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科研的创新与守成——重读戴森文有感

上一篇 / 下一篇  2011-03-04 16:48:29 / 个人分类:科研创新

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  创新是科研的灵魂,没有追求创新的精神,就没有我们现在所从事的所有科研活动。

  人们喜欢把科研比作connecting the dots,做实验、采集数据好比是寻找和搜集点的过程,开始的时候这些点看上去分布得很稀疏,而且毫无关联,等到数据积累的多了,渐渐就看出了门道:A实验室的发现像是一根柱子,B实验室的那些点点连起来怎么看怎么像蒲扇,C实验室则骄傲地宣布:我们找到了长矛!D实验室那些串起来像绳子的点点毫无吸引眼球之处,很快就被人忘了。于是大家偃旗息鼓,或者去了另一片未开发的处女地寻找新东西去了。

  过了若干年,E实验室的PI觉得有必要重访一下这个课题,经费审查第一轮下来被毙了——缺乏创新。EPI据理力争,又补做了几个实验,试图说服审查人:柱子、蒲扇、长矛有可能并不是互不相关的物件。这一次审查人的灵犀被触动了一下:好像这家伙是在寻找一种新的connecting the dots的方法,有意思! 于是又有其他的实验室跟进,把漏网的点给找到了。这才发现原来柱子是腿,蒲扇是耳朵,长矛是牙,这是一头有生命的大象。这时懂进化论的人又跳出来了:不对呀,怎么没有尾巴?于是人们又想起D实验室的工作。

  有的创新,比方某些艺术的创新,旨在颠覆传统,为新而新,唯恐不够新。然而科研的创新是基于对传统的尊重之上的,但尊重传统不等于拾前人牙慧,有时这种尊重又是必须带着批判的眼光的。正是这种对旧有理论既尊重又审慎的态度,对一些老问题的不断重访,使得我们的认知疆域不断得以拓展,也使得科学探索活动有了自身的纠错机制。正因为此,判断一项研究是否有新意,是不能以时间作为唯一尺度的。

  戴森的文章可以用“秋水文章不染尘”来形容,平实的用词,简短的句子,使其要表达的思想清澈可见。然而这些思想又是那么深邃,总给我常读常新的感觉,这大概就是经过历炼的秋水与纯净水的区别。这篇在杨振宁荣休晚宴上的讲演,原文发表于“今日物理学”,里面关于费米做研究的风格,关于传统与创新之间的关系,以及其他一些观点,读来耐人寻味,而且每次读,总有新的收获。

  保守的革命者——在杨振宁荣休晚宴上的讲话词

  戴森(Dyson)

  (普林斯顿高等学术研究所)

  我很高兴有这个机会来称颂我的老朋友和老同事富兰克·杨。我的题目是“保守的革命者”。这题目的涵义将在讲词末彰显。

  1983年富兰克为庆祝他的六十岁生日出版了“文选(1945-1980)附评注”。这是我最喜爱的书之一。书中的评注是他自己写的,用来解述各篇文章写作时的情景。书里只收了他的文章的三分之一,是他自己选择的。这样做比由一个专家委员会来挑选更能揭示他自己的思路和性格。所选的文章中有些是重要的,有些是不重要的。有些是专业的,有些是通俗的。可是每一篇都是瑰宝。他不是试图在五百页中塞进尽量多的、艰深的科学。他是试图在五百页中揭示一位伟大科学家的精神,而做得十分成功。他选的这些文章既揭示了他个人的奋斗,也揭示了他的科学成就。它们揭示了他的成就的深远的源泉,揭示了他对培育他的中国文化的骄傲,也揭示了他对在中国和在美国的老师们的崇敬。它们还揭示了他对数学形式美的热爱和同时掌握缤纷的实验物理世界和抽象的群论与纤维丛世界的能力。他巧妙地将八十页的评注结集一起放在书的开始部分,而不是将它们附在各篇文章的后面。这样,评注可以连续地读,成了他的科学自传,一部极好的自传。它以清楚而简练的词句描述了他的一生。它朴实地描述了他的工作背后的强烈的感情和始终不渝的忠诚。换言之,它描述了杨振宁之所以成为杨振宁。

  书中最短的又最精彩的瑰宝之一是一篇两页长的,对费米的描述。它是作为费米和他合写的一篇文章的序言,曾收录在费米的选集中。从1946年到1949年,富兰克师从费米。他从费米那里学到的物理比从任何其他人那里学到的为多。费米思考的方法在富兰克的思想中留下了无法磨灭的影响。他写道:“我们懂得了,学物理不应该只狭窄地学一个专业。学物理应该从平地开始,一块砖一块砖地砌,一层一层地加高。我们懂得了,抽象化应在具体的基础工作之后,而绝非在它之前。”

  费米崇高实际的精神可以从1954年发表的杨-米尔斯这篇卓越的文章题目中看到。今天任何一位谈到这篇文章的人,都会将它称为是引入非阿贝尔规范场的文章。可是它的题目并没有提到非阿贝尔规范场。文章的题目是“同位旋守恒与同位旋规范不变性”。如何了解同位旋守恒这个物理问题出现在先,而抽象数学观念非阿贝尔规范场出现在后。这是费米处理这类问题会用的方式,也是富兰克处理这个问题所用的方式。费米的伟大在于他既懂得如何计算,又懂得如何倾听自然的声音。在其一生中,富兰克均衡的处理了他的抽象数学的天才和费米对于物理细节的脚踏实地的关注。

  请允许我在这里简短的讲一个和这个讲话的主题无关的,有关费米的故事,它和富兰克毫无关系。我不是费米的学生,但我有幸在我学术生涯中关键的时刻和费米谈了二十分钟。我从费米这二十分钟中学到的比我从奥本海默(Oppenheimer)二十年中学到的还多。1952 年我以为我有了一个强相互作用的好理论,组织了一大批康奈尔大学的学生和博士后,按照这个理论来计算介子-质子之散射。我们运算的结果和费米在芝加哥回旋加速器上量到的截面符合得很好。于是我得意的从依色卡去芝加哥给费米看我们的结果。费米很客气和友好,但我们的结果并没有引起他的兴趣。他说:“计算的途径有两种。第一种,是我所愿意采用的,是先有一幅清晰的物理图象。第二种是严格的数学架构。你的则两种都不是。”这既结束了他和我的对话,也终结了我们的理论。以后我们弄清楚了,由于没有将矢量相互作用考虑在内,我们的理论不可能是正确的,而费米直觉地看出了这个理论必然是错误的。在这二十分钟里,他的脚踏实地的见识省掉了我们的无谓的计算。这个教训富兰克是无需要学习的,因为当他在芝加哥做学生时,已经充分吸取了费米的见识。

  在选集发表后的十五年中,富兰克没有闲着。1995年另一本书出版了,不是他自己而是他的朋友们写的,是庆祝他七十岁生日的文集。书的题目是“杨振宁──二十世纪一位伟大的物理学家”。隐藏在书中的专业文章里,有一些个人的颂赞和回忆。它们描述了富兰克如何积极帮助科学在三个中国社会──中华人民共和国、台湾和香港的成长和繁荣。富兰克很高兴能够偿还他所欠他的故土和文化的债。

  这两本书中都没有收入的是富兰克两年前写的题为“父亲和我”一文。这是献给他的父亲,一位1973年去世的数学教授的文章。它极精彩而微妙地描述了他和父亲的关系,以及分离给二人带来的痛苦。他的父亲在艰难的岁月里留在中国,而就在这段时间中富兰克在美国成长为名家。他们都知道还是这样好:没有美国,富兰克不会成为一位世界级的科学家;不住在祖国,他的父亲将成为无根之木。然而分离也深深地伤害了两人。对富兰克来说,他个人和父亲的分离,同美国和中国在政治上的隔绝是一场悲剧的两面。很幸运,尼克松总统适时地决定承认中华人民共和国。因此,富兰克能够在他父亲去世以前访问中国,能够在他父亲病危时坐在他的床边。在选集的评注中,富兰克描述了他在1964年如何困难地作出成为美国公民的决定。这决定正式承认了他脱离中国,脱离他的父亲。他写道:“我父亲……1928年在芝加哥大学获得博士学位。他游历甚广。但我知道,直到临终前,对于我的放弃故国,他在心底里的一角始终没有宽恕过我。”

  “父亲和我”有一个快乐的结尾,一个光辉的重圆。富兰克描述1997年7月1日清晨零时,他站在香港会议展览中心,凝视着英国国旗缓缓下降,中国国旗缓缓上升,乐队奏着“起来,不愿做奴隶的人们”,他写道:“父亲如果能目睹这历史性的,象征中华民族复兴的仪式,一定比我还要激动。……他们那一辈的中国知识分子,目睹洋人在租界中的专横,……说不完的外人欺凌……他们是多么盼望有一天能看到站起来了的富强的中国,能看到大英帝国落旗退兵,能看到中国国旗骄傲地向全世界宣称:这是中国的土地。这一天,1997年7月1日,正是他们一生梦寐以求的一天。”

  富兰克那夜站在那里,他的,和他父亲的,对重圆的深层感触是使我们动心的。而对我,他所表达的骄傲和满足的心情,特别引起了共鸣。我也属于一个伟大而古老的文明。我在英国的故乡也是Alfred这位学者国王的故乡。一千一百年前,当唐朝在中国建立了在中国持续千年之久的科举制度时,Alfred将我的故乡变为一个卓越的学问中心。我们的Alfred国王将拉丁文典籍译成英文,和唐朝诗人差不多同时代。富兰克在他的选集前面引用了杜甫的诗句:“文章千古事,得失寸心知”。

  和富兰克一样,我也离开了故土,成为美国公民。我仍记得我在Trenton受到的屈辱。那一天我宣誓忠于美国,主持仪式的无知先生祝贺我逃离了奴隶之乡来到了自由之邦。我好不容易才忍住了没有大叫,我的祖辈们解放我们的奴隶比他们的祖辈们解放他们的奴隶要早得多。我和富兰克对美国有同样的矛盾的感情。这个国家对我们两人都如此的慷慨,可是对我们的古老的文明又如此不了解。我也感受了他在香港亲睹和平地降下英国国旗,升起中国国旗时的骄傲。在那一瞬间我们这两国古老的文明短暂地走在一道,催生了一个崭新的事物。

  五年前我很荣幸在费城美国哲学学会授予他富兰克林奖章的仪式上讲话。我们聚集在学会的有历史意义的会议室中。学会创始人富兰克林和学会最活跃的成员之一杰弗逊的画像俯视着我们。我们知道他将他的大儿子取名为富兰克林,因为他对富兰克林特别崇敬。我愿用我在那个愉快场合称颂富兰克的话来结束今天的讲话。

  杨教授是继爱因斯坦和狄拉克之后,二十世纪物理学的卓越的设计师。从当年在中国当学生到以后成为石溪的哲人,引导他的思考的一直是他对精确分析和数学形式美的热爱。这种热爱导致了他对物理学最深远的和最有创见的贡献──和米尔斯发现的非阿贝尔规范场。随着时间的推移,他所发现的非阿贝尔规范场已渐渐成为比宇称不守恒更美妙更重要的贡献。后者使他得到了诺贝尔奖。发现宇称不守恒,发现左手和右手手套并不在各方面都对称,是一项了不起的破坏行动,它摧毁了在前进道路上的思维障碍。与之相反,非阿贝尔规范场奠定了新的思维结构的基石,这个结构以后经过三十年才建立起来。今天当代理论描述的,并为当代实验证实了的物质的本质,是各种非阿贝尔规范场的组合。他们为杨在四十五年前首先猜测到的数学对称性所支配。

  和重建城市以及国际政治一样,在科学中摧毁一个老的结构比建立一个持久的新结构容易。革命领袖可以分为两类:像罗伯斯庇尔和列宁,他们摧毁的比创建的为多;像富兰克林和华盛顿,他们建立的比摧毁的为多。无疑,杨是属于后一类的革命者。他是一位保守的革命者。和富兰克林和华盛顿一样,他爱护过去,尽可能少摧毁它。他对西方科学的杰出思维传统和对中国祖先的杰出文化传统同样崇敬。

  杨喜欢引用爱因斯坦的话:“创造的源泉在于数学,因此,从某个意义上讲,我认为,纯思维可以掌握现实,像古人所梦想的那样。”在另一场合,杨讲道:“乍听起来,一个人的爱憎和风格竟与他对物理学的贡献有如此密切关系,也许会令人感到奇怪,因为物理学一般人认为是一门客观地研究物质世界的学问。然而,物质世界具有结构,而一个人对这些结构的洞察力,对这些结构的某些特点的喜爱,某些特点的憎厌,正是他形成自己风格的要素。因此,爱憎和风格之于科学研究,就像他们对文学、艺术和音乐一样至关重要,这其实并不是稀奇的事。”杨对数学美的感受,照亮了他所有的工作。它使得他的相对最不重要的计算成为袖珍的艺术品,使得他的深入的猜测成为杰作。它使他,正如使爱因斯坦和狄拉克一样,对自然的神秘能够比别人看得更远一点。

  * 这是在杨振宁荣休晚宴上的讲话词,一九九九年五月廿二日于纽约州石溪


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