翻譯:Love & Math(三):神秘的野獸

譯 Peter Lu

有很多方法可以讓一個人成為數學家。這里,是我成為數學家的歷程。

可以你想不到,當我還在讀書的時候,我討厭數學。或許并不是非常厭惡,但起碼不喜歡。我認為數學相當無聊。當然我可以輕松的完成數學作業,但我不明白學習數學有什么用。在課堂上討論的內容看上去沒有任何意義和關系。那時我對物理很感興趣——特別是量子物理。我如饑似渴的把所有找到的物理書看了個遍。在俄國長大,這些書當時還是不難找到的。

神奇的量子世界深深的吸引著我。在遠古時代,科學家和哲學家都夢想去解釋宇宙的核心本質——一些人甚至猜測所有物質都是由稱為原子的細微零件組成。原子的存在在二十世紀初得到了證實,但在同一時期,科學家發現原子還能再進一步的分解。證明發現原子由一個位于中心的原子核和圍繞原子核的電子組成。原子核則由質子和中子組成,如下圖所示。


原子結構

那么質子和中子又如何呢?一本我讀過的暢銷書說,他們是由稱為夸克的基本粒子構成。

我喜歡夸克(quarks)這個名字,更喜歡這個名字的出處。Murray Gell-Mann,發現這些粒子的物理學家,從James Joyce的著作《Finnegans Wake》里得到了靈感。在這本小說里,一個不拘世俗的詩人這樣寫道:

向Mike大呼三聲quark(沒有三個以上夸克組成的粒子)

確定他沒有那么多的bark

也確定他所有的都在他的mark

我認為,一個物理學家能夠從小說里面尋找到一個粒子的命名,這本身就非常的酷。而且《Finnegans Wake》這部小說非常復雜。當時我大約十三歲,在我的印象中,科學家是那些深居簡出的,不喑世事的生靈,他們沉迷于自己的研究中,而對其他方面,比如藝術,或人性等充耳不聞。而我并不這樣,我有很多朋友,他們對包括科學在內的很多方面都感興趣。我很喜歡踢足球,而且常年和伙伴一起玩搶皮球的游戲。那個時候我還接觸了印象派的畫作(在我父母的圖書館中,發現了一大卷關于印象派的書)。梵高是我的最愛。我對他的畫著了魔,甚至效仿梵高嘗試畫我自己。實際上,所有的這些興趣讓我有所懷疑,我是否合適做一名科學家。所以當我了解道Gell-Mann(一個偉大的物理學家,諾貝爾獎得主)也有如此多的興趣(不僅對文學,也對語言和考古感興趣)時,我感到非常的開心。

根據Gell-Mann的看法,有兩種類型的夸克分為正(Up)和反(Down),而它們的不同組合產生了質子和中子這樣不同的特性。中子由兩反一正(夸克)組成,質子則是由兩正一反組成,如下圖所示。


夸克、中子、質子

這似乎足夠清楚了。但是物理學家如何知道質子和中子不能再分割,,對此我也說不出所以然來。

這個故事一直持續到十九世紀五十年代后期,一大堆明顯的基本粒子被發現,它們稱為強子(現代物理學認為強子由夸克,反夸克和膠子組成)。質子和中子都是強子,當然它們作為組成物質的基本塊,每一天都扮演重要的作用——或許,沒人會關心它們的存在(如同一個研究人員所說,是誰給它們定了這些規矩)。因為它們的數量如此多,以至于Wolfgang Pauli這位有威望的物理學家開玩笑道,物理學快成植物學了。物理學家急切的想要掌握強子,發現隱含在它們中的準則,能夠掌握他們的行為以及解釋它們瘋狂增長的原因。

Gell-Mann和Yuval Neeman各自獨立的采用新穎的分類方案。他們都展示了強子可以自然的分解為更小的家族,每個家族單元包括8個或者10個粒子。他們稱之為octets和decuplets。在每個單元中的粒子具有相似屬性。

那時我正在讀的一本暢銷書里面,我發現了octets的結構表達方式,類似如下:


在這里,強子用p來表示,中子用n來表示,還有6個其他的粒子用奇怪的希臘字母來表示。

但是為什么是8或者10個粒子,或者為何不是7或11個粒子組成,這個怎么解釋?在我正在讀的這本書里面,我找不到相關的解釋。這讓我想起了Gell-Mann稱之為‘八正道’這個神秘的念頭(八正道是佛教的概念,指達到最高境界的八種方式)。但是作者從來沒有試圖解釋為什么是8個粒子的結構構成。

缺少對疑問的解釋讓我深感不滿。問題的關鍵部分還是沒有頭緒。我試圖揭開這個謎題但卻無從下手。

也許幸運經常惠顧我,我從一個家族朋友那里得到了幫助。我在一個稱之為Kolomna的工業化的小鎮長大,這里有十五萬的人口,距離莫斯科大約有七十公里,坐火車只需要兩個小時多一點。我的父母在一個制作大型重機械的工廠從事工程師的工作。Kolomna是處于兩條河流交匯處的一座古鎮,建立于1177年(僅僅比莫斯科的建立晚30年)。仍然還保存了一些不錯的教堂和城墻,仿佛在訴說著這座古鎮的過去。但它確實不是教育和知識的中心。這里只有一座小的學院和教師。其中有一名數學教授,他的名字叫Evgeny Evgenievich Petrov,是我父母的朋友。有一天我的媽媽在街上遇到了他,他們有一段時間沒有見面了,于是開始了交談。我的媽媽很喜歡和她的朋友提起我,于是我也成為了他們交談的話題。當Evgeny得知我對科學感興趣時,他說道:“我一定要見見他,嘗試改變他對數學的看法”。

“不要”,媽媽說道:“他不喜歡數學,他認為數學有些枯燥,他比較喜歡了解量子物理。”

“不要擔心”,Evgeny回答:“我想我知道如何讓他改變看法。”

就這樣,我和他的見面就被安排下來,我對此并沒有特別的上心,盡管如此,我還是去了他的辦公室和他見面。

那是我大約剛滿十五歲,剛上完九年級,高中的倒數第二年(我比同班同學要小一歲,因為我跳過了六年級)。Evgeny四十出頭,非常友好謙虛。帶著眼鏡,留著胡茬,和我想象的數學家一模一樣,然而,他用一雙充滿探索的眼睛凝視著我,這讓我著迷。似乎這雙眼睛對任何事情都充滿無窮的好奇。

結果證明Evgeny Evgenievich確實有一個很高明的計劃,讓我對數學的看法發生了轉變。我一來到他的辦公室,他問我,“聽說你對量子物理很感興趣。那你應該聽說過Gell-Mann的八正道和夸克模型吧?”

“當然,我讀過好幾本暢銷書,里面都提到過。“

“那你知道這個模型的基礎嗎?他是怎么推導出這些結論的?“

“嗯,這個……“

“那你聽說過SU(3)這個群嗎?“

“SU什么?“

“什么,你不知道SU(3)群?那怎么可能理解夸克模型呢?“

他從書架上拿出兩本書。打開并給我展現了幾頁公式。我能夠看到和八正道類似的圖表,就想上圖展示的那樣,但并不只是好看的圖片;它看上去很可能是一個詳細解釋的一部分。

盡管我對這些公式一知半解,但很明顯這就是我要找的答案。一種久旱逢甘露的喜悅。我對當時的所見所聞記憶猶新;一種從未經歷的感覺;難以言喻且充滿力量,如同聽了一首歌或看了一副畫,那種印象難忘而興奮。我所能說的只有“哇!“

“你可能認為數學就是在學校教的那些,“Evgeny Evgenievich說到。他搖頭道:”不是的“——他指著書里的公式——”這才是數學。如果你真想知道量子物理,這是你最先需要掌握的。Gell-Mann通過漂亮的數學理論預測了夸克結構。“

“但我如何開始從頭學習它呢?“

公式看上去給人恐懼感。

“不用擔心,首先你需要學習對稱群的概念。這是主要思想。數學中的一個大部分,而且理論物理也是以此為基礎的。這是推薦給你的一些書。讀一讀,有什么不明白的做個標記。我們可以每周都在這見面,交流這些內容“

他給了我一本關于對稱群的書,還有兩本其他主題的書:一本關于p-adic數(p進數,一種技術系統,而我們常用的非常不同),另一本是關于拓撲學(研究幾何形狀的大多數基本屬性)。Evgeny Evgenievich的品味很完美:他找到了一個完美的切合點,讓我能夠認識數學,這個神秘的野獸——從不同的方面,如饑似渴的去了解它。

在學校我們學習二次方程,算術,基本的歐幾里得幾何和三角形。我曾認為數學的所有不過就是這些學科之間的推敲,只是問題會復雜些,但還在這個相同的,通用的,我熟悉的條條框框下。但Evgeny Evgenievich給我的書,讓我窺視了一個完全不一樣的世界,以前我對此一無所知的世界。

我迅速的轉變了對數學的看法。

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