形上集

向肯尼斯.威爾森致敬

2013-09-01 高涌泉
- 「只要問題有意義就應該投入」的執著與勇氣,是許多物理學家仰慕他的主因。


知名理論物理學家肯尼斯.威爾森(Kenneth G. Wilson)於今年6月15日過世,享年77歲。威爾森是20世紀下半葉少數極特立獨行而又有重要貢獻的物理學家之一,我知道物理圈內有不少人私下非常仰慕威爾森,所以在他過世的消息傳開之後,網路上很快就出現許多悼念文章;幾乎沒有例外,這些文章的作者都強調自己對於物理的體會受到威爾森深刻地影響,而且無論他們是否認識或見過威爾森,也都好像和他如熟識朋友般地親切稱呼他「肯.威爾森」。


粒子物理標準模型的創建者之一溫伯格比威爾森年長三歲,他在《紐約時報》的訃聞中說:「肯.威爾森是極少數改變了所有人想法的物理學家之一,這些想法並不僅是針對某些特定現象而已,而是關於範圍非常廣的各類現象。」美國麻省理工學院物理系教授威爾切克也說威爾森是「理論物理巨人」,他的工作「相當深奧」。


溫伯格所說的「範圍非常廣的現象」,從微觀的基本粒子現象到巨觀的相變化都包括在內;在威爾森之前,從來沒人想到這些從表面上看,差異極大的現象能夠被一個統一的觀點串聯起來。威爾森能夠見眾人所未見,關鍵在於他下了很大的功夫,挖掘出量子場論中所謂「重整化群理論」的精髓,才看出「重整化群」是很有威力的理論工具,可以解決像相變化與臨界現象等種種困惑物理學家已久的難題。為此,威爾森獲得了1982年諾貝爾物理獎。


為《自然》撰寫威爾森訃聞的芝加哥大學物理系教授卡達諾夫也對於威爾森有最高的評價:「他的重整化理論的影響遠超出任何單一科學領域。有人或許會爭辯說——而我完全贊同這種說法——適用於各種不同能量尺度、大小、聚合體的各式『自然定律』彼此之間的關係,正是物理這門學問的根源,如果這種講法成立,則威爾森為科學家提供了了解物理之基礎的單一最重要工具。」


重整化理論最初是由施溫格、朝永振一郎、費曼、戴森等人在1940年代,為了處理量子電動力學的問題而建立的。當時人們發現由於量子效應,很多物理量,如粒子質量或電荷,都應該是無窮大,這當然與實際情況不符。施溫格等人引入了裸質量與裸電荷的概念,很奇妙地將量子效應所引發的無窮大隱藏了起來,才計算出和實驗極為吻合的結果。儘管就預測物理量的目標而言,重整化理論非常成功,但其真正意涵還是很隱晦,例如費曼本人就承認他們只是把無窮大「掃到地毯下」罷了。量子大師狄拉克也曾抱怨重整化理論實在太醜了,沒有適當數學基礎,不然他就會接受它。


威爾森的洞見就是我們在計算中所遇到的無窮大,其實起自我們的野心過大——我們想要一次就把所有的量子漲落(振盪)處理完畢;如果我們把不同尺度下的量子漲落分開,一次處理一部份,無窮大其實不會出現;也就是說重整化過程要依尺度一層一層地處理。每一層的重整化過程就是一個所謂的「重整化群變換」,這些變換的集合就構成了「重整化群」。我們只要掌握了物理量在重整化群變換下的如何變化,就能夠了解整個理論。在臨界現象中,我們會遇上各種尺度的熱漲落,這些熱漲落類似於量子漲落,因此威爾森便可用相同的辦法來處理熱漲落,從而算出了如「臨界指數」等過去無從理解的物理參數。


 威爾森很清楚量子場論是困難的領域,因為之前已有太多高手都空手而回。但是他覺得只要問題有意義,就應該投入。他後來在諾貝爾演講中說:「我非常強烈地想研究量子場論,但是這樣一來就似乎無法很快發表論文,可是我卻發現自己還可以在沒有發表論文的情況下找到工作,所以我就不去擔心『不發表,就滾開』的麻煩。」顯然威爾森還是有貴人在支持他,才能成功,但是最先他如果沒有依著本心起步,外來的幫助也沒有意義。這樣的執著與勇氣,是讓很多人引他為榜樣的主因。


# 關鍵字:名家專欄物理形上集
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