粒子。他和給爾曼的想法共同導致了一個稱為奇異性的量子數的思想。不過後來發現有奇異性為二的粒子,所以佩斯的想法必不是完全正確。

     

    另一個佩斯重要的貢獻是1955年他和給爾曼關於中性K介子組成的理論,提出觀察到的狀態是粒子和反粒子的混合態,具有不同的壽命。次年,萊德曼(Leon Lederman,1922-2018)和合作者通過實驗證實了這一點。萊德曼後來得到1988年的諾貝爾獎。1956年,佩斯成為美國的歸化公民。1963年,佩斯到洛克菲勒大學(Rockefeller University)任職直到退休。

     

    1970年代後期,佩斯開始對記錄現代物理學的歷史感興趣。他認識到許多關鍵人物並且對語言,文化和科學有所了解,因此他開始寫作。他的作品中最聞名的莫過於愛因斯坦的傳記《Subtle is the Lord》。1991年,佩斯又出版了《尼爾斯·波爾時代》該書描述了波爾的生涯和科學貢獻。佩斯2000年在哥本哈根因心臟衰竭去世。去世時還正在為歐本海默撰寫傳記。它由羅伯特·P·克雷斯(Robert P. Crease)完成,是迄今最完整的歐本海默傳記。佩斯一生被提名諾貝爾獎兩次,一次與給爾曼,一次與給爾曼和西島和彥,兩次都落空。

     

    佩斯了解到宇宙線中眾多的新粒子帶有核子與π介子沒有的量子數可以說是一個重要的里程碑,不僅從此原子核物理與粒子物理分道揚鑣,而且”奇異性”這個新穎的概念開啟了一扇通往夸克模型的大門,而夸克是現代粒子物理的基石之一,重要性不言可喻。在通往夸克模型的路上,還有四位重要的物理學家也留下他們的足跡,就先來介紹發現”西島-中野-給爾曼”規則的兩位日本物理學家西島和彥與中野董夫。

     

    西島和彥(1926年-2009年)於1926年10月4日出生於日本茨城縣土浦市。他於1948年在東京大學獲得物理學文憑,之後他到大阪攻讀博士,並於1955年在大阪大學獲得博士學位,博士論文的題目是原子核內核子之間的位能形式。但是他在拿到博士學位之前就被大阪市立大學的南部陽一郎(Yichiro Nambu)聘用,研究強作用力和奇異粒子的理論。當時大阪市立大學剛創辦沒多久,其前身「大阪商業學校」創立於1880年,1928年改制為大阪商科大學。1949年以商科大為母體,合併「大阪市立工業專門學校」和「大阪市立女子專門學校」,設立大阪市立大學。而南部陽一郎被朝永推薦至大阪市立大學擔任副教授,次年升為教授,當時年僅29歲,而西島當時只有24歲。而另一位南部的研究群的成員就是與西島同年的中野董夫。中野出生於東京。1948年畢業於大阪大學物理系。 1950年,中野加入大阪市立大學科學與工程學院擔任助理,並與南部陽一郎教授,早川幸男教授,山口芳雄講師,西島和彥助手一起成立了理論物理小組。這個年輕的陣容在當時的日本可以說是絕無僅有,南部後來在口述歷史時提到由於是新大學,教學任務非常輕,所以研究做得很起勁。
     

    一開始西島與南部,山口寫了兩篇V粒子的文章,第三章文篇就是他與中野合寫,提出中野-西島關係式的重要論文。這篇題為Charge Independence for V-particles於1953年十一月發表於Progress of Theoretical Physics。他們發現粒子的電荷與奇異性,以及重子數以及同位旋滿足這個關係:

    Q=I3+1/2 (B+S)

     

    其中Q是電荷,I3是同位旋的軸向分量,像質子與中子構成一個同位旋的雙元組,質子的I3 是+1/2,而中子則是-1/2。B是重子數,而S是粒子的奇數量子數。奇異性後來被西島稱為“ eta-charge”或“η-charge。後來物理學家把B+S 定義為超荷Y(Hyper charge)。這個關係式不只是研究強子結構的重要敲門磚,也是後來建構統一電弱兩種作用力的理論時不可或缺的一個重要的指引。同位旋的軸向分量對應的是SU(2) 規範群,而另一個獨立的U(1)規範群對應的量子數正是超荷Y。這篇論文引用了佩斯的論文,但是在腳註註明了在論文完成後,南部的私人信件通知了早川,給爾曼也發展類似的理論,但是給爾曼的論文是1956年才正式發表在期刊Il Nuovo Cimento, 雖然有些內容發表在1953年十一月的Physical review。(Isotopic Spin and New Unstable ParticlesPhys. Rev. 92, 833 – Published 1 November 1953) 。

     

    1956年至1958年,西島島應海森堡的邀請前往德國哥廷根工作。1958年,他移居美國,並加入了新澤西州普林斯頓的高級研究所。一年半後,他成為伊利諾大學香檳分校的教授。他與著名的公設化量子場論的專家Rudolf Haag共用辦公室,所以對方來訪的學生與同事往往會吵到自己,Haag 曾向西島抱怨,西島意味深長的回說:He whom it does not concern does not listen.(不在乎就聽不到),西島還是個有趣的人呀。
     

    1966年,西島返回東京大學,在那建立了理論物理研究小組,並擔任過一些行政職務。從1986年至1989年,他擔任京都大學基礎物理研究所所長;從1995年至2005年,他擔任仁科芳雄紀念基金會主席,該基金會是日本促進物理學的基金會。1955年,他擔任基金會授予的第一位物理學獎得主。西島的研究一直非常活躍,直到生命將盡。他的最後研究領域是量子色動力學中的禁閉性質和非交換時空的量子場論。他於2009年2月15日因白血病辭世,享年82歲。
     

    中野董夫則是一直留在大阪市立大學,在提出中野-西島-給爾曼規則之後,他研究的方向就偏向量子場論,他在1959年與許文格(Julian Schwinger) 約略同時提議將場論放到歐幾理德幾何(即採用虛數時間),文章的題目是Quantum Field Theory in terms of Euclidean Parameters,發表在Progress of Theoretical Physics, Vol. 21, No.2, February 1959。他還寫了不少相關的專書中野從大阪1990年從大阪市立大學退休後成為大阪市立大學名譽教授,並且成為大阪市科學館第一任館長。中野熱心普及推廣物理,雖然他的解說對一般民眾而言實在太過艱深,但是卻吸音了不少粉絲,甚至形成了長期的讀書會,中野桑還真是個有感染力的歐吉桑。中野在2004年過世,享年七十八。他曾與西島以及給爾曼一起被提名為1961年諾貝爾物理學獎的候選人,而西島還曾三次與爾曼一起在1960, 1964, 1966被提名,不過最終只有給爾曼在1969年拿到諾貝爾獎。
     

    粒子物理在1955年進入一個新階段。日本物理學家坂田昌一提出了”坂田模型”主張所有的強子,就是會參與強作用力的粒子,都是質子,中子,超子Λ和它們的反粒子所組成。其中只有超子帶有”奇異性”。在建構這個模型中最重要的條件正是”中野 西島 給爾曼”規則。雖然坂田模型在解釋介子時完全無礙,然而在預測重子時就寸步難行了。(細節請參閱阿文之前寫的粒子物理在東洋的先驅: 坂田昌一(下) 名古屋學派的開山祖師爺一文。)取而代之的是給爾曼所發展的八正道模型,組成的元素不是質子,中子,超子Λ,而是重子數為三分之一的”神秘”粒子。但是與給爾曼同時,另一位初出茅蘆的新鮮博士也發展出一模一樣的理論! 這個人就是尤瓦爾·內曼(Yuval Ne'eman)(1925年-2006年)。
     

    內曼在巴勒斯坦委由國聯統治的時期出生於特拉維夫,15歲時高中畢業,並在理工學院(Technion)學習機械工程。他在15歲那年也加入了哈格納(Haganah)。 在1948年的阿以戰爭期間,內曼在以色列國防軍(IDF)擔任副營長,後來升任特拉維夫行動官和吉瓦蒂旅的指揮官。後來(1952-54年),他擔任總參謀部運營部副指揮官,以色列國防軍計劃部司令。 在此職位上,他幫助將以色列國防軍組織成一支以預備役為基礎的軍隊,發展了動員系統,並撰寫了以色列國防理論的初稿。

     

    在1958年至1960年之間,內曼在英國的以色列國防軍的隨員(IDF Attaché),但他卻決定”半公半讀”,他在阿布杜斯 薩拉姆(Abdus Salam)的指導下在倫敦帝國理工學院攻讀物理學博士學位。 1961年,他以上校的身份退伍,完全投身於學術。他的博士論文正是運用SU(3)的對稱性去分類強子,與坂田模型不同的是,他依照代數中的李群(Lie Group)運算,他發現自旋二分之一的重子應該形成八元組,而自旋二分之三的重子則是十元組。當時的實驗結果與這個模型預測有出入,給爾曼知道後把論文撤回,而阿布杜斯 薩拉姆在會議中遇到給爾曼,聽到這消息,但是內曼不為所動,還是相信自己的理論。他的論文”Derivation of strong interaction from a Gauge Invariance” 發表在期刊Nuclear Physics上。在1962年CERN的一次會議上,內曼與給爾曼都預測有奇異數為負三,自旋為二分之三的新粒子。兩年後美國的Brookhaven 國家實驗室找到奇異數為-3的新粒子後,SU(3)的對稱性就此確立!

     

    內曼拿到博士後就回到以色列。他於1965年至1972年擔任特拉維夫大學物理與天文學學院的創始人兼所長,於1971年至1977年擔任特拉維夫大學的校長,並在1979年至1997年期間擔任其薩克勒大學高級研究所的所長。他還是1968年至1990年間在德克薩斯大學奧斯汀分校的粒子理論中心的副主任。 太空研究和衛星對以色列經濟未來和安全的重要性,因此於1983年成立了以色列太空局,直到他去世他一直擔任該機構的主席。內曼從1974年到1976年擔任國防部首席科學家。他被描述為“現代科學中最豐富多彩的人物之一”,並與人合著了《粒子獵人》,該書於1986年以英文出版。《泰晤士報》增刊將這本書譽為“量子物理學的最佳指南”。
     

    內曼也在政壇上非常活躍。他是著名的鷹派人物,他曾獲得了以色列獎中的精確科學領域的獎項,但是後來他在1992年為了抗議以色列獎頒給有以色列國民身分的阿拉伯裔作家 Emile Habibi而將該獎退回給頒獎單位!
     

    1970年代後期,內曼因為反對比金與埃及總統沙達特的和談而建立了特希亞(Tehiya),脫離利庫德(Likud)黨,他在1981年的選舉中當選為以色列議會議員。選舉大約一年後,該黨加入了比金的聯盟,內曼被任命為科學與發展部長,後來該職位改為科學和技術部長。在1992年大選後,他失去了部長職務,也沒有重返政壇。他於2006年4月26日在特拉維夫因中風過世,享年80歲。他曾被提名諾貝爾獎三次,都是與給爾曼一起。
     

    內曼回到以色列曾與他的同事Haim Goldberg-Ophir 寫了一篇文章主張重子與介子都應該是重子數為三分之一的新粒子及其反粒子所組成。這篇名為”Baryon Charge and R-inversion in the octet model”於1963年登在Nuovo Cimento”,但是沒有引起太多迴響,主要的原因是他們對於新粒子是”真”的粒子還是抽象的”場”這件事有所保留。很快地給爾曼也得到類似的結論,他將它們稱為”quark”(夸克)。但是與此同時,一位剛拿到博士的年輕人則甘冒大不諱,直接將這些新粒子認定是真實的粒子。他就是喬治·茨威格(George Zweig,生於1937年)。

     

    茨威格出生於俄羅斯莫斯科的一個猶太家庭。他的父親是一名工程師。 他於1959年畢業於密西根大學。1964年,他在加州理工學院獲得了理論物理學博士學位。在為博士論文口試後不久,茨威格在CERN獨立於給爾曼提出夸克的存在。 茨威格將它們稱為“ ace”,因為他推測會有有四種新粒子(基於當時已知的四個現存輕子,電子,電子微中子,渺子,渺子微中子)

     

    夸克的引入為粒子物理學奠定了基礎。像給爾曼一樣,他意識到粒子的幾個重要性質(如重子(例如質子和中子))可以通過將其視為其他組成粒子的三重態(具有分數重子數和電荷)來解釋。 與給爾曼不同的是茨威格是通過φ介子到ρπ的特有衰變得到了靈感,由現在稱為OZI規則( Z”,代表茨威格。O代表Susumu Okubo,大久保進,I 代表d Jugoro Iizuka飯塚重五郎) ,OZI規則的故事比較複雜,日後再為各為看官說各分明。

     

    給爾曼因在基本粒子的分類及其相互作用方面的整體貢獻和發現而獲得1969年諾貝爾物理學獎。 當時,夸克理論尚未被完全接受,所以沒有在該獎項的官方引文中特別提及。 1977年,理查·費因曼(Richard Feynman)提名給爾曼和茨威格,但兩者當年都沒有獲獎。
     

    茨威格隨後轉向聽力研究和神經生物學,研究了聲音在人耳的耳蝸中向神經衝動的傳導,以及大腦如何將聲音映射到大腦皮層的空間維度。 1975年,在研究耳朵時,他發現了連續小波變換的一種形式,即耳蝸變換( cochlear transform) 。
     

    茨威格於2003年加入了定量對沖基金Renaissance Technologies,該機構由數學家James Simons創立。 他於2010年離開公司。與Renaissance Technologies簽訂的四年保密協議到期後,茨威格(Zweig)回到華爾街,與兩名年輕合夥人共同創立了一個名為Signition的量化對沖基金。他們於2015年開始交易。茨威格說,沒有工作,“生活會很無聊”。當真是個多才多藝的斜槓人物。
     

    細數一下這五位諾貝爾獎的遺珠之憾,也等於是回顧了半部粒子物理史了。這五位人物都頗具特色,沒有得到諾貝爾獎,對他們固然是一種遺憾,不過絲毫沒有影響到他們精彩的人生,從事粒子物理研究的後輩如阿文者,要誠心誠意地向他們表達謝意!

     

    下一回 要介紹一位有著精彩人生故事的科學家,敬請期待!

    延伸閱讀
    與諾貝爾獎擦身而過的物理學家們: 雖敗猶榮的競爭者(二)

    本文作者:高崇文  中原大學物理系教授

     

    參考資料:

    (一)中文 日文 英文 希伯萊文 維基相關條目

    (二)http://www.sci-museum.kita.osaka.jp/~saito/job/writing/utyu/nakano/nakano.html

    (三)Kazuhiko Nishijima by Yoichiro Nambu

    (四)Matter Particled: Patterns, Structure and Dynamics : Selected Research Papers    of  Yuval Ne’eman, by Yuval Ne’eman, Remo Ruffini, Yosef Verbin

    (五) Yuval Ne’eman by Haim Harari

    (六)Invariance Principles and Elementary Particles by Jun John Sakurai

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