徐一鴻等三人對談：給年輕學者的研究建議_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！04-27 13:53
主持 | 樓宇慶
對談 | 徐一鴻 x 何紅建
整理 | 葉凌遠
物理學家的個性與物理學的發現
樓宇慶：我想先來問問徐教授，您當年是 Sidney Coleman 的學生，何教授之前也提到了 David Gross 和 Frank Wilczek，他們和 David Politzer 共同獲得了 2004 年的諾貝爾物理學獎。許多人認為，Sidney Coleman 當年沒有跟他們當共同作者一起在獲獎文章上署名，錯過了得諾貝爾獎的機會。從您的年齡推斷，您恰好是他們那個年代的物理學家，能否跟我們講一講其中的故事呢？
徐一鴻：這是很複雜的一件事，因為每個物理學家有不同的性格，Sidney Coleman 是一個很好的例子。Weinberg 講過，Sidney Coleman 是“physicists’ physicist”（物理學家裏的物理學家）。當時，也有人説他是當代全世界最聰明的物理學家。這些都不是謬讚，因為他總能一針見血地指出別人工作中最重要的見解。但另一方面，他也是一個非常“消極”的人。若你給他看一篇論文，他第一件事就是尋找其中的錯誤。與他同時代的物理學家 Sheldon Glashow 則相反。在我還是學生時，有一次碰到 Glashow，他跟我講他早上起來想到了十個點子！他非常激動地跟我分享這十個想法，但也同時説這十個想法裏面可能有九個都沒有意義，只有一個有一些意思。他會想出很多“怪招”“怪的想法”，這些想法很多都是錯的，但是 Glashow 獲得了諾貝爾物理學獎，而 Coleman 沒有，Sidney Coleman 是“從來不會錯的”。
我們再回到南部陽一郎的例子。現在的物理學家都用“Goldstone 玻色子”，但在我的書中我都使用“Nambu-Goldstone 玻色子”這一術語，因為南部陽一郎的文章中的確包含了這個想法。但如果你細讀，會發現他的文章是很“東方”的，講了很多不同的東西，用到了許多模型，但某種意義上沒有指明最重要的想法。然而，Goldstone 的文章很短，只有三頁紙左右，用最簡單的方法，指明瞭最深刻的見解。
樓宇慶：在之前的講座和討論中，您提到了很多例子，像 Planck 和 Bohr。包括 Pauli，他當年研究β-衰變時提出的中微子，也是很大膽的一個想法。而且，據説當時 Bohr 解決不了β-衰變這個問題時甚至還想到了是否能量會不守恆，這也説明 Bohr 的風格是比較“瘋狂”的，當然，他的這一想法後來被證明是錯誤的。再像 de Broglie，他從光波量子化產生光子的這一想法推廣到粒子也可以描述為物質波，這也屬於比較大膽的物理推測，但最後被實驗證實了。再包括 Uhlenbeck 和 Goudsmit 提出電子的自旋為二分之一，當年也遭到了 Pauli 的強烈反對。有時一個突破性的想法不會一提出時就十分完備，但好的想法總會揭示某些物理的本質信息。
徐一鴻：我想再指明一點，現在物理學界的環境已經非常不一樣了。以前的世界非常保守，而現在許多年輕物理學家太大膽了，發明了很多新的粒子、提出了很多新的猜想，完全走向了另一種極端。但他們沒有弄清這些猜想到底能解決什麼問題。
何紅建：樓教授提的這個問題很好，我也想做一些補充。之前兩位的討論提到了許多例子，首先是關於 β-衰變的。Bohr 當年的確是非常大膽，假定了能量守恆在量子力學中可以不成立，只在統計意義上成立。基於這些想法，Bohr 也作了許多報告，寫了不少文章。而 Pauli 則更加“保守”，他覺得能量守恆是更加基本的物理原則，不應違背，因此假設了中微子的存在。他當時覺得很內疚，因為這個新粒子不帶電，幾乎無法探測，因此只把這一猜想寫在了一張明信片上寄給參會者。我之前寫過一篇科普文章，分析了 Pauli 為什麼這麼“膽小”。我想，他沒有認識到能量守恆背後所對應的更加基本的對稱性原理，就是時間平移不變性。如果他認識到了這一點，我想他當年應該會大膽地寫文章，來闡明為何能量必須是守恆的，因而β-衰變的連續電子能譜恰好預示了一種全新的中性粒子的存在，其質量幾乎為零。在之前的講座中，徐教授也反覆強調精確計算和物理直覺這兩者的結合，我想 Pauli 提出中微子這一猜想是一個很好的例子。
另外，之前樓教授也提到了“ de Broglie關係”，我覺得這一關係的發現既有物理直覺的因素，也有數學理論框架的因素。我在講課時經常強調，這不應該被稱為“de Broglie關係”，應該稱為“Einstein-de Broglie 關係”，因為這一關係和光子 (光量子) 的情形是一模一樣的，唯一的推廣是將這一關係應用到質量不等於零的情形。在上世紀二十年代，狹義相對論閔氏空間的概念應該已經為人熟知了，若把能量和動量作為閔氏空間中的一個4-矢量，則 de Broglie-關係完全是狹義相對論時空洛倫茲變換協變性的必然結果。我仍然認為 de Broglie 的博士論文是有史以來最偉大的博士論文，但其中關鍵內容的基礎就是狹義相對論。然而，愛因斯坦沒能直接發現這一關係也與他的一個“過失”有關，愛因斯坦沒有意識到狹義相對論背後的數學基礎 (即洛倫茲羣) 的重要性。他充分認識到黎曼幾何對於表述廣義相對論的重要性，但是他卻沒有認識到、或者至少是大大低估了狹義相對論背後時空變換對稱性 (對稱羣) 的重要性。
徐一鴻：剛才兩位老師也講到自旋二分之一背後的故事，很多人都知道這最早出自於 Kronig。他告訴了 Pauli，但 Pauli 否定了他的這一想法。當時，另外兩個年輕人Uhlenbeck和Goudsmit也有同樣的想法，寫了文章發表。後來，遇到了Kronig，他告訴他們説Pauli説那是錯的。這兩個年輕人急急忙忙找上門要求退稿，卻來不及了。他們的老師Ehrenfest 跟他們説，你們都還年輕，因此犯幾次錯誤沒有關係。
從這個故事也能看出， Ehrenfest 和 Pauli 對年輕人態度的不同。我也想強調的是，這也與東方人幾千年來的文化有關。當你有一個好的想法，不要先跑去和老師或者所謂的權威講，要先寫文章發表，即使錯了也沒有關係，不然你的成果還可能被人偷去。
有關自旋二分之一這一點也讓我想起了和 Bohr 有關的一個故事。或許是因為 Lorentz 的生日，Bohr 要從哥本哈根坐火車去萊頓 (Leiden)，有名的物理學家都爭相跑去該火車沿途停站間問 Bohr 對自旋二分之一的看法。火車停之前，他都説自旋二分之一這一想法完全沒有道理。但是，到了萊頓之後，他問了 Einstein 同樣的問題，Einstein 則説這是一個了不起的革命性的想法。自此之後，再有人去問 Bohr，他改變了原先的説法，説這是一個了不起的革命性的想法，他也到處去宣傳這方面的工作。因此，我對 Bohr 的評價不是最高的。
樓宇慶：徐一鴻教授剛才也講到了 Planck 得到黑體輻射公式的例子。我過去模糊的印象是，Planck 是在得到實驗數據後通過經驗擬合得到的黑體輻射公式，但您比較強調的是他是通過某種量綱分析獲得的。我還是想問，Planck 當時獲得黑體輻射公式時具體的過程到底是怎樣的，特別是他是如何確定需要引入一個常數的？
徐一鴻：在我 Fly by Night Physics 這本書中，有一整章寫的都是有關 Planck 黑體輻射公式的。在我剛才的幻燈片中我的確有提到 Planck 對實驗數據瞭解得非常清楚，這一點非常重要。但他不是去嘗試對實驗數據進行擬合，而是想寫下他對黑體輻射的物理理解。但這是不可能的，因為缺少具有某一量綱的常數，因此他是被迫引入了這樣一個常數。這一步的確是偉大的，非常了不起。其實，Planck 本人還沒有非常瞭解黑體輻射的重要性，是 Einstein 向他解釋了他的工作對物理是非常重要的。
物理學家的自我評價與他人評價
徐一鴻：我還想講另一個與 Planck 相關的故事，或許對現在的年輕人也有一些借鑑。Planck 當時在找教職的時候，他一個位置也沒有申請到，因為每個學校都將他評為第二名，第一名都給了 Hertz，因為他實驗發現了電磁波。因此，Planck 當時非常沮喪，認為他在物理學領域沒有前途了。因此，對於找教職的年輕人，如果別人拿到了位置而你沒有拿到，不要太過於傷心。
何紅建：徐教授講的這個很有意思，我也想補充問一個問題。我最近看到一本書，書中 Weinberg 談到了他在哥倫比亞大學時的經歷。他最後沒能留在哥倫比亞大學，因為哥倫比亞大學把教職給了 Feinberg。Weinberg 自己回憶説那是因為當時Feinberg 寫了一篇更好的文章，而他那時還沒有相應的成果，因此就離開了。
徐一鴻：或許不同的人有不同的説法，但Weinberg曾經也對我這麼講過。他們兩人當時都是助理教授，李政道最後確定將終身教職給予 Feinberg，美國物理學界通常都説這是李政道最大的錯誤，因為 Feinberg 後來就沒有什麼貢獻了。我的書裏有一章也提到了 Feinberg 當時寫的那篇文章，這篇文章也完全是物理猜想。他們那時幾乎沒有任何數學手段去進行量子場論的計算，最後都是量綱分析加上很多猜測而已。但Feinberg就從這之中猜到了必須存在兩種不同的中微子，只有一種中微子是不可能的。
但若用“馬後炮”的眼光去看他這篇論文，我覺得他這篇論文沒有後來的人所説的這麼偉大，裏面也有很多不清晰、甚至混亂的觀點。
何紅建：這篇文章以及他的其他的文章引用率都不高，當然引用率無論高低都不應該成為評判一件理論工作真正價值的唯一標準。
徐一鴻：我最近為了寫書也閲讀了一些 Bell 不等式相關內容，2022 年的諾貝爾物理學獎也頒發給了實驗驗證 Bell 不等式的物理學家，可惜 Bell 已經去世了。Bell 最初發表這篇文章的兩三年，一個引用都沒有，發表之後十年大約也只有六、七個引用量。因此，年輕學生也要知道，如果你自己認為自己寫了一篇很重要的文章，即使暫時沒有人看到或承認你的工作，你也要有自信。當然，做到這一點是很困難的。
樓宇慶：説到 Bell 不等式，2022 年諾貝爾物理學獎得主之一是 John Clauser，他是哥倫比亞大學的博士生，他的導師是 Thaddeus，是天體物理學界非常具有威望的物理學家。因此，當初 Clauser 的博士論文做的天體物理相關的工作。但之後 Clauser 就特別感興趣 Bell 不等式的實驗驗證，Thaddeus 強烈反對，認為他瞎折騰。甚至 Thaddeus 在推薦信中寫，他要做的這件事是沒有希望的。當然，後來 Thaddeus 已經道歉了。Thaddeus 也是一個非常優秀的物理學家，但有的時候他們的判斷也會有很大的偏差。因此，Clauser 依然還能沿着他的興趣堅持下去，這是挺了不起的。
徐一鴻：我原本不知道這個故事，這個例子也很好。我通常對學生説，你們在等什麼？在等一紙文憑嗎？不是隻有拿到了那張紙才能發表論文，牛頓也沒有博士學位啊。無論你是本科生還是研究生，有了好的想法就趕快寫文章發表，不要先跑去請老師批准。這還鬧出過一個笑話，一箇中國大陸蠻有名的物理學家去問一個美國學者，將“我跟你請教”直接翻譯成了“please teach me”。美國學者以為他這個知識還不懂，就給他借了一本教材，讓他自己去讀，但事實上他已經做了許多研究了。
數學、理論物理與實驗物理
樓宇慶：Schrödinger 方程中將經典物理的物理量替換成算符後就能與量子物理對應得八九不離十，這件事太神奇了。我也想問徐教授，您研究理論物理這麼多年，像 Schrödinger 發明了 Schrödinger 方程，或者 Dirac 寫下 Dirac 方程，這些過程到底是有跡可循呢，還是真的是“神來之筆”？
徐一鴻：我對這件事有些不一樣的看法。Schrödinger 本來是要寫下一個相對論意義下的波動方程的，後來才覺得考慮經典極限就足夠了。在那個時代，很多人都寫下了類似的方程，因此事實上沒有那麼激動人心。Dirac 方程不同，某種意義上它的確是一個“神來之筆”。我們做理論的人對 Dirac 的認可可能比對 Schrödinger 的還要高，雖然對物理界整體來説，Schrödinger 方程更加重要。
事實上，Dirac 方程也是一個很好的例子。儘管 Dirac 寫下這個方程時不是在亂猜，但他寫出這一方程的出發點也幾乎完全是錯誤的。那時幾乎所有的動力學方程都是對時空的二階微分方程；如果你去閲讀 Dirac 的論文，他有一個論證為什麼要變成一個一階的方程，但他的論證完全是錯誤的。但他錯誤的出發點卻帶來了正確的結果。
因此我也時常跟學生講，物理和數學是不同的。物理發現不是基於嚴格的邏輯體系一步步推理得到的。何教授在之前的評論中提到有能同時做數學和物理的人，我完全不同意。在我教量子物理的時候，如果有人問我有關希爾伯特空間的問題，我總會説我不知道：希爾伯特空間與我無關，但量子物理我是瞭解的。如果你去問 Schrödinger 或者 Heisenberg 同樣的問題，他們可能在公開場合不會承認，但私下他們可能會和我講同樣的話。
樓宇慶：我印象很深的是，Dirac 大概是在 1928 年發表的 Dirac 方程的文章，幾乎在同一年，Rabi 就將 Dirac 方程應用於磁場下電子的運動。1932 年，Landau 寫了一篇相關的文章，現在我們通常稱其為 Landau 能級。我覺得 Rabi 很厲害，儘管他偏向實驗物理，但他對理論物理的追蹤仍是非常緊密的。趙忠堯先生當時也是做實驗物理的，他可能那時還不太瞭解 Dirac 的工作。他在實驗上發現反常 -射線的吸收後，也與 Anderson 討論過，尋找解釋這一反常現象的方式，但沒有更進一步。我想，如果他們當時在理論上再往前走一些，可能反物質的想法就會極其鮮明地顯露了。因此，對很多做實驗的人而言，理論的素養也是十分重要的。
觀眾提問
香港科技大學副教授王一：我讀過徐教授很多書，是徐教授的粉絲。我很認同應該強調物理直覺，但我接觸許多學生髮現，他們想得太多，算得太少，而且想得不靠譜，越走越歪，最後無法進行物理研究。請問如何讓同學清楚地認識到，自己缺乏的到底是對技術細節的掌握，還是缺乏思考呢？
徐一鴻：這個問題很好。如果真的要給學生什麼建議，我還是認為應該回到古希臘，回到蘇格拉底説的話：認識你自己。不説世界上，就是理論物理學界也有許多不同風格的人，你需要認識到自己的風格。這對於研究領域的選擇也十分重要，理論物理中有粒子物理、天體物理、凝聚態物理、等離子物理等等，你要自己認清哪一方向更能發揮你的潛能。我覺得這是對學生最重要的建議。
觀眾二：徐教授，您提到在課上獲得 A+ 沒有什麼意義，那您覺得本科的物理課程作用到底是什麼？您有什麼建議嗎？
徐一鴻：這也是一個好問題，我之前也想過。在學習數學證明時，我們知道了什麼是一個定理成立的充分必要條件。我認為，在課上拿到一個好成績是做物理研究的必要條件。如果你沒有學會課堂的知識，如何做好研究呢？但這不是一個充分條件，這是我想強調的。有一個好成績是你進入好大學、進入好的研究院讀研究生、進入好的課題組做博士後所必須的。但一旦跨越博士後這一階段，做研究有時和“買彩票”差不多。有一個好成績能夠使得你得到一張彩票券，但最後誰能贏得大獎，運氣會決定許多。
一個功成名就的物理學家面對訪問時可能有兩種回應。一種會承認自己的天才，認為自己比其他人都厲害。另一種人則如同實驗物理學家 Lederman 的回答，別人都以為他要回答是由於智商、勤奮等等，但他説自己獲得諾貝爾物理學獎有三個原因，第一是運氣，第二是運氣，第三還是運氣。這是真正誠實的物理學家的回答。我認為，到達某一個程度後，所有的理論物理學家都差不多，剩下則需要天時地利。比如我們剛才提到的 de Broglie，他就是天時地也利。剛才何教授説他非常了不起，但他之後也就沒有什麼貢獻了。他這個人也蠻奇怪的，甚至對理論物理在法國的發展產生了很負面的影響。我在法國待過幾年，比我年長的物理學家告訴我，他曾經不準別人學習量子物理。總而言之，運氣的確是一個很重要的因素。
觀眾三：徐老師説在教量子力學的時候，不關注其中的希爾伯特空間這一概念；但何老師説，愛因斯坦的失誤就是因為沒有關注狹義相對論背後的數學結構。作為學生，初學一門課程的時候是否要關注背後的數學結構呢？我目前的經驗是，身邊有部分同學學了很多的數學，因此他們對一個問題的認識就比我深刻，就這讓我很困惑，不知道應該怎樣學習一門課程，希望老師能給我一些建議和指點。
徐一鴻：我認為這個問題蠻難回答的，它依賴於你具體的專業和其他很多因素。例如，現在應用數學中有很多計算機輔助計算的技術，我完全不懂，但一些領域，例如流體力學、天體力學等，它們的課題可能對這樣的計算機計算是必要的。但另一些領域，例如弦論或粒子物理，幾乎不需要任何數值計算。然而，要研究粒子物理肯定需要學習羣論。因此，這個問題的答案取決於你的研究領域。
何紅建：我再補充一點。剛才徐教授談到有兩種研究領域，一種是純粹的理論物理，另一種是應用物理，甚至包括應用理論物理。一旦離開純粹理論物理的範疇，很多時候實驗和理論是一體的。例如我有好多做光學的同事，他們既做實驗也做理論計算，沒有將理論物理作為一個單獨的專業劃分出來。徐教授是理論物理學家，因此我想徐老師今天所講的更多是從純粹理論物理研究的角度出發的。以愛因斯坦為例，他毫無疑問是最偉大的理論物理學家之一，但他忽視了狹義相對論的數學基礎，反而過分強調了廣義相對論的數學基礎，因此如果你能在這兩者間找到一種平衡，肯定會更加成功。
另外，特別是涉及到做研究，很多事情是沒有唯一答案的。你是靠你的天賦，還是靠勤奮，還是靠運氣或機遇，這是很複雜的。我也問過一位很著名的菲爾茲獎得主，他説他不是天才，只是勤奮而已。他可能強調的是，勤奮到了一定的程度就會有靈感。但從另外一個角度來説，你若沒有一定的天賦，也不可能做出一流的工作。另外，徐老師之前提到的運氣因素也和很多事情相關。除了時間地點，還與你的思考方式有關。在相同的契機下，為什麼不同的人想到的是不同的方面，這與每個人的教育背景、思維習慣都相關。例如之前提到的 Gell-man 和南部陽一郎就是一個很好的例子。但另一方面，這兩個人也都有好的運氣，因為他們恰好處在提出夸克的年代。我唯一想強調的是，只有通過不斷地嘗試（practice），最終才可能做出好的結果。而要支撐你不斷的嘗試，你一定要有一個強大的興趣或動機，這樣才能堅持下去。而要獲得強大的興趣或動機，除了好奇心之外，一個很重要的因素是如果你有深刻的物理直覺，就有助於選擇和堅持正確的思路與探索方向。
觀眾四：有個問題想請教徐教授，藝術或文學如何幫助物理思維呢？
徐一鴻：我認為，藝術和文學能讓你成為一個更加完整的人，從這個角度而言它們有幫助。説它們對思考物理有什麼直接的影響，我想是誇大了。
觀眾五：我對物理真的很感興趣，但本科學習的是數學，請問我應該怎麼辦？
徐一鴻：每個人都有不同的興趣。我在唸本科時，在別人的影響下我第二年準備念數學，不念物理了，但讀了一年數學我自己就知道我不適合做數學。我再舉一個例子，我的朋友 Frank Wilczek，他在普林斯頓讀研究生時是數學專業，不是物理專業，他是從數學轉成了物理。他有一天跟我講，他每天晚上禱告時，都感謝上帝將他從讀數學轉向了讀物理。講到最後，我還是認為蘇格拉底的那句話最重要，你要認識你自己。
觀眾六：請問教授們有遇到過拋開數學後難以解釋的概念嗎？
何紅建：理解很多物理概念都需要物理上的直覺，但是隻有使用數學才能把物理概念定量表述出來，給出準確含義，使它可以被計算和測量。例如，加速度這個概念就是這樣，如果不使用微積分(微商)，你就無法準確定義和計算它。我對之前徐教授在演講中説到的很多內容也很有同感，對許多概念的理解需要的是你的直覺。若在沒有哈密頓量時你能把這個概念給想出來，這才是真正的突破。之前提到的 Laughlin 的例子也表明，這樣的突破跟大量的計算、嘗試也密切相關。他之所以有動力去做這麼複雜的計算，我想首先他知道這個問題的重要性，另外他對這個問題要有足夠的直覺，再加上他有足夠的決心。
樓宇慶：我也呼應一下之前徐教授提到的 Laughlin 的例子。之前李政道先生曾講過一個故事，他們當時做出宇稱不守恆時非常轟動，在 1957 年的一個統計物理的會議上，他作報告時沒人關心他講的統計物理的內容，全部關心的都是宇稱不守恆相關的物理。而有一個非常虔誠的聽眾坐在底下，就是 Bob Schrieffer，他可能受到了李政道講的統計物理的某種啓發，馬上就編出了一個波函數，一週後他們就發表了那篇經典的 BCS 理論的文章。因此，有時候聽了某個報告或其他的經歷能讓人獲得某種靈感。
觀眾七：我是非物理專業的學生，但對物理感興趣，應該如何學習物理呢？
徐一鴻：這個問題或許不是well-defined。比如我的專業是物理，但我對歷史感興趣，怎麼辦呢？我就多看歷史書就好了。若你對物理感興趣，就多看物理書，其他的我也不知道該如何回答。
樓宇慶：作為一個補充，Edward Witten 當年本科是學的歷史，也曾想學新聞，中間還幫人搞過總統競選，但最終轉到了對數學要求很高的理論物理的研究。
觀眾八：我讀過徐教授寫的三本 Nutshell 系列書籍，對理論物理很感興趣，請問徐教授之後是否還會出一本統計物理的 Nutshell？
徐一鴻：我寫了三本教材之後就寫了 Fly by Night Physics，是不大可能再寫一本統計物理的教材了。但我覺得統計物理應該有一本很薄的教材，因為我發現統計物理的教材有很多很繁雜的內容，儘管這些內容可能對應用很重要。我記得 Fermi 好像寫過一本很薄的統計物理教材，好像 Schrödinger 也寫過。我覺得統計物理是一個很美的領域。
結束語
樓宇慶：今天非常高興我們大家能聚在一起，聽徐教授講他的書Fly by Night Physics中最核心的內容和最關注的問題。徐教授之前也提到過，我們希望今天的聽眾，特別是學生，能理解到在課堂上拿到好成績是做研究的必要條件，但不是充分條件。書要念得好，要會計算，但學習物理的過程中更要培養物理的直覺，這也是徐教授寫這本書的動機。另外，徐教授還特別強調了解物理的歷史，以及不同物理學家的研究風格。如果能瞭解實驗和物理概念背後的演化、發展過程，當我們從事前沿的物理研究時或許也會有更多的靈感。
此外，今天也提到了東西方文化的差別，是否在關鍵的時刻能足夠“大膽”也很重要。面對榮譽時，有時西方人還是比東方人更具有“侵略性”，更渴望得到別人的認可。但話説回來，就像足球運動員一樣，為了贏球也會有很多犯規動作，但到最後我們還是更尊敬那些技術好球品也好的球員。希望大家能對這些有一個整體的瞭解，營造一個良好的學術環境。
出品：科普中國
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