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温伯格第一次接受中文媒体访谈实录

电-弱统一理论的创建者、物理学诺贝尔奖获得者、多部教科书和科普著作作者、物理学大师史蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)先生于北京时间7月24日去世,享年88岁。他的突然离世,震动了国际物理学界。先生对中国物理学界非常友好,曾多方面多层次深度参与中国物理学界和物理学家相关的科研和教学方面的工作。关于先生科学思想的一个简单介绍,何祚庥先生推荐了1980年《科技导报》对温伯格的一次深度访谈。这也是温伯格先生第一次接受中文媒体采访,不仅思想深刻,而且拳拳之心可鉴。时间已经过去40余年,他关于科研方法和教学与科研关系等方面的思想依然鲜活。先生已去,精神长存。《物理与工程》公众号特此编辑刊发当年的访谈记录。学习并发扬,是最好的缅怀。(感谢湖南大学刘全慧教授执笔)
 
(1933年5月3日-2021年7月23日)
 
精华提炼
 
每个理论物理学家都必须具备一定的数学才能。这并不是说数学最好的人就会是最好的物理学家。很重要的一个素质是“进攻性”(agressiveness),不是人与人关系中的“进攻性”,而是对自然的“进攻性”,不要安于接受书本上给你的答案,要去尝试下一步,尝试发现有什么与书本不同的东西。这种素质可能比智力更重要,往往是区别最好的学生和次好学生的标准。当然,必须付出大量的艰苦劳动。当我说一个计算容易做,正是因为我做了大量的尝试,经过多次失败,最后才成功了。
 
……
 
“直觉”很重要的,但我并不真正知道它如何起作用。首先要有一个哲学观点去指导,就如你们在中国相信粒子由粒子构成,粒子又由粒子构成,叫层子模型。有这个想法是好的,虽然我个人并不这样看。
 
……
 
我有时想,念一念科学史是很有用的,你可以了解科学家们如何走了那么远,然后停了下来,没有走下一步;走到偏的方向是多么容易。
 
……
 
我在中国访问时,曾向科学院的秘书长建议,不要试图把每件事计划得太周到,管得太死,要留变化余地。不要过份严格分配哪个领域里有多少科学家。
 
……
 
培养一个优秀科学人才的“关键”是什么?我想关键在于让年轻人停止当学生,开始成为物理学研究者。
 
……
 
教研分开的制度是非常糟糕的制度!从两方面来说都不好。研究者失去了从与学生的接触中所得的启发。反复地向学生讲解自己知道的东西,这是非常有价值的。
 
《科技导报》记者:可否请你们用非专业的语言介绍一下你们这次得奖(注:1979年诺贝尔奖)理论的梗概?
 
温伯格:现在我们知道自然界有四种基本的作用力。有的为人所熟知,有的不那么太熟悉。人们认识最早的是万有引力,它使苹果掉下来落在地上,物体互相吸引。我们对电磁力的认识也很早:磁石能吸铁,电子靠电磁力束缚在原子中。到本世纪人们又发现两种新的作用力,强作用力和弱作用力,前者使原子核保持稳定,后者引起一系列放射性衰变,并在恒星能源反应链的某些阶段中起重要作用。日常生活中感觉不到强作用力和弱作用力,是因为它们的力程太短,强作用的特征长度是10-13厘米,弱作用的力程更短。爱因斯坦就曾试图统一引力和电磁作用力,因为那时只知道这两种力。力图用简单的语言描述自然,用少量的原理概括复杂的现象,这是物理学家的一种“癖好”。现在已发展的统一理论符合爱因斯坦的精神,但方向稍有不同。不是引力与电磁力的统一,而是电磁力与弱作用力的统一。这里的“统一”是指电磁作用和弱作用的理论,实际上是更深一层的理论的两个不同侧面。它本身既不是电磁作用,也不是弱作用的理论。
 
《科技导报》记者:请你解释一下“更深一层”的含义,你是否指规范场理论?
 
温伯格:是的。规范场理论是一种特殊的量子理论。本世纪的物理学有两次伟大的革命。一次是爱因斯坦的相对论,特别是1905年的狭义相对论,一次是二十年代中期由海森堡、玻尔、狄拉克、薛廷格、德布洛依(薛定谔、德布罗意 ——物理与工程编辑注)、玻恩、约旦、泡利等科学家发展起来的量子力学。这两者的结合不可避免地导致量子场论。量子场论的基本观点是,把场而不是把粒子当成宇宙中最基本的实体,例如引力场、电磁场和其他场(电子场、中微子场……)。当把量子力学应用于量子场论中,人们发现场的能量表现为分离的基元,或称“量子” (quantum)。每种量子对应着一种粒子,如电磁场的量子是光子,电子场的量子是电子……。有些情况下,我们先知道场的方面,后知道其粒子方面,例如我们先知道电磁场,后知道光子。另一些情况下,又反过来。弱作用和电磁作用的统一理论就是建立在这种特殊的量子场论——规范场理论的基础上的。
 
《科技导报》记者:你是否认为将来可以用规范场理论来统一这四种力呢?
 
温伯格:这是大家都想尝试的。在这方面已经做了许多工作。大家期望把强作用也包括在这种规范场理论的框架内,即构成强作用、弱作用和电磁作用的“大统一”理论。下一步自然是试图把引力也概括在内。但是这里面有根本性的困难,因为至今还没有令人满意的量子引力理论。现在还很难预言这种理论将以什么形式出现。很可能要有崭新的想法来描述超短距离 (10-33厘米) 下的物理特性。这种情况下的引力很强,不再是微扰了。可能超出量子场理论和规范场理论的想法,甚至超出相对论和量子力学的概念。我想,我们不能不采取一种非常开放的态度。
 
《科技导报》记者:那末,你看下一个十年高能物理发展的方向是什么呢?
 
温伯格:我想还有大量的工作需要做。不同的能量区域,都可能有重要的发现,其中有一个能量区域正在开始被打开,这就是指下一代的加速器。除了下一代超高能加速器以外,还有许多不用超高能加速器的事情要做。如测量中子的电偶极矩,对研究电荷宇称守恒的破坏很重要,它不需要加速器,只用反应堆。甚至在长岛 (Long Island) 现有的加速器可以做一些长期得不到解决的问题,如η介子和κ介子的衰变模式。这是在向更高的能量推进时被忽视的一个重要问题。
 
《科技导报》记者:理论方面会有哪些重要进展?
 
温伯格:这很难预言。理论与实验不同。实验要花十年以上的时间筹集资金,建造设备,至少能说清楚,要做哪一类实验。理论则不然,真正能说清楚要解决哪一个问题时恐怕也把它做出来了。但是,理论方面会有重大的发展。有一类问题,例如量子色动力学,已经有了很好的理论框架,很可能是强作用的正确理论。问题在于如何得出正确的数学推论。这是一个数学物理的问题,有点像四十年代末量子电动力学已有理论形式,但直到五十年代才找出正确的解法。也许量子色动力学解决不了强作用的问题,但可以证明一些在实验上可检验的结论。如夸克的禁闭等。不能计算在低能强作用下的许多效应并不妨碍它成为好的理论。就如我们还不能准确地计算铁原子的许多性质,但我们毫不怀疑量子力学的正确性。另一类问题就是前面提到的大统一理论,还有量子引力的理论。这里可能需要很根本的突破,但也许只需要一个很小的启发。这正是物理学中常有的现象,现实世界中的问题都没有贴上标签,告诉我们它的解决是需要伟大的发现,还是只差小小的一步,是需要留给子子孙孙后代解决的难题,还是一个晚上就可以找到答案。实验中可能出现预期不到的结果,那会反过来对理论有重大的影响。
 
《科技导报》记者:这些年来在理论方面众说纷纭,文献浩如烟海,如何从中挑选富有成果的课题,不把精力耗费在无意义的方向上?请你介绍一些经验。
 
温伯格:这个问题没有简单的答案,每个人的情况也各不相同。每人有自己的才能,应该根据自己的才能来选择方向。规定谁去研究什么问题,即是很笨的做法。我只能说我自己,我不喜欢做需要大量计算以至于必须依赖电子计算机的问题。是的,许多最重要的问题,例如天体物理中的问题,如果不做大量运算,是不可能解决的。我不做这些问题。甚至在处理量子场论问题时,如果它过于复杂(不是指困难,只是指令人生厌的复杂),例如像S—矩阵这样的理论,需要对多复函数论有一定的掌握,我对这些懂得不多,所以也不做这方面的工作。
 
有些事你会愿意去研究,而另一些事你不愿意去研究。如果你过深地卷进一个你不愿意去研究的问题,那将是一个错误。因为你若对某些事特别感兴趣,这至少显示出这些事可以适应你的才能。强迫自己去做自己不喜欢的事情,是一个很大的错误。
 
《科技导报》记者:照这样看,你是否认为美感与简单性是一个指导原则?
 
温伯格:是的,我喜欢做能够找到简单的、优美的解的问题。但是当我开始工作的时候,我并不知道会不会得到这样的解。有时候与愿望正好相反。我想,这有点像目前量子色动力学 (QCD) 的情况。很多人正努力地工作,试图以QCD出发预言一些事,算出例如说质子的质量。已经开始的某些方向可能是正确的。例如一些人研究多瞬子 (instanton) 系统,另一些人研究格点规范等等。可能他们是对的。但如果真是这样,那么这些办法是非常复杂的。复杂到我想我自己做不来的。我喜欢E. Witten的想法,QCD里大N (内部自由度维数) 近似,这只是一个感觉,这里会有一些简单、漂亮的东西。实际上当't Hooft开始讨论这些问题的时候,就很简单。可以用几行字在黑板上解释的。
 
《科技导报》记者:你觉得哪些是科学家必须具备的素质?
 
温伯格:这个问题同样因人而异,不同的人可以按不同的途径达到很高的成就。每个理论物理学家都必须具备一定的数学才能。这并不是说数学最好的人就会是最好的物理学家。很重要的一个素质是“进攻性” (agressiveness),不是人与人关系中的“进攻性”,而是对自然的“进攻性”,不要安于接受书本上给你的答案,要去尝试下一步,尝试发现有什么与书本不同的东西。这种素质可能比智力更重要,往往是区别最好的学生和次好学生的标准。当然,必须付出大量的艰苦劳动。当我说一个计算容易做,正是因为我做了大量的尝试,经过多次失败,最后才成功了。当然,科学家还应具有许多其他重要的素质。最好能有哲学上的独立见解来指导你的研究。这样你的工作才能有一致性。有时你会发现必须修改旧的看法,那也不要紧,但不能没有看法。在S—矩阵理论盛行的时候,对这方面有兴趣的人大都持有一定的哲学观点,这是非常好的。他们的哲学是在任何科学领域里,绝不考虑不能直接测量的东西,因此他们放弃了量子场论,而只谈S-矩阵元。虽然其后发现有比S—矩阵理论更好的处理强作用的方法,但如果当初他们没有这样的哲学观点,他们不会做这样大量的工作。
 
《科技导报》记者:人们常谈论物理的“直觉”,这东西似乎很玄妙,只可意会,不可言传。能否请你谈点切身的体会?
 
温伯格:这是很重要的,但我并不真正知道它如何起作用。首先要有一个哲学观点去指导,就如你们在中国相信粒子由粒子构成,粒子又由粒子构成,叫层子模型。有这个想法是好的,虽然我个人并不这样看。另一个重要的因素是经验,你试验过各种事情,在许多领域里工作过,知道哪些行得通,哪些行不通。用物理学家的语言说,也就是哪些“自然”,哪些“不自然”等等。渐渐地你学会鉴别一些只能解释少数实验事实的理论和另一些有很强的预言能力的理论。当你一直在思考物理问题,试着做什么事情去解决这些问题时,你会有很多想法。你会说这与我的感觉与我的哲学吻合,看来是可以成功的。这其实是由你的经验在一个说不出的、非逻辑性的、潜意识的层次里活动。你是在用自己的经验。你的经验,还有你从别的物理学家的工作过程中了解到的经验。我有时想,念一念科学史是很有用的,你可以了解科学家们如何走了那么远,然后停了下来,没有走下一步;走到偏的方向是多么容易。所有这些,你读的、你试着去做的和想的,形成了你脑力活动的一部分。不管你是否想到它,它总在起作用,这并不神秘。我想,这很像乒乓运动员,当他把球击回去时,他并不去想如何打,他已经打过很多次,每当球向他飞过来,他整个的身体自动地作出反应。因为他已对这种局面见得多了,他全部的经验给他做准备,把球击回去。实际上如果他还要想想的话,那么他可能已经失去了这个球。在某种程度上,很像这种练习。科学的直觉是建立在经验之上,不是能够直接说清楚的。
 
《科技导报》记者:它们都是经验的总和。另一个有关的问题也是令人深思的。照你上面讲的精神,该如何培养年轻人更早地开始科学性的思考,经常向自己提出问题,并试图形成某种哲学的思想体系?这就牵涉到不同的教育体制与个人成长的关系。你如何评价美国的教育制度在训练一流的科学家方面的短长。
 
温伯格:美国教育制度的优点之一是有很大的灵活性。我们这里有一位年青的物理学家,他原来在大学读历史,最后一年发现对物理有兴趣,改学物理,现在很有成就。在我妻子任教的法学院里,有些学生已经得了物理博士学位。不能单纯地把转行看成是浪费。如果一个在物理上有才能的人硬要强迫他学历史,那才是浪费。我在中国访问时,曾向科学院的秘书长建议,不要试图把每件事计划得太周到,管得太死,要留变化余地。不要过份严格分配哪个领域里有多少科学家。不能像政府官员那样来管理科学家。有的人转行做别的事,与国家当前需要的不一样,看起来似乎是浪费。实际上,更多的人由于喜爱自己的工作,将会在工作中更努力,对国家、对社会只会有好处。
 
第二点是不要过分相信考试。研究生都要修一些课,考一些试,但主要不看这个,还要看他参加讨论的情况,有没有写过些文章,研究做得怎样等。在美国没有非常大的考试,例如让学生坐下来考一个星期。我们不相信考试可以显示这个人有多好。到研究生院,学生要通过“资格考试”,表明对基本物理有一定掌握后才能做研究。但是考试只是一个入门,考得很好并不是最重要的。在美国能找到最好工作的不是成绩考得最好,而是研究工作做得最出色的人。我想在研究生课程方面,各国的编排可能没有多大差别,重点是做论文。美国学生可以自己选题目,选导师,导师也可以自由选学生。这样自然的组合,做出工作来,对学生是很好的经验。
 
至于上课的差别大概是:在美国,学生可以比较自由地发问。要注意培养学生批评文献、批评讲演,批评前辈的能力,与他们“斗争”。
 
美国和欧洲传统的欧洲大学的另一个差别是美国的教授与欧洲的有些不同。在美国任何人成为教授而得到永久职位以后,他们的称号都是教授,大家是平等的。在欧洲,一个研究所只有一个教授,尽管别人也有永久职位但却得听他的。有时这教授是一个伟大的人物,如N.玻尔 (N.Bohr)。他指导每一个人走向正确的方向,并把人们组成了一个很好的集体,做出极好的工作。有时候,教授是个老“官僚”。他提不出任何想法,也不知道他自己已落后了20年或50年。这是很糟的。我想欧洲正在从老的教授制向美国的变化。罗马大学的物理小组就非常活跃,小组里互相争论,做不同的题目。
 
《科技导报》记者:照你们看,培养一个优秀科学人才的“关键”是什么?
 
温伯格:我想关键在于让年轻人停止当学生,开始成为物理学研究者。是的,每个人都从学生开始,你修课,教授告诉你读什么,给你问题,但是你知道他不会给你一个没有答案的问题,而且问题都与课上讲的有关系。在现实世界里却完全不一样。首先不知道问题在哪里,能不能解决也不知道,用什么办法解决更不知道。为了帮助学生完成这个转变,在一定阶段要停止上课式的教学,转到不按步就班的学习。还没有教学生A,B,C,……就要他们去学Q。到了发现为了学会Q必须懂得M时,才返回来学M。我自己有切身的体会。大学毕业后我到欧洲去了一年,原想带一些书到玻尔的研究所去读。去了以后,他就让我做α—粒子衰变有关的研究。那时我根本不懂原子核,就先学核物理,直到最后还没有搞清楚问题在哪里。后来又换了一位导师。做了一篇关于李 (政道) 模型的论文。这篇文章并不重要,大概总共被别人引用过两次。经过这一年,使我后来进普林斯顿大学当研究生时,就已懂得了重要的不是听课,而是要懂得更多的物理。通过研究来学物理。
 
《科技导报》记者:这样培养学生,对老师的要求更高了。有些国家的研究机构是与学校分开的。美国则大部分合在一起。你们觉得各有什么利弊?
 
温伯格:教研分开的制度是非常糟糕的制度!从两方面来说都不好。研究者失去了从与学生的接触中所得的启发。反复地向学生讲解自己知道的东西,这是非常有价值的。如果我失掉这个机会,我会感到非常遗憾。另一方面,教授不作研究就不能使学生了解学科的全貌,不能告诉他们什么问题已经解决了,什么问题还没有解决。我力图告诉学生哪些问题是复杂的,但不一定是最重要的,哪些问题是我自己也不懂的。我想教授应当给学生的不只是材料,而是一些关于学科状态的观点。我们站在什么地方?问题看上去是什么样,其实又是什么样的。这就是为什么教授自己一定要做研究的原因。有不少教授教量子力学,懂得量子力学的教材,但自己从未做过研究。这就失去了对这个领域的透视——什么是重要的,什么是不重要的。
 
二十世纪以来,美国很少有独立于大学以外的研究所,我们没有专做研究或专教书的教授。我最近访问了一个国家,物理系和物理研究所互不来往,教书的不被请去听报告,做研究的也不被请去讲课。
 
在波士顿,我们有哈佛、MIT、布兰戴、东北大学、波士顿大学等。人们总是从一个学术报告会到另一个。我想有些国家一个大学自己是一个世界,如果你在X大学作一个报告,同一个城Y大学的人就不来参加。Y大学要把你请去才行。最好的办法是让每一个人安排自己,并且决定我今天想去访问某大学的朋友,听听他们有什么想法。这些事不能由政府官员来计划,这是一种可能导致进步的积极科学活动。
 
《科技导报》记者:你的意见很有价值,谢谢。
 
温伯格:谢谢你们。
 
本文经授权转载自微信公众号“物理与工程”。



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