紀(jì)念科學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾誕辰90周年

劉元興 賀天平

【摘要】約翰·斯圖爾特·貝爾（以下簡(jiǎn)稱貝爾）以他著名的“貝爾不等式”而被人熟知，除了量子力學(xué)以外，貝爾在加速器物理、高能物理方向都有自己的貢獻(xiàn)。文章從生平、成就、遺產(chǎn)三個(gè)方面對(duì)貝爾進(jìn)行了介紹，借其誕辰90周年之際，緬懷這位對(duì)人類科學(xué)事業(yè)做出過突出貢獻(xiàn)的偉大科學(xué)家。

【關(guān)鍵詞】約翰·斯圖爾特·貝爾；量子力學(xué)；糾纏態(tài)；貝爾不等式

一、貝爾的生平

1928年，貝爾出生于北愛爾蘭的貝爾法斯特，這是一座以制船業(yè)而聞名的城市，著名的“泰坦尼克號(hào)”就是在這里鑄造的。貝爾自小就不同于其他人，他的家庭信奉圣公教，身邊也有很多人信奉天主教，貝爾卻堅(jiān)持自己對(duì)真理的追求，不相信任何宗教，但是他受到愛爾蘭著名劇作家蕭伯納的影響成了一名素食主義者。貝爾的家庭并不富足，他的父親自然地認(rèn)為孩子在14歲時(shí)就應(yīng)該離開學(xué)校去找一個(gè)工作，母親卻鼓勵(lì)貝爾繼續(xù)讀書，但是因?yàn)閷W(xué)費(fèi)的關(guān)系，貝爾的幾次嘗試均告失敗后，他終于得到了貝爾法斯特技工中學(xué)（Belfast Technical High School）提供的獎(jiǎng)學(xué)金順利入學(xué)。這時(shí)貝爾的夢(mèng)想并不是成為一名科學(xué)家，而是對(duì)古希臘的哲學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。不過在閱讀過大量的哲學(xué)書籍后，他失望地發(fā)現(xiàn)對(duì)于好哲學(xué)家的定義不過是如何駁倒其他哲學(xué)家，并且哲學(xué)所解決的是非常大的問題，對(duì)于貝爾來說這些問題沒有任何進(jìn)步。但是當(dāng)他開始接觸物理學(xué)時(shí)，他驚喜地發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)的進(jìn)步要明顯好于哲學(xué)。從這時(shí)起，貝爾的心中就埋下了成為物理學(xué)家的種子。

16歲高中畢業(yè)的貝爾既因?yàn)槟挲g不夠，又因家境貧寒無法擔(dān)負(fù)起學(xué)費(fèi)，所以不能順利進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)。好在幸運(yùn)的是，他找到了一份在貝爾法斯特的女王大學(xué)（Queens University）擔(dān)任物理系技術(shù)助理的工作，并留在卡爾·艾米留斯（Karl Emeleus）手下做事。在擔(dān)任助理期間，貝爾被允許旁聽物理課程，在有了一定的物理學(xué)基礎(chǔ)，并攢夠了學(xué)費(fèi)后，貝爾于1945年正式入讀女王大學(xué)。貝爾在大學(xué)期間開始學(xué)習(xí)量子力學(xué)和相關(guān)的哲學(xué)問題，他被量子力學(xué)深深地吸引了，這也成為伴隨他一生的研究方向之一。貝爾師從保羅·埃瓦爾德（Paul Ewald），一名被德國驅(qū)逐出來的優(yōu)秀物理學(xué)家，曾擔(dān)任斯圖加特理工大學(xué)校長(zhǎng)，同時(shí)也是X-射線晶體學(xué)創(chuàng)始人之一。在貝爾做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，埃瓦爾德建議他去拜訪魯多爾夫·佩爾斯（Rudolf Peierls），同樣是一名德國流亡的頂尖理論物理學(xué)家。但貝爾受到當(dāng)時(shí)家庭情況的制約，想要直接去工作，并沒能遵循導(dǎo)師的建議，不過貝爾與魯多爾夫·佩爾斯的緣分并沒有盡，在未來二人依舊產(chǎn)生了交集。1947年貝爾取得了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)一等學(xué)位，并在一年后取得了數(shù)學(xué)物理學(xué)一等學(xué)位。

二戰(zhàn)后，得益于各國對(duì)于科學(xué)裝置的投入，粒子物理學(xué)得到了巨大的發(fā)展。落后于美國的歐洲物理學(xué)家們相信只有靠聯(lián)合的力量，歐洲的科學(xué)技術(shù)才能跟上其他地區(qū)發(fā)展的步伐，才能減緩智力的流失。這時(shí)的歐洲為了與美國抗衡，邁出了第一步，選擇建造一所足以有能力和強(qiáng)大的美國所抗衡的研究機(jī)構(gòu)。經(jīng)過多次艱難的談判，1952年，歐洲決定建立CERN（歐洲核子研究中心）暫時(shí)基金，1954年建立了一個(gè)永久的組織，1957年參與國家從11國增加至12國。在這樣的背景下，貝爾畢業(yè)后首先來到了位于哈威爾（Harwell）的A.E.R.E（英國原子能研究機(jī)構(gòu)）工作，隨后便被調(diào)到馬爾文學(xué)院參與設(shè)計(jì)直線加速器。在這里，貝爾對(duì)于基礎(chǔ)物理深刻的理解以及極強(qiáng)的數(shù)學(xué)能力為他在加速器的理論研究中起到了至關(guān)重要的作用。同時(shí)，貝爾也在這里邂逅了自己的工作伙伴、未來的妻子瑪麗·羅斯（Mary Rose）。1952年，他以英國代表團(tuán)和顧問的身份參與設(shè)計(jì)初期CERN第一部分的加速器。同年，得益于當(dāng)時(shí)政策的影響，貝爾決定進(jìn)一步地深造自己，他最終選擇來到伯明翰，師從曾經(jīng)沒能拜訪的魯多爾夫·佩爾斯。

來到伯明翰，貝爾需要解決的第一個(gè)重大問題就是研究方向，這時(shí)擺在他面前的有三個(gè)選項(xiàng)：量子力學(xué)基礎(chǔ)理論研究、加速器數(shù)學(xué)理論研究和佩爾斯安排的研究。雖然佩爾斯是貝爾的導(dǎo)師，但是實(shí)際上每天指導(dǎo)貝爾的是理論物理學(xué)家保羅·湯頓·馬修斯（Paul Taunton Matthews），也是在這時(shí)二人建立了深厚的友誼，在日后推舉貝爾為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員時(shí)，馬修斯就是主要的提議者。雖然佩爾斯明確反對(duì)貝爾做量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論研究，但是貝爾始終執(zhí)念著量子理論中那些困擾他的問題，所以他最終選擇了量子力學(xué)基礎(chǔ)理論作為研究方向。1954年貝爾與瑪麗·羅斯結(jié)為夫妻，并于兩年后取得了伯明翰大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。多年后，佩爾斯在自己的書中肯定了貝爾的工作，尤其是貝爾對(duì)馮·諾依曼理論缺陷和隱變量解釋的討論。

雖然貝爾和瑪麗與CERN有很多交集，但是直到1960年，二人才正式加入了CERN，貝爾在理論部門，瑪麗則加入了加速器研究小組。在CERN，貝爾的主要工作是對(duì)粒子物理和加速器的研究，但是他從未停止過對(duì)自己“業(yè)余愛好”量子力學(xué)基礎(chǔ)理論的思考。1963年，貝爾和妻子獲得了一次休假的機(jī)會(huì)，他分別拜訪了斯坦福大學(xué)、威斯康星大學(xué)和布蘭德斯大學(xué)，這時(shí)的他可以暫時(shí)放下CERN的工作，全身心地投入到量子力學(xué)的研究中。一年后，在他與妻子共同拜訪斯坦福大學(xué)時(shí)，貝爾完成了他最為著名的論文《關(guān)于EPR佯謬》。在投稿過程中，對(duì)于在斯坦福大學(xué)的貝爾來講，很自然地應(yīng)該選擇《物理評(píng)論》（Physical Review），但是《物理評(píng)論》要收取一筆高昂的版面費(fèi)，而貝爾認(rèn)為作為訪學(xué)者管斯坦福大學(xué)要這筆費(fèi)用是非常不禮貌的，所以貝爾選擇將這篇文章投給了一個(gè)并不出名并且只發(fā)行至1968年的雜志《物理》（Physics）。在這篇文章中貝爾提出了他最為著名的貝爾定理，這之后不僅為他個(gè)人帶來了極高的聲譽(yù)，也極大推進(jìn)了量子力學(xué)相關(guān)研究的發(fā)展。

直到1990年突發(fā)腦血栓，貝爾在CERN一共工作了30年。在CERN，貝爾被稱為“CERN的圣人”，很多認(rèn)識(shí)或不認(rèn)識(shí)的同事都會(huì)向貝爾請(qǐng)教各種各樣的問題，而貝爾也總是能一語道破問題的關(guān)鍵，所以貝爾經(jīng)常說“CERN像是一個(gè)有許多過路人的火車站”，他在這里每天都可以遇到新朋友，解決新問題，同事們也無不被貝爾對(duì)科學(xué)的熱情與求真的執(zhí)著所打動(dòng)。貝爾和妻子十分注重自己的隱私，他們鮮少接受采訪，也幾乎不參加社交活動(dòng)，每到午飯時(shí)，他們都只和一小群朋友吃自己帶的食物。貝爾一生都承受著偏頭疼的困擾，雖然這個(gè)問題消失了幾年，但是在他生命的最后時(shí)間里，偏頭疼還是曾幾次短暫地發(fā)生在貝爾的身上，但并沒有引起他的重視。貝爾的好友萊因霍爾德·伯特曼（Reinhold Bertlmann）也曾回憶1990年在巴黎遇到貝爾時(shí)，他的健康狀態(tài)看起來并不好。即便如此，貝爾也沒有積極求醫(yī)，才會(huì)導(dǎo)致之后的悲劇。

二、貝爾的成就

貝爾一生主要的科學(xué)成就集中在量子力學(xué)、高能物理和加速器物理上。其中，加速器物理的研究集中在20世紀(jì)50年代和80年代；量子力學(xué)的研究集中在60年代至貝爾去世；高能物理的研究則貫穿了貝爾的一生。

貝爾早期的加速器研究多是在A.E.R.E中完成的，他主要完成的工作是為直線加速器提供數(shù)學(xué)方法，并且這些方法時(shí)至今日依舊能當(dāng)作一個(gè)大規(guī)模計(jì)算機(jī)程序的起點(diǎn)。之后貝爾關(guān)于加速器的研究則是在CERN中完成的。1979年，CERN開始修建反質(zhì)子累加器（Antiproton Accumulator machine），為了解決這部機(jī)器的冷卻問題，CERN開啟了一項(xiàng)“ICE”（Initial Cooling Experiment）計(jì)劃，其中，貝爾的一部分貢獻(xiàn)就在于這個(gè)計(jì)劃中對(duì)電子冷卻的相關(guān)研究。1989年8月，歷史上能量最高的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)“LEP”在CERN正式投入使用，出于對(duì)這部機(jī)器的興趣，再加之貝爾曾經(jīng)對(duì)于直線加速器的相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，他對(duì)輻射阻尼進(jìn)行了深入研究。除此之外，貝爾還對(duì)粒子加速器儲(chǔ)存環(huán)中的黑洞輻射和電子的量子波動(dòng)的相關(guān)研究頗有貢獻(xiàn)。

貝爾對(duì)于量子力學(xué)的貢獻(xiàn)最為知名的就是1964年在《關(guān)于EPR佯謬》一文中所提出的貝爾不等式，這個(gè)具有判決性的不等式使得人們通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證糾纏態(tài)和超距作用變得可能，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家布賴恩·約瑟夫森曾經(jīng)把貝爾不等式說成是物理學(xué)中最重要的新進(jìn)展。貝爾不等式在提出之時(shí)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的要求極為苛刻，所以并沒有引起廣泛關(guān)注，直到80年代阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）等人的光子偏振實(shí)驗(yàn)，成功地驗(yàn)證了糾纏態(tài)的存在，這一研究引起了人們對(duì)貝爾定理的關(guān)注。除此之外，貝爾對(duì)與量子力學(xué)中的數(shù)學(xué)和哲學(xué)有著很大貢獻(xiàn)。數(shù)學(xué)上，馮·諾依曼在他的量子論著里預(yù)設(shè)幾個(gè)可觀察量之和的預(yù)期值等于其中每一個(gè)可觀察量的預(yù)期值之和，貝爾則敏銳地指出馮·諾依曼在他的量子論著里預(yù)設(shè)幾個(gè)可觀察量之和的預(yù)期值等于其中每一個(gè)可觀察量的預(yù)期值之和的錯(cuò)誤，這個(gè)預(yù)設(shè)雖在數(shù)學(xué)上合理，但是馮·諾依曼似乎是忽略了不確定性原理及其推論，所以在物理意義上就說不通了。哲學(xué)上，貝爾不僅對(duì)量子力學(xué)詮釋有自己獨(dú)到的見解，他也繼承了愛因斯坦的世界觀，否認(rèn)超距作用的存在。他將超距作用比作是兩只顏色不同的襪子，假設(shè)當(dāng)你知道其中一只襪子是紅色時(shí)，可以瞬間得知另一只一定不是紅色的信息，從而解釋為何會(huì)產(chǎn)生超距作用。這一經(jīng)典的例子一直被許多否認(rèn)超距作用的學(xué)者沿用至今。但是當(dāng)阿斯佩的實(shí)驗(yàn)成功后，貝爾也公正地評(píng)價(jià)道：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明愛因斯坦的世界觀是站不住腳的?！?/p>

貝爾一生中最為主要的研究方向是高能物理。在去CERN工作之前，貝爾對(duì)高能物理的研究集中在場(chǎng)論、核多體問題和核光學(xué)模型上。其中一個(gè)有趣的插曲在于，貝爾在完成他最早的一篇有關(guān)CPT定理的論文《場(chǎng)論中的時(shí)間反演》時(shí)，泡利（Pauli）和呂德斯（Lüders）的工作幾乎在同一時(shí)間先于貝爾得出了同樣的結(jié)論，但是在論文的質(zhì)量上，貝爾的論文中給出了更多綜合性的證據(jù)，并且時(shí)至今日貝爾的工作可能比呂德斯相當(dāng)正式的場(chǎng)論論證更加有意義。加入CERN后，貝爾對(duì)于高能物理的研究更加多元化。他在向量玻色子的中微子、中微子與原子核的反應(yīng)、測(cè)量理論、低質(zhì)量強(qiáng)子的光譜和結(jié)構(gòu)、包含重夸克的強(qiáng)子、強(qiáng)子的現(xiàn)代模型等方向都有自己深入的研究。其中，貝爾對(duì)于三角反常的研究至今都是測(cè)量理論中的一個(gè)經(jīng)典，這種反常表明了量子效應(yīng)會(huì)破壞經(jīng)典物理學(xué)的對(duì)稱性，它對(duì)于量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）和大統(tǒng)一理論（GUT）都具有重要的意義。

在科學(xué)上，貝爾是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的人，雖然他在量子力學(xué)上的成就更引人注目，但是他依舊選擇加速器物理作為自己的主業(yè)，而量子力學(xué)只作為業(yè)余愛好，因?yàn)樨悹柹钪?，如果沒有新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，物理學(xué)不會(huì)有新的進(jìn)展。貝爾不僅在自己所從事的領(lǐng)域有很多貢獻(xiàn)，他同樣支持主流以外新趨勢(shì)的物理學(xué)。貝爾這種對(duì)于科學(xué)廣泛的興趣，以及對(duì)于自然、科學(xué)和技術(shù)的深入理解，是他能同時(shí)在不同的領(lǐng)域都有自己卓越成就的重要原因。另外，貝爾不等式也成為科學(xué)哲學(xué)問題如何影響、轉(zhuǎn)化為科學(xué)的范例之一，推動(dòng)了科學(xué)與科學(xué)哲學(xué)間的共同發(fā)展，并開啟了糾纏態(tài)研究的大門。

貝爾除了在科學(xué)上有自己的貢獻(xiàn)外，對(duì)于物理學(xué)教育也有很大的貢獻(xiàn)。1961年，貝爾與安東尼諾·齊基基（Antonino Zichichi）共同計(jì)劃，在埃里切（Erice）建立一所教授現(xiàn)代物理學(xué)的學(xué)校。1962年，貝爾、布萊克特（Blackett）、拉比（Rabi）、魏斯科普夫（Weisskopf）和齊基基共同簽署了執(zhí)照章程，亞核物理國際學(xué)校（International School of Subnuclear Physics）就這樣正式成立了。這是一所非常特殊且自由的學(xué)校，在這里，老師也是學(xué)生，學(xué)生也是老師，無論是誰都可能為任何問題發(fā)起討論；在這里，科學(xué)沒有秘密，沒有國界，只有純粹的學(xué)術(shù)討論。這所學(xué)校另一個(gè)特殊的點(diǎn)在于，自1963年開始第一次活動(dòng)后，每年這所學(xué)校都會(huì)邀請(qǐng)新發(fā)現(xiàn)或新發(fā)明的原作者來這里親自授課，其中，有85人在埃里切授課后獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，49人則是已經(jīng)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。學(xué)生在這所學(xué)校中，可以直接與這些走在科學(xué)前沿的第一人面對(duì)面交流，這些研究者們可能更善于與科學(xué)的進(jìn)步保持同步，傳遞的知識(shí)更是原創(chuàng)性來源，而不是易受影響的書本。

此外，貝爾在自己的多篇文章中談到有關(guān)如何教學(xué)的問題，其中最具代表性的為貝爾一篇名為《如何教狹義相對(duì)論》的文章，其中貝爾用飛船模型引出狹義相對(duì)論中的問題，表達(dá)了自己對(duì)狹義相對(duì)論教學(xué)的幾點(diǎn)意見，這篇文章中所提出的飛船悖論也被廣泛用于狹義相對(duì)論的討論中。貝爾希望通過一些簡(jiǎn)單的模型來讓學(xué)生學(xué)習(xí)到某一方面知識(shí)最基本的原理，在理解基本原理后再進(jìn)行復(fù)雜問題和復(fù)雜模型的研究。

貝爾對(duì)物理學(xué)教育的關(guān)注，很有可能來自青年時(shí)對(duì)學(xué)校教育的不滿。在杰里米·伯恩斯坦（Jeremy Bernstein）關(guān)于貝爾的一次采訪中，當(dāng)貝爾談到自己高中在學(xué)習(xí)牛頓力學(xué)時(shí)，對(duì)只是滑輪和杠桿的教學(xué)，連續(xù)使用了“很大的失望”和“非常失望”表達(dá)了對(duì)當(dāng)時(shí)教學(xué)的不滿。在另一篇?dú)W姆尼對(duì)貝爾的采訪中，貝爾也提到過，當(dāng)他還是一名學(xué)生在看到量子力學(xué)時(shí)，對(duì)量子力學(xué)非常生氣，雖然導(dǎo)師對(duì)他很寬容，但是在貝爾的追問下也變得沒什么耐心了，所以貝爾在學(xué)習(xí)期間始終沒能通過學(xué)校的物理學(xué)教育，解決他對(duì)于量子力學(xué)的煩惱。筆者相信，如果貝爾沒有英年早逝，他對(duì)于無論是物理學(xué)還是物理學(xué)教育，甚至其他方面，都會(huì)有更進(jìn)一步的貢獻(xiàn)。

三、結(jié)語

當(dāng)所有人都認(rèn)為愛因斯坦和玻爾的爭(zhēng)論只是一個(gè)哲學(xué)問題時(shí)，貝爾卻將這一切變?yōu)榱丝梢苑旁趯?shí)驗(yàn)室證明的現(xiàn)實(shí)問題。貝爾毫無疑問是20世紀(jì)后半葉最有影響、最重要的科學(xué)家之一。這樣一位偉大的科學(xué)家，不僅是北愛爾蘭科學(xué)的精神領(lǐng)袖，更應(yīng)該被全世界的人尊敬和學(xué)習(xí)，所以筆者在其誕辰90周年之際寫下這篇文章，以此緬懷這位科學(xué)家對(duì)全人類的科學(xué)事業(yè)所做出的卓越貢獻(xiàn)。

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