最后一位文武双全的物理学大师-读费米传《原子舞者》

 

1956年秋天,我在部队里过了五年军事生活之后,考上了北京大学物理系。就在开学之初,物理系在办公楼礼堂开了一个大会,隆重纪念1955年去世的爱因斯坦和1954去世的费米。我记得是周培源教授和褚圣麟教授分别做的报告,介绍了这两位物理学大师的生平事迹和科学成就。我相信我就是在这个会上首次听到并且永远记住费米这个名字的。

两个多月前,杨建邺教授给我寄来了他的一本新译著-塞格雷写的费米传记的中译本《原子舞者》。杨君和我同岁,亦在解放初参军之后,同于1956年考进大学修习物理。不料他在第二年的政治风暴中罹祸,后来在塞外农场几乎沦为遍野饿殍之一员,亏得他及时采取了勇敢而决断的措施,得以保全性命回到湖北家乡。文革之后杨君归队到高等学校任职,在物理学史的研究上多有建树,我们两人亦成了同行和朋友。

国内的读者早就先后读到了塞格雷写的《From X-rays to Quarks》(1980年出版)的中译本《从X射线到夸克》(1984年出版)和他的自传《A Mind Always in Motion》(1997年出版)的中译本《永远进取》(1999年出版)。在这两本著作里,塞格雷都用了不少的篇幅叙述了罗马学派的发展和成就,其中当然缺不了对他的恩师、这个学派核心人物费米的详细描写。现在我们又能够看到塞格雷1970年出版的费米传记的译本,从这本书里,会得到对费米更加全面和深入的了解。

近代科学前期,一些在理论上作出了划时代贡献的大物理学家,往往同时又做过一些重要的物理学实验。例如,众所周知,伽利略为了找寻力学规律,亲自做过斜面实验和自由落体实验。而不大为人所知的是,伽利略还通过水面驻波的观察,认定音高决定于振动的频率。他甚至还试图测定光速。牛顿也做过阳光的色散实验和运用单摆检验惯性质量同引力质量成比例的实验。牛顿还发明过反射式望远镜。后来,麦克斯韦先做过颜色混合实验,又同他的太太合作亲自进行测量,证实气体的粘滞系数与其密度无关的理论预言。

当然,上面举出来的那些实验比较简单,凭个人的能力就可以应付。到了二十世纪初期,研究和运用放射性的核物理学设备,亦大多是一些实验桌上的仪器。但是事情很快就发生了根本的变化,进入二十世纪下半叶,探究物质内部深层构造的最先进的巨型实验设备,不仅是个别研究单位,甚至是个别国家亦难以负担了。一篇宣布新发现的实验文章,署名的作者往往有数十人以至上百人之多。在这种情况下,理论物理学家和实验物理学家很早就分成了两支队伍。实验家们在理论家指出的方向或者他们自己选择的方向上做实验,而理论家们只需要了解实验家能够做些什么问题以及他们怎么做和做了些什么结果。

然而,在五十年前逝世的费米,在物理学理论和实验这两个方面,都做出了第一流的贡献。他是最后一位硕果仅存的文武双全的物理学大师。费米亦有他独特的研究风格,不可以用常规来衡量。

费米起先是研究理论的。从这本传记里可以知道,费米1923年冬天到哥廷根,在玻恩手下进修。这正是酝酿创立量子力学的前夕,费米在那里有机会同站在最前线的几位理论物理学家接触,其中包括了与他年龄相仿的海森伯、泡利和约尔丹,但没有同他们达到有效的理解和沟通。结果,费米未能在量子力学基本原理的建立这一场大革命中做出重要的贡献。也许,费米不属于那种创立原理的物理学家,而属于比较注重实际问题的实干家。毕竟在整个二十世纪里,提出崭新的物理学基本原理的,只有屈指可数的那么几个人。但这并不意味着其他人就无事可干了。

可是,第二年费米关于原子碰撞理论的一篇文章,又受到了玻尔不公正的对待。(在费曼的后续工作里写出的对散射末态求和的公式,至今被称为“费米黄金规则”。)我们不清楚,是不是这些遭遇使得费米后来对于量子力学的正统解释抱着疏离的态度。如果你读过费米身后出版的《量子力学笔记》(西安交通大学1984年出版了附有手稿影印件的中译本),就会看到全书自始至终没有提到诸如“互补原理”和“波粒二象性”等长期被奉为圭臬的教条。而这本书开始的第一章讲的是“光学与力学的类似性”,则明显是沿着薛定谔的思路展开的。

不过,费米很快就在这个新的领域里做出了发现,在“泡利原理”的基础上提出了多电子系统满足的“费米统计”,显示了他的实力。从此,物理学里就到处飞舞着“费米子”、“费米面”、“费米能级”等术语。而费米在理论方面最重要的贡献则是1934年发表的 b 衰变理论,那是量子场论的首次成功运用。也许可以这样譬喻,费米这一工作的意义,好比第一次运用量子力学解出氢原子的能级一样。不过,在量子力学里首先有了薛定谔方程,把库伦势代进去以后,剩下的就是数学问题了。而量子场论要困难得多,因为并没有现成的相互作用形式可循。费米独具慧眼地给出了“四费米子作用”形式,同时描写了初态粒子的消失和末态粒子的创生,为弱相互作用的动力学打下了基础。这一成就使得不少老资格的理论物理学家大吃一惊,他们做梦都想不到量子场论的抽象程式居然可以有这样的用途。

费米后来转做核物理方面的实验工作,取得了一系列的领先成果,导致了他获得1938年的诺贝尔物理奖。在二次大战时期,在费米的领导下,建立了第一个核反应堆。这些丰功伟绩在书中都有详细的叙述。在费米之后,再也没有出现像他这样在理论和实验这两方面文武双全的大物理学家了。

下面对译本提出一些意见和疑问:

首先,译者在“译后记”里的第一句话里,介绍说“费米教授是杨振宁教授的导师”,又在“代译序”的边注里说,除了杨振宁之外,“费米一生从来没有和学生合写过论文”。虽然我对杨振宁先生是很尊敬的,但我仍然觉得这些写法都不大合适。

举一个不同的例子,如果有人用“费曼的导师”来介绍惠勒,我以为是恰当的。因为无论在科学成就和知名度上,惠勒都赶不上费曼。然而,费米的贡献和名气不比他的任何一位学生差一截,不需要用某某人的导师的身份来介绍费米。

此外,费米是不是除了杨振宁之外,“从来没有和学生合写过论文”呢?随便查一下就会看到,费米同他的学生塞格雷和阿马尔提等,都合作发表过论文。(例如,《世界著名科学家传记·物理学家》卷I,科学出版社,1990111页)那么,费米是否除杨振宁之外,从来没有同在学的学生合写过论文呢?根据杨振宁自己的叙述,提出后来被称为“费米-杨模型”的那篇合作文章是1949年夏天写的,而1948年杨振宁已经在特勒指导下取得了博士学位。并且,“费米[对杨]说,学生的任务是解决问题,研究人员的任务是提出问题;而他认为我们提出的问题有发表价值。”(《杨振宁文集》,华东师范大学出版社,199812页)由此可见,那时候杨振宁已经不是学生而是研究人员了。

综上所述,译者在有关问题上的明显偏向,使得他在译本上写了一些有欠公允的话语,这本来是应当避免的。

其次,273页的边注上说,费米1938年在诺贝尔受奖演讲里讲到的,以为他们发现了的第9394号元素,就是“现在的镎和钚”。这种说法是不对的。因为费米的小组当时没有对反应产物进行可信的鉴定,作出了错误的结论。即是说,他们其实没有发现超铀元素,因此费米说的“第9394号元素”是虚假的结果,不是“现在的镎和钚”。关于这一点在本书正文101页里已经讲得很清楚了。

此外,我对译文有一些疑问:

75页的“算符的破坏和创建”,似乎应当是“湮灭算符(annihilation operator)和产生算符(creation operator)”

同页上说费米“1933年研究 b 衰变”,第96页也是这样说。但在“内容提要”和237页里又说费米做的是“b 射线理论”,前后不一致。按 b 射线是一种放射性,b 衰变是产生 b 射线的一种弱作用过程。费米1933年研究的不是 b 射线而是 b 衰变的理论。

80页上说贝特为《物理手册》写了论文《12电子系统》。按贝特为1933年出版的《Handbuck der Physik》写的德语文章的题目是“一个和两个电子问题的量子力学”,处理的是氢原子、氦原子和氢分子以及有关的离子。他后来又为1957年版的《Handbuck der Physik》用英语重写这篇文章,题目改为“一个和两个电子系统的量子力学”。现在的译名“12电子系统”相当费解。顺便提一下,Handbuck der Physik的英语名称是Encyclopedia of Physics,国内物理学界通称“物理大全”,不叫“物理手册”。

最后,译本的正文和索引里,都把著名物理学家费曼(Richard P. Feynman)的名字误写成Robert

以上几点,因为我手头没有塞格雷的原文,无法核对。但我以为即使原文是那样写的,翻译的时候也应该核实校正。

 

Emilio Segrè, Enrico Fermi, Physicist, University of Chicago Press, 1970;中译本:原子舞者-费米传,杨建邺,杨渭译,上海科学技术出版社,2004,定价:30.00

(本文已刊登于2004929日《中华读书报》)