形上集

機會主義者

包立執著於科學理論不能脫離現象,以至與更偉大的貢獻擦肩而過。

撰文/高涌泉

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機會主義者

包立執著於科學理論不能脫離現象,以至與更偉大的貢獻擦肩而過。

撰文/高涌泉


包立公認是20世紀偉大的物理學家。他最重要、最為人所知的成就是1925年發表的「包立不相容原理」,在提出這個原理時,他還未滿25歲。這個原理是說,原子內沒有兩個電子能夠具有相同的量子數,也就是任何量子狀態至多只能被一個電子「佔據」。這個原理對原子的穩定性至關重要,這項發現讓包立獲得了1945年諾貝爾物理獎。在此之外,包立對物理學的重要貢獻還很多,例如提出自旋量子數概念、臆測微中子存在、證明「自旋-統計定理」、提出「包立順磁性」。


包立功績如此彪炳,並不令人意外。他在20歲即已發表數篇有見識的論文,以及一篇解說廣義相對論的長文,展現罕見的成熟與數理才能,因而受到愛因斯坦與魏爾的激賞,被當時行家視為理論物理的明日之星。


上世紀末,英國《物理世界》雜誌對全球130位頂尖物理學家做了問卷調查,據此統計出史上最偉大的10位物理學家。結果是愛因斯坦列第一,牛頓第二,海森堡列第五,狄拉克與薛丁格並列第八,而包立卻一票也沒得到。這種排名沒有太大意義,只能當趣談,但是它也的確凸顯了一件事:包立固然偉大,但還能更偉大。


包立於21歲獲得德國慕尼黑大學博士學位後,前往哥丁根大學擔任波恩的助理。波恩這麼評價包立:「自他來到哥丁根,我就知道他是天才,能和愛因斯坦相提並論。就科學家而論,他甚至可能比愛因斯坦更了不起,但他和愛因斯坦是完全不同類型的人,在我看來,包立還是沒能如愛因斯坦那麼偉大。」包立自己在過世前也曾感嘆:年輕時,自認在理論物理學者間,自己的數學最好,當偉大問題來臨,他會是解決的人,沒想到當偉大問題到來,解決它們的卻是別人。


為什麼包立沒能掌握歷史性的機會,把它留給了海森堡、薛丁格與狄拉克?我相信一個重要因素是包立在現象學上的成功(參見2018年2月號〈現象學家〉),讓他執著於「科學理論不能脫離現象」的原則,無意間低估了自己所擅長的數學進路的威力。我用一個著名的例子來說明這一點。


非阿貝爾規範場論是基本粒子標準理論的基石,這是由楊振寧與密爾斯首先於1954年所發表的理論,所以一般也稱「楊-密爾斯規範場論」。其核心概念是規範對稱,也就是這個理論的拉格朗日函數在非阿貝爾規範對稱變換下不會改變。楊振寧在其學術回憶錄中講了以下的故事:1954年2月底,楊振寧在普林斯頓高等研究院演講楊密理論,包立前來聽講。演講一開始,楊振寧才剛剛在黑板上寫下第一道方程式,包立就問,方程式中規範場的質量是什麼?楊振寧回說不知道,就再講下去,沒想到包立很快又問了一次,楊振寧就說這是很複雜的問題,他和密爾斯沒有明確的答案,包立即說這不是理由,楊振寧一時愣住,不知該怎麼辦,便停住坐了下來,場面有些尷尬。歐本海默出來打圓場,楊振寧才繼續講,但直到演講結束,包立再也沒有發言。


這個故事顯示包立早已思考過規範對稱的意義,了解規範場的質量是個關鍵問題,如果這個問題沒有解決,我們就不知如何利用規範場論來描述自然現象。楊振寧與密爾斯覺得這個理論非常美,應該發表,質量的問題可以留待未來處理。但對包立來說,僅僅美是不夠的,所以沒有發表手邊的相關筆記。包立的確眼光過人,卻拘泥於與現象的立即連結,以至與更偉大的貢獻擦肩而過。


愛因斯坦曾如此說明科學與知識論的關係:沒有科學的知識論是空虛的,而沒有知識論的科學是幼稚的。但他也說對於知識論者來說,「科學家就像是不擇手段的機會主義者」。包立當然也是機會主義者,但是對於如何在「經驗主義(現象為本)」與「理性主義(數學為本)」之間切換立場,他似乎無法「不擇手段」,沒能像愛因斯坦或海森堡那麼靈活。不知當波恩說包立和愛因斯坦是不同類型的人時,是否也包括這一點。


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