物理学中的鸟和青蛙

我无耻地借用了我的导师和朋友弗里曼·戴森（Freeman Dyson）关于数学中的鸟类和青蛙的精彩演讲。鸟类是思想者，他们可以看到全景并从高空俯瞰风景。青蛙是思想家，他们喜欢在特定问题的泥泞中嬉戏，喜欢寻找宝石，然后对其进行抛光，使其成为鸟类调查的上层建筑的一部分。爱因斯坦是鸟，哈勃是青蛙。科学需要鸟类和青蛙才能取得进步，但是在某些情况下，一种生物比另一种更为重要。

古代物理学中大多数伟大的思想家都是鸟类。他们以自然哲学家的名义去了。他们是鸟类这一事实既说明了当时的科学知识的原始状态，也说明了这些思想家对我们所谓的科学的态度，这是我们应该复活的态度。亚里斯多德，柏拉图，牛顿和开普勒将科学视为包括宗教在内的世界观的无缝部分。他们中许多是炼金术士和占星家。与当今的许多科学家不同，他们没有看到科学与神秘主义之间的冲突，并且认为两者都是由上帝创造出来供人类研究的。牛顿是一只至高无上的鸟，他把自然看作上帝所写的书，这是一个难题，其解决方案既有微积分和炼金术的空间，也有引力和阿里安对三位一体的拒绝。牛顿因担心遭受迫害而将他的阿里安信念保密，但毫无疑问，他的信念与他的科学调查一样合法。牛顿在他着名的《原理》第三卷的开头说：“仍然是基于同样的原则，我现在展示了世界体系”，毫无疑问他的雄心壮志或他宏伟的鸟状世界观。

即使在牛顿之前，也可以被称为事实发现和理论化现代科学方法之父的弗朗西斯·培根（Francis Bacon）是一只精妙的青蛙。培根拒绝了亚里士多德的理论，该理论在他之前就具有许多科学历史的特征，他说：“一切都取决于对自然事实的关注，因为上帝禁止我们对图案做出自己的想象力梦想世界的。”

培根坚信，要了解更多关于自然的方法就是到那里去寻找事实。只有拥有足够的事实，我们才能建立理论，这仍然是科学通常运作的方式。与培根形成鲜明对比的是笛卡尔（笛卡尔），他是著名的鸟类，他曾说过：“我想，所以我就是”。笛卡尔重视思想，培根重视事实调查。随着有些古怪的故事的流逝，培根在研究感冒对鸡肉的影响时遇到了终点，从而揭示了事实调查的另一面。实验者很难。

有趣的是，物理学上的鸟类和青蛙是否可以广义地分类。边界是可变的，但总的来说，笛卡尔思想家倾向于鸟类，而培根主义者则倾向于青蛙。部分原因是，即使是在一个精心设计的科学实验中，思考广泛的思想观念也比弄污双手要容易得多。同样，作为统一者的物理学家往往是鸟类，而作为多样化者的物理学家往往是青蛙。物理学史上伟大而持续的主题之一就是统一不同理论和不同自然力的主题。例如，鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius），古斯塔夫·基希霍夫（Gustav Kirchhoff），萨迪·卡诺（Sadi Carnot），开尔文勋爵（Lord Kelvin）和威拉德·吉布斯（Willard Gibbs）等大批鸟类将力学和热现象统一起来，开创了热力学科学的先河。大约在同一时间，伟大的詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）通过统一电和磁来开创电磁学。麦克斯韦以迈克尔·法拉第（Michael Faraday）所做的基础工作为基础，他证明了电场可以产生磁场，反之亦然。

但以法拉第，卡诺（Carnot）和吉布斯（Gibbs）为例，提出了一种新生物–蛙鸟的有趣可能性。蛙鸟是一种外来物种，稀有物种，最初起源于青蛙，但通过对青蛙的持续不断和创造性的探索，它们不可避免地变成了鸟类。在工程师为科学做出基本贡献的极少数例子中，当这些研究使卡诺得出自然界的基本定律即热力学第二定律时，卡诺试图找出热机的最大效率。法拉第（Faraday）是一位谦虚的实验者，他喜欢用绳子和密封蜡弄污双手。他的主要目标是进行简单的实验，以帮助他理解诸如盐的电分解之类的现象。这种研究哲学的灵感来自他的导师汉弗莱·戴维（Humphrey Davy），他研究了笑气的影响并发现了许多蛙跳现象的新元素。但是法拉第通过他的实验发现了比他期望的更多的东西，瞥见了自然定律中隐藏的对称性，这是麦克斯韦要充分利用的对称性。威拉德·吉布斯（Willard Gibbs）也是一位技术娴熟的理论青蛙，他操纵矢量演算来研究特定的热力学现象。在此过程中，他成为统计力学之父，他的贡献如此之深，以至于爱因斯坦称他为美国科学界最伟大的头脑。但是吉布斯是一个非常害羞的青蛙鸟，他在不起眼的康涅狄格州杂志上发表了他的伟大理论，并悄悄地工作到他在耶鲁大学的生命尽头。他去世后，他的鸟名声被其他人复活。

20世纪初，物理学开始变得更加专业化，物理学家成为鸟类变得越来越困难。但是，在本世纪初，一只经典的蛙鸟引发了一系列事件，为本世纪最伟大的鸟类铺平了道路。在上世纪之交的工作中，马克斯·普朗克（Max Planck）进行了一次绝望的数学修复，以挽救黑体辐射的热力学。普朗克所做的部分努力来自于帮助德国灯泡行业，该行业试图使灯丝的效率最大化。试图解释黑体发出的能量时，普朗克提出了启发性的建议，即解释数据的唯一方法是假设能量是以称为量子的小块形式发出的。这些块非常小，可以通过一个称为Planck常数的微小参数进行量化。普朗克是位保守的物理学家，据他自己的说法，他并不是试图创造一种新理论，而只是试图解释一些奇怪的结果。实际上，与公众所认为的激发伟大科学发现相反，当有人试图解释一种平凡却持续存在的奇怪现象时，科学上的突破经常发生，例如特定鸟类的喙，特定行星轨道的异常或行星的行为。像镭这样的特定原子但是当普朗克用量子解释黑体辐射时，所有的地狱都崩溃了，世界上释放了新的力量。

这种力量部分以伟大的鸟类爱因斯坦（Albert Einstein）的形式出现，他在1905年的年度奇迹中写了五篇开创性的论文，其中一篇是关于相对论的。也许更重要的论文，也是后来获得他诺贝尔奖的论文，是对光电效应的一种解释，只能用普朗克常数来解释。爱因斯坦发现，普朗克原以为只是数学上的一招而已，它是自然结构中的最高建筑物。爱因斯坦是最典型的鸟，他想到了不同的现象-所谓的醚的缺失，光速，固体的比热，牛顿的运动定律和麦克斯韦的电磁学理论的统一。奇怪的是，相对论的基础之一来自非凡的青蛙阿尔伯特·迈克尔森和爱德华·莫利的一次著名实验。他们的仔细实验未能找到Maxwell电磁波所通过的发光醚，这是青蛙般探索的杰作。然而，这些实验使爱因斯坦小鸟的工作得以实现。后来爱因斯坦使小鸟升得更高，并开始以宇宙尺度调查景观，试图在加速运动框架的背景下理解相对论。这在1915年引起了相对论，这是人类思想的最大成就。为了建立相对论，这只鸟不仅要飞跃到物理学领域，还必须飞跃到数学领域，借助黎曼几何学来描述弯曲的时空。在这些努力中，爱因斯坦得到了两个非常称职的青蛙的帮助，他的朋友马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossmann）和米歇尔·贝索（Michele Besso）。爱因斯坦特别是与格罗斯曼（Grossmann）的合作表明，当鸟类与青蛙合作而不是啄食青蛙时，通常会取得最佳效果。

不幸的是，后来爱因斯坦的鸟状能力受到了影响，因为他没有考虑到青蛙的所有发现。他认为量子理论是不完整的，在他生命的尽头开始寻求提出一个统一的统一理论，以统一所有物理力。但是爱因斯坦不再关注新的粒子和青蛙发现的力量。没有将这些发现纳入他的理论，爱因斯坦的追求就注定了。爱因斯坦还没有意识到，对逻辑上源自他自己的广义相对论的作品-黑洞-的强烈兴趣就像青蛙一样。他没有倾向研究它们。另一方面，他对他的理论对另一个极其重要的发现即宇宙膨胀的含义非常感兴趣。这项发现是由埃德温·哈勃（Edwin Hubble）做出的，他是一只可怕的青蛙，他喜欢在寒冷的夜晚坐在威尔逊山上的望远镜上，绘制星云的速度和光度。哈勃曾是一名拳击手，后来成为天文学家。一个人怀疑拳击为青蛙般的专注提供了一个良好的基础，可以将特定的问题减少到他们颤抖的逻辑结论中。但是，哈勃将自己的工作归功于在哈佛天文台先后工作的一组杰出的青蛙-亨利埃塔·莱维特（Henrietta Leavitt），安妮·坎农（Annie Cannon）和塞西莉亚·佩恩（Cecilia Payne）之类的女人，通过艰苦的分类周期和成千上万的光度为宇宙的宏大理论铺平了道路星。从莱维特到爱因斯坦再到哈勃的发展再次表明，青蛙和鸟类的工作不可避免地会彼此叠加。

如果爱因斯坦可以被称为至尊青蛙，那么保罗·狄拉克也可以被称为。但是狄拉克是一只青蛙，他的视野是如此宏大，以至于更类似于17世纪的牛顿神秘主义。狄拉克（Dirac）是量子力学之父之一，他发明了一个电子方程，该方程推论出一个质量与电子相同但电荷相反的粒子的存在。在提出这些反粒子的存在时，狄拉克超越了任何青蛙的著作所暗示的范围，得出了只能由数学支持的稀有结论。但是当卡尔·安德森（Carl Anderson）在云室中发现正电子时，狄拉克（Birac）的鸟状异象很快就被现实所吸引。鸟儿可以腾飞所有想要的东西，但是即使他们看到别人看不到的东西，也必须在地面上招募青蛙来验证什么只是梦想。有趣的是，在同一时期，其他许多量子力学之父也是鸟类，尽管有趣的是Schrödinger和Heisenberg都是青蛙来验证他们杰出的鸟类父亲Niels Bohr提出的难题的。爱因斯坦在玻尔对原子结构的光电效应方面所做的工作，使他跃居了鸟类的第一位。但是玻尔的理论提出了许多问题，因为将其应用于比氢更复杂的原子并获得与实验相符的答案非常困难。最棘手的问题之一是解释作为玻尔工作基础的发射和吸收光谱的丛林。正是在试图解释这种光谱转变的过程中，海森堡从北海一个岛上的花粉症的严重袭击中恢复过来，变成了鸟，飞了起来，发明了矩阵力学，这是量子力学的第一个版本。同样，薛定er正试图解决一个特定问题，即为路易斯·德布罗意假定的物质波找到一个波动方程。在这个过程中，他也变成了一只鸟。

如果说爱因斯坦和玻尔是20世纪物理学的大鸟，那么恩里科·费米就是最终的蛙王。费米没有接触过物理学的一个分支，但是他几乎可以肯定地认为自己是青蛙，并且首先尝试用最简单的方法解决特定的问题。费米秉承这一理念，建造了世界上第一个核反应堆，并共同发明了费米-狄拉克统计数据，用以解释整数自旋粒子的行为。但是在途中，他提出了一个一致的β衰变理论，从而产生了一种新的自然力量-弱力，这一发现使他获得了巨大的鸟类般的发现。费米的专长是看一个特定的问题，对其进行物理可视化，然后直奔前方，使用所有可用的数学工具来解决。当然，费米在20世纪物理学史上也独树一帜，在实验物理学和理论物理学中都取得了卓越的成就。

另一只伟大的青蛙，也是费米深深影响的一只青蛙，是汉斯·贝特（Hans Bethe）。就像费米一样，贝特（Bethe）没有接触过现代物理学的分支。与费米悲剧性地去世不同，贝丝活到90年代，他的最后一篇论文于2005年去世后发表。“自然力量”一词似乎是贝丝专门创造的。他以一个小时接一个小时地坐在办公桌前，几乎无误地完成数百页计算而闻名。没问题会令他震惊，他的同事们称他为“战舰”。后来的报纸资料将他描述为一个“通过他的精神炮兵将问题减少到基本解决方案的人”。就像费米一样，他在1930年代成为世界顶级核物理学家之一，就核物理的最新技术撰写了三份详尽的评论，被认为具有权威性，因此被称为《贝特圣经》。 1938年，贝丝毫不费力地从纯粹的物理问题转移到应用物理问题，他获得了诺贝尔奖，获得了使太阳发光的核反应的发现。正是贝塞斯（Bethe）无与伦比的设施（如青蛙般的问题解决）促使罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）选他为曼哈顿项目理论部门的负责人。

在曼哈顿项目的工作中，青蛙贝特（Bethe）青蛙和一只活跃的幼鸟相遇，他的名字叫理查德·费曼（Richard Feynman）。费曼刚从普林斯顿大学毕业后，便成为那些飞跃整个物理学领域并试图以崭新的视角看待一切事物的鸟类之一。当他遇到Bethe Feynman时，他已经在研究量子理论的时空观点，即将反粒子视为粒子向后传播。他正在与物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）一起研究这一理论，他的鸟类般的能力是如此独特，以至于他以图画和诗意的想象力而闻名。 Bird Feynman和青蛙Bethe相处得非常好，Bethe邀请Feynman成为康奈尔大学的同事使Feynman得以著名地发现Feynman图。费曼还启发了我自己的导师弗里曼·戴森（Freeman Dyson），他认为自己是典型的青蛙。在他漫长而惊人的职业生涯中，戴森一直在物理学和数学领域寻找问题，而优雅的数学可能会有所作为。戴森通过向公众解释费恩曼，朱利安·史威格和辛·伊蒂罗·托莫纳加的不同理论而声名狼藉。他成为特别高兴的青蛙，在粒子物理学，固态物理学，进化生物学，核太空飞船和反应堆设计以及纯数学领域中跳来跳去，找到了宝石，并经常将它们留给他人抛光。

在20世纪后期的物理学中，青蛙和鸟类的分布如何？在这段时间里，物理学的三个最重要的分支是粒子物理学，宇宙学和凝聚态物理学。在这些凝聚态物理中，以半导体和计算机的形式对我们的日常生活产生巨大的实际影响尤其引人注目。约翰·巴丁（John Bardeen），威廉·肖克利（William Shockley）和戴维·托勒斯（David Thouless）等大多数凝聚态物理学家都是成就卓著的青蛙。但是其中一只大鸟引人注目–去年去世的菲利普·安德森（Philip Anderson）。安德森（Anderson）不仅在凝聚态物理学领域飞速发展，而且对粒子物理学和复杂性研究做出了重要贡献。他提出的一种粒子，后来通过绘制粒子物理学与固态物理学之间的对称性突破而被称为希格斯玻色子，这是近代物理学中最伟大的鸟类技艺之一。

在粒子物理学中，理论家大多是鸟类，而实验家则是青蛙。史蒂文·温伯格，穆雷·盖尔曼，杰拉德·特霍夫特和阿卜杜斯·萨拉姆一直秉承通过强大的鸟类工具寻求粒子和力量统一的悠久传统。同时，像莱昂·莱德曼（Leon Lederman）和C. S. Wu这样的实验学家通过青蛙来进行决定性的实验，以证明或反驳诸如陈宁宁和李崇道等鸟类的伟大理论。同时，宇宙学也从青蛙和鸟类的混合中受益。提出通货膨胀理论的艾伦·古斯（Alan Guth）是一只鸟，他一口气解决了大学早期历史中的几个问题。但是在1990年代后期，索尔·珀尔默特（Saul Perlmutter）和其他青蛙通过研究超新星的特征，发现了宇宙加速的惊人现象，并延续了其青蛙前辈利维特（Leavitt），哈勃（Hubble）和佩恩（Payne）的杰出传统。

爱德华·维滕（Edward Witten）也许是最近的终极鸟类。维滕（Witten）与其他少数鸟类一起，试图实现也许是最后一个大鸟类的统一，即与量子理论的广义相对论的统一。到目前为止，维滕已经飞过了广阔的物理学和数学领域，在这两个领域之间建立了出乎意料的联系，这使他成为唯一获得数学领域奖章的物理学家。但是他和他的同事之间建立的更大的联系，即从多个维度和点状字符串中看到现实的事物，还没有得到青蛙的证实。维滕可能是保罗·狄拉克（Paul Dirac）的传统中最后一位伟大的神秘主义者，摔倒了一根手套，这很合适。我们只能希望会有足够多的勇敢而有能力的青蛙在泥泞中嬉戏，抓住铁手套并与之搏斗。如果说物理学史及其与青蛙和鸟类之间相互作用的指导，那么有很多乐观的理由认为这将是正确的。