翻译:Love & Math(三):神秘的野兽

译 Peter Lu

有很多方法可以让一个人成为数学家。这里,是我成为数学家的历程。

可以你想不到,当我还在读书的时候,我讨厌数学。或许并不是非常厌恶,但起码不喜欢。我认为数学相当无聊。当然我可以轻松的完成数学作业,但我不明白学习数学有什么用。在课堂上讨论的内容看上去没有任何意义和关系。那时我对物理很感兴趣——特别是量子物理。我如饥似渴的把所有找到的物理书看了个遍。在俄国长大,这些书当时还是不难找到的。

神奇的量子世界深深的吸引着我。在远古时代,科学家和哲学家都梦想去解释宇宙的核心本质——一些人甚至猜测所有物质都是由称为原子的细微零件组成。原子的存在在二十世纪初得到了证实,但在同一时期,科学家发现原子还能再进一步的分解。证明发现原子由一个位于中心的原子核和围绕原子核的电子组成。原子核则由质子和中子组成,如下图所示。


原子结构

那么质子和中子又如何呢?一本我读过的畅销书说,他们是由称为夸克的基本粒子构成。

我喜欢夸克(quarks)这个名字,更喜欢这个名字的出处。Murray Gell-Mann,发现这些粒子的物理学家,从James Joyce的著作《Finnegans Wake》里得到了灵感。在这本小说里,一个不拘世俗的诗人这样写道:

向Mike大呼三声quark(没有三个以上夸克组成的粒子)

确定他没有那么多的bark

也确定他所有的都在他的mark

我认为,一个物理学家能够从小说里面寻找到一个粒子的命名,这本身就非常的酷。而且《Finnegans Wake》这部小说非常复杂。当时我大约十三岁,在我的印象中,科学家是那些深居简出的,不喑世事的生灵,他们沉迷于自己的研究中,而对其他方面,比如艺术,或人性等充耳不闻。而我并不这样,我有很多朋友,他们对包括科学在内的很多方面都感兴趣。我很喜欢踢足球,而且常年和伙伴一起玩抢皮球的游戏。那个时候我还接触了印象派的画作(在我父母的图书馆中,发现了一大卷关于印象派的书)。梵高是我的最爱。我对他的画着了魔,甚至效仿梵高尝试画我自己。实际上,所有的这些兴趣让我有所怀疑,我是否合适做一名科学家。所以当我了解道Gell-Mann(一个伟大的物理学家,诺贝尔奖得主)也有如此多的兴趣(不仅对文学,也对语言和考古感兴趣)时,我感到非常的开心。

根据Gell-Mann的看法,有两种类型的夸克分为正(Up)和反(Down),而它们的不同组合产生了质子和中子这样不同的特性。中子由两反一正(夸克)组成,质子则是由两正一反组成,如下图所示。


夸克、中子、质子

这似乎足够清楚了。但是物理学家如何知道质子和中子不能再分割,,对此我也说不出所以然来。

这个故事一直持续到十九世纪五十年代后期,一大堆明显的基本粒子被发现,它们称为强子(现代物理学认为强子由夸克,反夸克和胶子组成)。质子和中子都是强子,当然它们作为组成物质的基本块,每一天都扮演重要的作用——或许,没人会关心它们的存在(如同一个研究人员所说,是谁给它们定了这些规矩)。因为它们的数量如此多,以至于Wolfgang Pauli这位有威望的物理学家开玩笑道,物理学快成植物学了。物理学家急切的想要掌握强子,发现隐含在它们中的准则,能够掌握他们的行为以及解释它们疯狂增长的原因。

Gell-Mann和Yuval Neeman各自独立的采用新颖的分类方案。他们都展示了强子可以自然的分解为更小的家族,每个家族单元包括8个或者10个粒子。他们称之为octets和decuplets。在每个单元中的粒子具有相似属性。

那时我正在读的一本畅销书里面,我发现了octets的结构表达方式,类似如下:


在这里,强子用p来表示,中子用n来表示,还有6个其他的粒子用奇怪的希腊字母来表示。

但是为什么是8或者10个粒子,或者为何不是7或11个粒子组成,这个怎么解释?在我正在读的这本书里面,我找不到相关的解释。这让我想起了Gell-Mann称之为‘八正道’这个神秘的念头(八正道是佛教的概念,指达到最高境界的八种方式)。但是作者从来没有试图解释为什么是8个粒子的结构构成。

缺少对疑问的解释让我深感不满。问题的关键部分还是没有头绪。我试图揭开这个谜题但却无从下手。

也许幸运经常惠顾我,我从一个家族朋友那里得到了帮助。我在一个称之为Kolomna的工业化的小镇长大,这里有十五万的人口,距离莫斯科大约有七十公里,坐火车只需要两个小时多一点。我的父母在一个制作大型重机械的工厂从事工程师的工作。Kolomna是处于两条河流交汇处的一座古镇,建立于1177年(仅仅比莫斯科的建立晚30年)。仍然还保存了一些不错的教堂和城墙,仿佛在诉说着这座古镇的过去。但它确实不是教育和知识的中心。这里只有一座小的学院和教师。其中有一名数学教授,他的名字叫Evgeny Evgenievich Petrov,是我父母的朋友。有一天我的妈妈在街上遇到了他,他们有一段时间没有见面了,于是开始了交谈。我的妈妈很喜欢和她的朋友提起我,于是我也成为了他们交谈的话题。当Evgeny得知我对科学感兴趣时,他说道:“我一定要见见他,尝试改变他对数学的看法”。

“不要”,妈妈说道:“他不喜欢数学,他认为数学有些枯燥,他比较喜欢了解量子物理。”

“不要担心”,Evgeny回答:“我想我知道如何让他改变看法。”

就这样,我和他的见面就被安排下来,我对此并没有特别的上心,尽管如此,我还是去了他的办公室和他见面。

那是我大约刚满十五岁,刚上完九年级,高中的倒数第二年(我比同班同学要小一岁,因为我跳过了六年级)。Evgeny四十出头,非常友好谦虚。带着眼镜,留着胡茬,和我想象的数学家一模一样,然而,他用一双充满探索的眼睛凝视着我,这让我着迷。似乎这双眼睛对任何事情都充满无穷的好奇。

结果证明Evgeny Evgenievich确实有一个很高明的计划,让我对数学的看法发生了转变。我一来到他的办公室,他问我,“听说你对量子物理很感兴趣。那你应该听说过Gell-Mann的八正道和夸克模型吧?”

“当然,我读过好几本畅销书,里面都提到过。“

“那你知道这个模型的基础吗?他是怎么推导出这些结论的?“

“嗯,这个……“

“那你听说过SU(3)这个群吗?“

“SU什么?“

“什么,你不知道SU(3)群?那怎么可能理解夸克模型呢?“

他从书架上拿出两本书。打开并给我展现了几页公式。我能够看到和八正道类似的图表,就想上图展示的那样,但并不只是好看的图片;它看上去很可能是一个详细解释的一部分。

尽管我对这些公式一知半解,但很明显这就是我要找的答案。一种久旱逢甘露的喜悦。我对当时的所见所闻记忆犹新;一种从未经历的感觉;难以言喻且充满力量,如同听了一首歌或看了一副画,那种印象难忘而兴奋。我所能说的只有“哇!“

“你可能认为数学就是在学校教的那些,“Evgeny Evgenievich说到。他摇头道:”不是的“——他指着书里的公式——”这才是数学。如果你真想知道量子物理,这是你最先需要掌握的。Gell-Mann通过漂亮的数学理论预测了夸克结构。“

“但我如何开始从头学习它呢?“

公式看上去给人恐惧感。

“不用担心,首先你需要学习对称群的概念。这是主要思想。数学中的一个大部分,而且理论物理也是以此为基础的。这是推荐给你的一些书。读一读,有什么不明白的做个标记。我们可以每周都在这见面,交流这些内容“

他给了我一本关于对称群的书,还有两本其他主题的书:一本关于p-adic数(p进数,一种技术系统,而我们常用的非常不同),另一本是关于拓扑学(研究几何形状的大多数基本属性)。Evgeny Evgenievich的品味很完美:他找到了一个完美的切合点,让我能够认识数学,这个神秘的野兽——从不同的方面,如饥似渴的去了解它。

在学校我们学习二次方程,算术,基本的欧几里得几何和三角形。我曾认为数学的所有不过就是这些学科之间的推敲,只是问题会复杂些,但还在这个相同的,通用的,我熟悉的条条框框下。但Evgeny Evgenievich给我的书,让我窥视了一个完全不一样的世界,以前我对此一无所知的世界。

我迅速的转变了对数学的看法。

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