Freeman_Dyson

從量子力學到太空文明——思索人類未來的人

從量子力學到太空文明——思索人類未來的人

從量子力學到太空文明——思索人類未來的人

普林斯頓高等研究院,少數頂尖學者方能受邀進駐的學術殿堂。在這裡不須教書、不須產出論文,完全不受俗務干擾,只須專心思考;愛因斯坦、馮·紐曼、哥德爾、狄拉克、包立、李政道與楊振寧、……等大破大立的科學巨擘都曾在此駐足。在這柏拉圖天空的繁星之中,卻有一位連博士學位都沒有,而且不像其他學者來來去去,他一待就超過一甲子,直到2020年過世為止。


這位與眾不同的科學家就是今天恰逢百歲冥誕的戴森(Freeman Dyson)。他於1923年12月15日出生在英格蘭一個人口不到萬人的小鎮,自小嶄露數學天份,四歲時就曾試圖計算太陽有多少原子;他姊姊記得年幼的他總是被百科全書包圍著,不時埋首在紙上做計算。


戴森於1941年進入劍橋大學三一學院,但因第二次世界大戰戰情吃緊,他也加入空軍擔任分析師,直到戰爭結束後才重返校園取得大學文憑。1947年,戴森到美國康乃爾大學留學,跟著德裔物理學家貝特(Hans Bethe)做研究。戴森就是在這裡認識了大他五歲,卻已經擔任教授的費曼,兩人從此成為至交。


當時物理學家想要結合量子力學與狹義相對論,建立量子電動力學,以便正確描述光與帶電粒子間的交互作用,但是在計算過程中卻會產生無限大的數值,顯然與實際不符。為了解決這個問題,費曼在1948年發展出費曼圖來表述路徑積分,成功透過重整化抵消無限大。但是這種圖解的方式與傳統數學大相逕庭,令當代的物理學家感到愕然而難以接受;當時唯一的知音就只有戴森。

費曼圖範例。圖片來源:Wikipedia


在此同時,哈佛大學教授施溫格(Julian S. Schwinger)與日本的朝永振一郎教授也各自以正統方法,發表重整化的方程式,只不過相當複雜。戴森很快看出他們的方程式和費曼圖可互相對應,兩者其實是一體的兩面,他於1949年發表論文,闡述兩者的連結,為量子電動力學的完備性補上臨門一腳。


最後費曼、施溫格與朝永振一郎三人共同獲頒1965年的諾貝爾物理學獎。施溫格與楊振寧都為戴森沒有得獎而大抱不平,但戴森自己倒是不以為意,他說:「如果你想贏得諾貝爾獎,就應該長期專注於某個深刻而重要的問題,至少十年不放。這可不是我的風格。」

(左起)朝永振一郎、施溫格和費曼三人共同獲頒1965年的諾貝爾物理學獎。圖片來源:NobelPrize.com

是的,戴森在普林斯頓高等研究院中猶顯得風格迴異。院長歐本海默於1953年提供他終身職時,大概以為聘到一位量子力學的理論物理學家,不料三年後他就和氫彈之父泰勒一起合作,為通用動力公司設計絕對安全的核反應爐 TRIGA (因為溫度上升時,所使用的鈾氫鋯核燃料的反應速率反而會下降)。至今這種反應爐仍在世界各地的醫院、大學和研究機構使用中(我國清華大學校園內的核反應爐也是這型)。

清華大學的TRIGA核反應爐。圖片來源:清華大學


1957年,戴森乾脆請假一年,跑去參加民間發起的獵戶座計畫,幫忙設計以核能為動力的火箭,用來探索太空。不過這計畫後來因為1963年的《部分禁止核試驗條約》國際公約而終止;戴森自己正是推動這項公約的主要人物之一,因為他見到美蘇的核武競賽越演越烈,寧可放棄核能的發展。


但戴森從未放棄探索宇宙的熱情。他除了寫過中子星、脈衝星等天文物理的論文,還拋出許多極具創意的點子,例如在彗星上種植基因改造的樹(「戴森樹」,Dyson Tree);或是將只有一公斤重、可利用星塵為材料進行自我複製的自動機(「星雞」,Astrochicken) 送進太空,便可超越人類壽命限制,恆久地探索宇宙深處;還有將整個恆星包圍起來的「戴森球」(Dyson Sphere),如此便可汲取恆星的所有熱輻射做為能源,供人類進行大規模的太空移民。


戴森曾引用哲學家柏林(Isaiah Berlin)的比喻,將偉大的科學家分成兩種:狐狸與刺蝟。戴森說:
「狐狸對每件事都感興趣,總是輕易地從一個問題跳到另一個問題。刺蝟只對少數他們認為是基本的問題感興趣,而且會花上數年或數十年的時間在同一個問題上。偉大發現大多是刺蝟找到的,多數小發現則是狐狸找到的。科學需要刺蝟也需要狐狸才能健康成長,刺蝟深入挖掘事物的本質,狐狸則探索我們這神奇宇宙的複雜細節。愛因斯坦是隻刺蝟,費曼則是隻狐狸。」


戴森當然也是狐狸,而且是隻眺望未來、思索人類文明何去何從的狐狸。


按:本文改寫自收錄於《 科學史上的今天》的〈科學需要刺蝟,也需要狐狸〉

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