保持现实态度和（因此而）适当的谦虚——换句话说，在与自然界对话中，精心制作我们可以肯定回答的一些重要的子问题，并不是太容易。在这种艺术中，费米是一位天赋的大师和伽利略的当之无愧的继承者。
撰文 | 维尔切克（美国麻省理工学院教授、2004年诺奖得主）
翻译 | 丁亦兵 乔从丰 李学潜 沈彭年 任德龙
丁亦兵、乔从丰、任德龙，中国科学院研究生院；
李学潜，南开大学物理学院；
沈彭年，中国科学院高能物理所
5 量子场要素I 从定域相互作用到粒子/力（实和虚）
尽管费米关于b衰变的工作是典型具体的和重点突出的，他隐含地为量子场论设定了一个非常宽泛的动机。他强调相互作用量子场论的抽象原理和自然界的一个最基本方面，即粒子产生和消灭过程无处不在的直接联系。
定域相互作用需要同一点场算符的乘积。当场都被展开为产生和湮灭算符相乘模式时，我们看到这些相互作用对应于粒子可以产生、湮灭或变成其他种类粒子的过程。当然，这种可能性在最初的量子场论即量子电动力学中就出现了，其中首要的相互作用来自于电子场、它的厄米共轭和光子场的乘积。光子被电子（或正电子）辐射或吸收的过程以及电子-正电子对的产生过程，都包含在这个乘积中。但因为光的放射和吸收是如此常见的过程，而电动力学又是这样一个特别的、熟悉的经典场论，所以形式和现实之间的这种对应最初没给人以深刻的印象。
量子场论描述粒子转化过程的潜力的第一次有意识的开发，是费米的b衰变理论。他打破了常规，从观测到的粒子变换过程推论出场的基本定域相互作用的性质。费米的理论不仅包括光子的产生和湮灭，也包括作为“物质”的组成部分的原子核和电子（还有中微子）的产生和湮灭。由此，它开创了包含稳定个体粒子的经典原子论被更深奥、更精确的图像代替的过程。在这个图像中，只有场，而不是它们产生或消灭的个体粒子，是永恒的。
这个观点从它与量子场论的第二个普遍推论的联系，即力和相互作用与粒子交换之间的联系增强了能力。当麦克斯韦完成电动力学方程时，他发现它们支持无源的电磁波。经典电场和磁场呈现出它们自己的生命。带电粒子之间的电力和磁力被解释为一个粒子作为电场和磁场的源，然后这些场影响其他粒子。依据如量子场论中所呈现的场和粒子的对应，麦克斯韦的发现对应于光子的存在，力凭借媒介场产生对应于虚光子的交换。
力与粒子之间的联系是量子场论的普遍特征。“实”粒子是场的激发，能够被有效地视为独立实体，典型地是因为它们具有适当长的寿命，并可同其他激发在空间上分开单独存在，使得我们可以将它们与确定单位的质量、能量、电荷的输送联系起来。但在量子场论中所有的激发也都可以作为短寿命的涨落而产生。这些涨落在我们所认为的真空中不断发生，因此物理学家关于真空的观念，远远不是简单的什么都没有。实粒子的行为会受到它们与这些虚涨落相互作用的影响。根据量子场论，确实如此。所以观测到的力应该归因于量子场的涨落——但这些场也支持真正的激发即实粒子。实实在在的粒子和它们的“虚”的同胞就如同一个硬币的两面一样不可分离。这种联系被汤川用来根据核力的力程而推出π介子的存在和它的质量。（汤川是从考虑是否交换虚的、费米的b衰变理论中的电子和中微子作为核力的原因开始他的工作的！在证明了这些虚粒子给出的力实在太小以后，才导致他引入了一种新的粒子。）最近它又被用来在弱相互作用中在观测之前推论出W和Z玻色子的存在以及其质量和性质，在QCD中用来在观测之前推出胶子喷注的存在和特性。
这一系列的相关的思想，对我来讲成为了20世纪物理学至高无上的光荣，都是围绕着费米的b衰变理论成长起来的。我的标题《费米及物质的解释》有两层含义。因为费米最出色的洞察力，精确地讲，就是认识到了物质和光的深刻的共性。
6 核 化 学
具有与b衰变非常不同特性的另一大类核嬗变，是那些不包含任何轻子的过程。用现代语言来说，这些是靠强相互作用和电磁相互作用来传递的过程。它们包括重核的碎裂（裂变）和轻核的结合（聚变）。这些过程有时被称为核化学，因为它们可被描述为现有的一些成分——质子和中子——的重新排列，这与普通化学可被描述为电子和原子核的重新排列的方式相同。用这种术语，把b衰变称为核炼金术会是很自然的。
费米领先于其他所有人发现了开发核化学实验研究的技术。这就是慢中子进入并激发核靶的巨大能力。费米认为这是他的最重大的发现。在一次与S·查德瑞斯克哈的会见中，他这样描述它：
我将告诉你，我是怎样做出我认为是我所有的发现中最重要的这个发现的。当时我们正在非常辛苦地研究中子诱导的放射性，而我们正在得到的一些结果却毫无意义。一天，当我到了实验室时，我忽然想到我应该考察一下将一块铅置于入射中子前面的效果。与我的通常习惯不同，我费了很大力气将这块铅精细地加工好。显然有一些事让我不满意：我试了各种各样的借口拖延把铅块放到它位置上，当最后，有点勉强地要把铅块放上时，我自言自语道：“不，这里我不要一块铅，我需要一块石蜡。”就像这样，没有事先的预兆， 没有任何有意识的事前推理。我立刻拿了一些零碎石蜡块把它放到曾准备放铅块的地方。
关于他如何以超乎寻常的喜悦和干劲鼓动在罗马他的小组，运用他的这个无意中的发现，有过一些精彩的描述。
这里我将不去重述这个故事，也不重提以原子弹工程开始的核技术史诗般的传奇故事。我们仍然在屈服于核武器的毁灭性潜力，而且只不过刚刚开始利用核能资源。
从纯物理的观点看，费米在核化学方面工作的意义是首先表明原子核可以有效地被描写为复合体，在其中尽管质子和中子紧密接触，但却保持它们的个体性和其他一些性质。这个观点在梅耶和詹森的壳模型中发挥极致。非常著名的，费米曾帮助启发了梅耶的工作，特别是，建议了自旋-轨道耦合的重要性，这被证明很关键。梅耶描述相互作用很强的量子系统的独立粒子模型的成功，激发了关于多体问题的深入的工作。它也为夸克模型提供了知识背景。
7 最后的洞察和想象
随着核化学的发展清楚表明不同的原子核是由质子和中子构成的，而b衰变理论的发展证明质子和中子可以相互转化，我们的问题2，即理解世界的组成，成为明显的焦点。具体地，把元素的起源作为一个科学问题提出成为了可能。费米对于他的工作所开创的这种可能性非常关注。他同特克韦奇一起，对伽莫的“伊伦”（译者注：伊伦为宇宙演化论中所假设的最原始物质）建议进行了广泛的讨论，该建议认为元素是从处于一个热的、急剧膨胀宇宙中仅有的中子开始，通过连续的中子俘获而形成的。他们正确地确认了这个观点的主要困难，即在原子序数5处的不可逾越的空缺，那里没有合适的稳定原子核存在。然而几乎就是沿这些路线，可构建一个丰富而详尽的元素起源的描述。在A=5处的费米-特克韦奇空缺反映在了观测丰度中，其中少于1%的宇宙化学属于这样的原子核，它是天文学家的“金属”。超越A=5的那些元素（除了很小量的7Li以外）均以不同的方式在给行星提供能量的那些反应中产生，在超新星爆发时，通过风或许最后的加热，重新被注入回循环之中。大爆炸核合成的正确的初始条件也假定了高温下的热平衡，并非都是中子。尽管他没有最终走到那一步，费米预想到了这块宝地。
在观测、整理、甚至控制核过程方面的所有这些进展主要都基于实验工作。用来使实验资料相互关联的那些模型综合了相对论运动学和量子力学基本原理，而不是从一整套基本方程导出的，实验研究表明低能时原子核之间的相互作用极为复杂。它以完全纠缠的方式依赖于距离、速度和自旋。可以用一套依赖于能量的函数——“相移”——将实验结果参数化，但这些函数没显示出明显的简单性。
高能理论独树一帜的胜利是汤川π介子的发现。这个粒子，连同汤川理论假设的简单定域耦合，可以半定量地解释核力的长距离尾巴。它会提供全部答案吗？没有人能肯定告诉你，必要的计算太难了。从1950年左右开始，费米关注的主要焦点是π介子-核子相互作用的实验研究。可以说，它们可能仅仅在解释上有一点点困难，因为它们已接近汤川秀树理论的核心元素。但π介子-核子相互作用也被证明极为复杂。
随着观测现象复杂性的增长，费米开始怀疑汤川理论的适用性。没有人能够精确地计算出该理论的结果，但是观测现象的不断丰富逐渐削弱了假设用类点的质子、中子和π介子可以达到强相互作用物质最深层次理解的基础。存在一些导致怀疑的更深刻的原因，它们来自于对问题2的相当满意的考虑。μ子的发现，是宇宙射线事件中有更多新粒子（最后演化到我们的K介子）的征兆，它与熟悉的核子、电子、光子、加上中微子和π介子一起，显示了“基本”粒子的迅速扩张。它们彼此之间都以复杂的方式相互转化。能否应用量子场论具有的转换能力的特点，为这个扩张分离出一种简单的基本成分——很少的、真正更基本的构件呢？
在他后来的一件理论工作中，与杨振宁一起，费米提出了汤川理论一个非常好的替代理论，它会使粒子开始减少一些。他们建议，π介子根本不是基础的和基本的，而是一个复合粒子，具体地讲，是一个核子-反核子束缚态。这是继核的壳模型之后的思想的重要的外推。此外，他们提出，基本的强相互作用就是我们今天所称的核子场的四费米子耦合。π介子是作为这种相互作用的结果产生出来的，而汤川理论作为一种近似——是我们今天所称的一种有效场论。费米-杨理论中的这种基本相互作用，与费米的b衰变理论中出现的相互作用具有相同形式，尽管当然相互作用强度以及所包含的场的特性是完全不同的。在杨振宁对这个工作的详细描述中，他说到：
正如在这篇文章中清楚地阐述的，我们确实没有对我们所建议的东西会实际上对应着真实的实际抱有任何幻想。……然而，费米说过，学生求解问题；而科研工作者提出问题……
确实，他们建议的细节并不对应于我们的现代理解。特别是，我们已经学会适应粒子的迅速增加，只要它们的场由对称性关联起来。但是费米和杨所提出的那些问题中的一些——或者，我认为，他们隐含地启示的一些方向——回顾起来，都是富有成效的。首先，整篇论文牢固地置于相对论量子场论的框架内。它的目标是，本着量子电动力学和费米β衰变理论的精神，探索这个框架的可能性，而不是推倒它。例如，当时反核子的存在还没有被实验证实。然而，反粒子的存在是相对论量子场论一个普遍推论，因而鲜有批评地被接受了。第二，以重得多的组分构建轻粒子是创新性的观念。它是通过结合能使质量降低的一种极端外推。今天我们沿着这同一路线走得更远，把无限重（禁闭）的夸克和胶子束缚为观测到的强相互作用粒子，包括π介子和核子。第三，也是最深刻的，强相互作用和弱相互作用，尽管具有非常不同的表观特征，但在其基本机制上深刻相似的可能性被预料到了。这样一种众所周知的机制的存在，它源于后来由费米的合作者发现的概念——杨-米尔斯理论，正是称之为标准模型的现代物质理论的一个核心特征。
在他的另一件最后的工作中，与帕斯塔和乌拉姆一起，费米热情地抓住一个探索的新机遇——正在形成的快速的机算能力。以他对未知的和可达到的边界的直觉，他选择重新处理一个曾是他最早论文之一的主题的、经典的、基本问题，即在多体系统中趋近平衡态的问题。统计力学标准的有效假设是，平衡态是默认选择，在任何复杂系统中都会很快达到，除非一些简单的守恒定律禁戒它。但它的证明是出了名的难懂。费米想通过一些可以控制的数值实验来探索这种情形，在那里复杂程度可以变化。具体地，他把各种适当数目的定域耦合的非线性弹簧耦合在一起。一件令人难以置信的、惊奇的事情出现了：趋向平衡态的路径远非平凡，存在一些新出现的结构，可以无限期保持的集体激发。在这个工作中预示了孤子的话题，后来被证明是广泛存在的而且硕果累累。然而随之出现了一个深奥但有些含糊不清的问题，它对充分理解自然界起核心作用，这就是一些有序结构是怎样从简单的均匀规律和最小结构的初始条件发生的。
并非巧合地是，同样的数学结构——定域耦合的非线性振子——在相对论量子场论中处于基础地位。确实，如我们所见，这正是费米从一开始到达这个课题的方式。在现代QCD中，这些新的结构是质子、π介子和其他强子，它们很好地隐藏于夸克场和胶子场的“弦”中。费米所开创的那种数值工作仍然是我们研究这类结构的最可靠的工具。
显然，费米正在把物理学引向生机勃勃的新方向。他的突然辞世，对我们这个领域是莫大的损失。
8 费米作为启示：激情和风格
纵览费米的整体成就，会感受到一种特殊的激情和风格，在现代物理中独一无二。显然，费米热爱与自然界的对话。他或者可以如我们刚讨论过的那些求索过程中用他自己的质疑方式，或者像他在核嬗变及π介子物理的近乎苛刻地系统的实验研究中以耐心收集事实的方式，回应自然界最深刻的奥秘。但是，正如这本书收集的许多费米的故事所证明的，在解决或者只不过解释了自然界一些比较简单的难解之谜时，他也会非常高兴。
费米解决了知识前沿的一些野心勃勃的问题，但却总是那么现实和谦虚。他的科学风格的这些方面，流露在他去世前不久写就的珍贵的“方法论”见解之一中：
当汤川理论最早提出时，存在着一种合情合理的希望，即所包含的那些粒子，诸如质子、中子以及π介子都可以合理地被认为是基本粒子。但随着新的基本粒子被快速地发现，这个希望越来越失去了它的基础。
很难说未来的路将会是什么。人们可以回到这本关于方法的书（我怀疑许多物理学家是否会真的这样做），在其中将会学到必须获得实验数据、搜集实验数据、组织实验数据、开始做一些有效假设、力图把它们关联起来，如此等等，直到一个模式终于涌现，那时人们只须挑选出结果。也许在没有任何更好的情况下，教科书中传统的科学方法是最好的指导……
当然，也许不久有人会得出介子问题的一种解，并且实验结果会证实理论如此多的细节特征，以至于对每人来说它显然都是正确的。这种事过去曾经发生过。它们可能会再次发生。但我不相信我们可以指望它，我相信我们必须准备好做长期的、艰苦的努力。
你们当中熟悉强相互作用问题后来的历史的那些人，会认识到费米的预测令人惊异地精确。长期的实验探索和模式识别为伟大的知识飞跃与综合提供了先决条件。我想，这个过程会使费米满意，而不会让他惊奇。
物理学目前的情况完全不同于费米所经历过的或最后所描述的。在20世纪的辉煌胜利之后，雄心勃勃是很容易的。关于基本动力学定律的终结和所观测宇宙的起源这些根本性的问题开始显得可以理解了。量子工程的潜力以及理解如何能把已知的基本东西和谐地安排到复杂的系统中去，包括强有力的思维能力的挑战在召唤。保持现实态度和（因此而）适当的谦虚——换句话说，在与自然界对话中，精心制作我们可以肯定回答的一些重要的子问题，并不是太容易。在这种艺术中，费米是一位天赋的大师和伽利略的当之无愧的继承者。
本文选自《现代物理知识》2010年第5期。
《返朴》，一群大科学家领航的好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁共同出任总编辑，与数十位不同领域一流学者组成的编委会一起，与你共同求索。关注《返朴》参与更多讨论。二次转载或合作请联系fanpu2019@outlook.com。
