施温格：晝伏夜出的QED敲門人_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！08-21 09:27
施温格是一位低調的天才物理學家，楊振寧曾評價他：“靦腆、博學、講精緻而流暢的英語，施温格是文化完美主義者的象徵，一位十分內向的高人。”施温格並不像費曼那樣聲名遠播，而他們同為那個時代頂級的物理學家（兩人同年出生），作為量子電動力學的奠基人，他們共同分享了1965年的諾貝爾獎。施温格還培養了大量優秀的學生，包括4位諾獎得主。當然，他也是頗具個性的——在晝伏夜出的日子裏，給物理學一點“小小的精確”。
撰文 | 一根弦
1948年1月，美國物理年會在哥倫比亞大學舉辦。一位身着正裝、頭髮梳得整整齊齊的年輕人在會上做了一篇題為“量子電動力學的最新進展”的報告。
顯然，聽眾對如此精彩的學術報告只講一次的行為不是很認同。在一片“One more time”的呼聲中，這位年輕人被要求換到物理系最大的教室，把剛才的內容再講一遍。沒過多久，美國物理學會把這位年輕人安排到了哥倫比亞大學最大的禮堂。很多聽眾慕名而來，把禮堂堵得水泄不通。在這種熱切的氛圍中，這位年輕人不得不把報告又講了一遍。
在這場物理學盛會上完成“帽子戲法”的年輕人就是量子電動力學（Quantum Electrodynamics, QED）的奠基人之一——朱利安·施温格（Julian Schwinger）。
神童與伯樂
1918年2月12日，朱利安·施温格出生在紐約一個猶太裔家庭，父母是從波蘭移民到美國的服裝商人。朱利安有個年長他7歲的哥哥——哈羅德（Harold），後來成為了一名律師。施温格從小就對哥哥非常崇拜。或許是朱利安性格和温順、沉默寡言，熟悉兄弟倆的人普遍認為哈羅德比朱利安聰明，即使後來他拿了諾貝爾獎大家也沒改變這種看法。
1929年美國經濟大蕭條對施温格的家庭造成了巨大沖擊，原本富庶的家庭開始走下坡路。有一次，年幼的朱利安因為沒錢乘坐公交車，在大街上嚎啕大哭，最後被好心人送回了家。
施温格在很小的時候就展現了驚人的天賦。他連續跳級，1932年施温格進入湯森德·哈里斯公立高中學習。顯然，這所位於紐約皇后區的“人大附中”秉承了“不好好學習就去隔壁”的傳統：紐約市立學院對湯森德·哈里斯高中的畢業生照單全收，還提供全額獎學金。就這樣，1934年高中畢業的施温格進入紐約市立學院（New York City College）。很快，他就發表了第一篇學術論文, 這一年施温格17歲。
如果你把施温格想象成傳統意義上的好學生，那可就大錯特錯了。事實上，進入大學後的施温格很快就開始了晝夜顛倒的生活（這樣的作息規律伴隨了施温格一生）。施温格幾乎從不去上課，學習成績不能説是名列前茅吧，至少也是一塌糊塗。當然，施温格晚上不睡覺並不是打遊戲（那時候也沒有）或者去酒吧happy, 而是在研讀前沿的物理論文。很快，施温格遇到了影響他一生的伯樂。
施温格的哥哥哈羅德有個室友叫莫茨（Lloyd Motz），當時莫茨在哥倫比亞大學讀博，順便在紐約市立學院代課掙外快。莫茨後來成了一名天文學家。在哥哥的引薦下，莫茨認識了施温格，莫茨看到施温格骨骼清奇，所以在哥大聽學術報告時常常帶着施温格。
有一次，拉比（Isaac Rabi，1944年諾貝爾物理學獎得主）看到坐在最後一排沉默不語的施温格，好奇地向莫茨打聽，問道：“這個坐後排老打瞌睡的小孩兒是你帶來的？”莫茨説：“是啊，這孩子可是個人才。”
（順便提一句，大家對拉比可能比較陌生，但你一定聽説過醫院的核磁共振，其基本原理是拉比發現的。）
一次偶然，拉比在走廊裏跟別人爭論起愛因斯坦剛剛發表的EPR佯繆問題，幾個人發現其中一個物理量怎麼也算不對。恰好路過的施温格停了下來，聽了一會兒，對拉比説道：“這個簡單，用量子力學的完備性就能搞定。”幾個人按照施温格的指引算出了正確的結果。慧眼識珠的拉比馬上意識到施温格是個難得的人才，愛才如命的他下定決心把施温格從市立學院轉到哥倫比亞大學。可轉學的時候，拉比遇到了麻煩。
拉比遇到的麻煩很簡單——施温格的成績單實在是太爛了，市立學院的人倒是同意放人，但哥倫比亞大學不想收。拉比不得不去跑去跟哥大招生辦argue, 他對招生辦的人一頓輸出，想讓招生辦把施温格當棒球特長生招進來，結果沒有奏效。情急之下，拉比帶着施温格找到了當時正在哥倫比亞大學訪問的漢斯·貝特（Hans Bethe，1967年諾貝爾物理學獎），並給他看了施温格未發表的文章。很快貝特為施温格寫了一封很長的推薦信，推薦信的末尾，貝特預言施温格未來將會成為一名出色的物理學家。憑藉貝特在物理學界的名聲和威望，施温格獲得了轉學的機會並拿到了獎學金。
哥大歲月
就這樣，1935年9月，施温格開始了他在哥大求學的生涯。拉比給施温格約法三章，讓他好好學習，不再逃課，爭取做個“三好學生”。剛開始幾個星期，施温格乖乖聽話。可沒過多久，施温格把拉比給的忠告忘到九霄雲外，重新回到原來的生物鐘去了。
施温格討厭那些實驗物理學和一些無關緊要的課程，認為它們都是阻礙他學物理的無聊玩意。為了更好地逃課，施温格索性把起牀的時間一推再推，一直等到所有課程都結束後的下午6點再起牀。
施温格本科畢業的時候，拉比力薦他拿Phi Beta Kappa獎（幾乎是美國本科生的最高榮譽），遭到了大家的反對，原因還是他那慘不忍睹的成績單。就在拉比舌戰羣儒的時候，系主任用一句話停止了大家的爭論：“在座的諸位這兩年哪個人paper發得比施温格多？”最後大家同意把獎給施温格。
在進入哥倫比亞大學2-3年後，施温格提交了博士學位的答辯申請，但遭到學校拒絕。與很多博士生因為文章數量不夠或質量不達截然不同的是，此時施温格已經發表了10多篇學術論文，而且早早就把博士論文寫完了。學校拒絕施温格博士學位的理由是學分沒修滿。事實上，施温格在哥大期間從開始的逃課發展到了索性不去參加期末考試了。施温格的困境傳到了烏倫貝克（George Uhlenbeck）耳朵裏。
烏倫貝克是電子自旋概念的提出者之一（數次提名諾貝爾獎但遺憾未能獲獎），1938年他受邀從荷蘭來到美國紐約，在哥大當客座教授，期間教統計力學。施温格選修了這門課（為了湊學分），照例一次課都沒去過。烏倫貝克欣賞施温格的才華，在他得知施温格拿不到博士學位後，主動找到拉比，對他説：“反正我也教課，直接給施温格一個A算了，這樣他就能拿到學分了。”拉比愛才不假，但他也很堅守原則，並沒有同意烏倫貝克的提議。他對烏倫貝克説：“請給他單獨準備一次口試，題目出最難的，他都能做出來。”口試時間最初定在上午8點，因為施温格起不來牀而推遲到了10點鐘。口試結束後，烏倫貝克大為驚歎——施温格不僅做出了所有的題目，而且和烏倫貝克用的方法一模一樣，彷彿施温格從未缺席過課程。
當然，不是所有的老師都像烏倫貝克一樣欣賞施温格的才華。有位作維克多·拉莫爾（Victor LaMer）的化學家，上課和考試全都用一套自己發明的符號體系，從來沒去上過課的施温格吃了大虧，成績被給了一個F（Failed/不及格）。1948年施温格在美國物理年會上一戰成名後，拉比和同事一起走路時遇到了拉莫爾，拉比故意對同事説：“有個人真是了不起，同一個報告被要求做了三次。”最後引得拉莫爾教授問了一句，“這人是誰啊？” 拉比抓住機會，立馬説到：“嗷，這人你認識，叫施温格，就是你給他F的那個學生。”
也許是對於呆板學分制度的厭惡，施温格在回憶自己這段哥大歲月時，説他在哥大幾乎什麼都沒學到，自己進哥大前就已經掌握了足夠的知識。
1939年，（終於拿夠學分的）施温格以題為“On the magnetic scattering of neutrons”的論文通過答辯，獲得了博士學位，時年21歲。毫無疑問，施温格的博士導師是拉比。
和平主義者
博士畢業後，施温格去到加州大學伯克利分校，跟隨奧本海默（J. R. Oppenheimer）做研究。1941年，施温格加入普渡大學。
隨着美國1941年底被捲入二戰，美國人民的生活都或多或少受到了影響，施温格也不例外。從施温格博士論文題目不難看出，施温格在哥大時的研究主要集中在核物理方向。1941年到1945年的美國，基本上跟物理學沾邊兒的人都被拉到洛斯阿拉莫斯搞原子彈了，施温格這樣專業對口的人本應該參與其中的。但當施温格得知曼哈頓計劃是在“製作一種破壞性武器”時，愛好和平的他決定去麻省理工學院（MIT）輻射實驗室研究雷達。畢竟，雷達是防禦性技術，這樣對和平主義者施温格算是內心的一種慰藉。恐怕施温格自己也沒想到的是，正是這一選擇改變了他的一生——他在雷達實驗室工作期間為了計算複雜天線系統而發展起來的數學方法，在量子電動力學的重整化中起到了很大作用。
在MIT輻射實驗室期間，施温格憑藉其紮實的數理功底成為了理論組的leader。可leader歸leader, 絲毫沒有改變施温格晝伏夜出的習慣。他仍舊下午6點鐘起牀，吃晚飯的時候和同事討論一些問題，然後一個人去實驗室裏工作，而白天同事來到實驗室他回家睡覺。
由於極少能碰到他，想請教他問題的同事只能通過“留紙條”的方式——他們把問題寫在便籤紙上並留在施温格的座位上，提問的同事總能在第二天的早上收到滿意的答案。
相傳有一次，有個年輕人留了張紙條上，問了一個關於貝塞爾函數性質的問題。幾天後，他在工位上收到了來自施温格的回答——一篇長達40多頁的算稿。年輕人很鬱悶，但還是一點兒一點兒啃下去，結果啃到一半，發現有一處自己計算的結果和施温格寫的不一樣。施温格的數學是出了名得好，年輕人認為是自己算錯了。這樣又算了一星期後，年輕人的結果和算稿上的結果還是對不上。後來，年輕人鼓起勇氣找到施温格（可能還要等到施温格晚上來實驗室），施温格看後發現是自己寫錯了。他吐了吐舌頭，不好意思地説道：“這段是抄了某某書上的，看來書也不可信啊，早知道我就自己推了。”
為了讓施温格能更多地跟同事交流，輻射實驗室的主任規定每週舉行一次seminar,時間定在下午4：30。施温格為了趕上seminar不得不早起兩個小時，每週4：30大家就會看見氣喘吁吁的施温格跑進會議室，也算是雷達實驗室特有的一道風景了。
二戰結束後，1945年，施温格沒有選擇回到普渡大學。他來到哈佛大學，開始又一段研究生涯。施温格去哈佛謀取教職，據説是和當初給他寫推薦信的漢斯·貝特競爭，最後施温格勝出。不知道當時貝特作何感想（心疼老貝一分鐘）。
QED敲門人
1947年6月，一幫西裝革履的人聚集到紐約長島東端一個叫謝爾特島（Shelter Island）的小鎮上，打破了這裏久違的寧靜。由於來的人大多數參加過曼哈頓計劃，因此小鎮的居民都在傳言美國軍方又要整大活兒了。
實際情況是他們來到這裏準備召開一場討論量子力學基礎問題的會議，和武器製造沒有關係。施温格詼諧地評價這次會議：“這是[太平洋戰爭以來]五年來，物理學家第一次可以在沒有監視的情況下自由地討論問題。”
從量子力學發展史上，謝爾特島會議的地位不亞於知名度極大的索維爾會議，這場會議直接導致了量子電動力學（QED）的產生。
具體説來，在這次會議上有兩項重要的實驗結果被理論物理學家關注並重視。第一個是蘭姆（Willis Lamb）彙報了實驗上一項重要發現：
會議結束後，施温格並沒有着手研究，而是先去度了3個月的蜜月（謝爾特島會議是在施温格結婚前一週舉行的）。蜜月結束後，施温格投入漫長且複雜的計算中，利用重新定義電荷和質量的方式（這種方式今天被稱為“重整化”）得到了蘭姆位移和電子的反常磁矩的結果，並且和實驗高度吻合。
以現代場論觀點看，施温格的計算本質對應到費曼圖中的一圈圖。時至今日，一圈圖的計算幾乎成為了高能物理研究生學習量子場論時的必修課。施温格沒有費曼圖，他靠微擾論展開一項一項算完了所有的項，人們驚歎於施温格的計算能力——這麼長的計算居然沒有一處錯誤。
另一個不爭的事實是：施温格的方法才是物理界的正統思想，儘管那時候費曼已經發表了費曼圖的技術，當時的人們完全沒法接受這些看上去更像是為了猜出問題答案而畫出的塗鴉，甚至連費曼本人都沒有辦法解釋清楚費曼圖計算規則（即費曼規則）的根源。
這種尷尬的局面直到1948年10月被打破：戴森（Freeman Dyson，絕對的猛人）完成了“ The Radiation Theories of Tomonaga, Schwinger, and Feynman”，證明了施温格、朝永振一郎（Tomonaga Shin’ichirō, 1906-1979）和費曼三者理論的等價性，人們才開始逐漸接受奇形怪狀的費曼圖。
1965年諾貝爾物理學獎授予施温格、理查德·費曼和日本物理學家朝永振一郎，以表彰三人對量子電動力學中的基礎性貢獻。
公正地説，施温格的諾獎是板上釘釘的事，費曼和朝永振一郎能拿到諾獎真的要感謝戴森。後代的物理學家同樣要感謝戴森，如果沒有費曼圖，場論的書至少比現在厚三倍。
施温格本人發表的文章從來不用費曼圖，而且他在課題組內也不允許自己的學生使用費曼圖，但他的學生曾發現施温格私下偷偷用費曼圖（真香定理）。
毫不誇張地説，施温格是20世紀40-50年代歐美物理學研究的中心人物。縱觀施温格一生，他總共指導了70多名博士生，其中4人後來獲得了諾貝爾獎，包括三位物理學獎得主和一位化學獎得主。分別是：格勞伯（Roy Jay Glauber，2005年諾貝爾物理學獎）、莫特森（Ben Roy Mottelson，1975年諾貝爾物理學獎）、格拉肖（Sheldon Glashow，1979年諾貝爾物理學獎）和科恩（Walter Kohn，1998年諾貝爾化學獎）。
非主流物理學家
在量子電動力學上獲得極大成功後，施温格萌生了重新書寫QED理論的想法，這就是所謂的Source theory，施温格的這一想法最終沒能成型。
1972年，施温格從哈佛辭職，轉向加州大學洛杉磯分校（UCLA）任教。從哈佛離開後的施温格的研究開始越來越遠離主流物理學界。
1989年，施温格開始着迷於冷核聚變，他一口氣寫了8篇文章來論述自己在冷核聚變的研究，結果文章被拒絕發表。審稿人在拒信中生硬地寫道，“沒有一個核物理學家會相信論文中提到的效應”，施温格直接回懟道，“我就是核物理學家！”
充滿侮辱性的拒信讓施温格認為學術自由的風氣已經不在了，一怒之下他退出美國物理學會。
1994年7月16日，施温格因胰腺癌在洛杉磯與世長辭，享年76歲。他的墓碑上鐫刻着α/2π，這個公式對應着電子反常磁矩，標誌着埋葬在這裏的人第一個給出瞭如此精確的計算結果。
對於一生鍾愛數學的施温格，這樣簡潔的墓誌銘或許就是最好的人生腳註吧。
參考文獻
[1] 維基百科：施温格，https://en.wikipedia.org/wiki/Julian_Schwinger
[2] 諾貝爾獎官網上施温格的介紹：
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/schwinger/biographical/
[3] 施温格傳記：Julian Schwinger Biography - Childhood, Life Achievements & Timeline
[4] 台灣中原大學高崇文教授對施温格紀念文章：《21歲交出14篇論文，晝伏夜出的天才物理學家許文格》，https://www.thenewslens.com/article/91852
[5] http://scihi.org/julian-schwinger/
本文原發表於知乎，經作者授權轉載於《返樸》，略有改動。
作者簡介
一根弦。中關村文理學院非優秀畢業生，博士期間主業發展原子核集體激發態理論，副業打聽八卦新聞。因帝都房價高企加上錯信IT高薪傳聞，誤入碼農行列，逃離北京來到卷都杭州。除全職工作外，分別在知乎以“一根弦”和B站以“一根弦肥二"的網名挖掘和寫作物理學家，並以此為樂。