1947年9月,我注册成为伊萨卡(Ithaca)的康奈尔大学物理系的研究生。在汉斯·贝特的指导下,我学习如何从事物理学研究。贝特不仅是一个伟大的物理学家,在训练学生方面也极为卓越。当我到达康奈尔并向这个伟大人物介绍自己的时候,他的两件事情立即给我留下了深刻印象。第一,他的鞋子上有许多泥泞。第二,其他的学生称呼他为汉斯。在英国,我从未遇到过任何此类事情——教授们通常受人尊敬,也会穿着干净的鞋子。
没多少天,汉斯就为我找到了一个好问题。他有一种神奇的为技艺和兴趣各异的学生找到好问题的能力,既不会太难,也不会太容易。他有八到十个学生在从事研究工作,但是对于让我们忙忙碌碌又不失快乐,他看上去似乎都毫无压力。他差不多每天都和我们在食堂吃午饭。几个小时的聊天之后,他就能精确地判断每个学生能做点什么了。按照预先安排,我只能在康奈尔待九个月,所以他就给了我一个他知道我能在那段时间内完成的问题。正如他所说,这问题精准地在那段时间被解决了。
在那个特殊时刻来到康奈尔是幸运的。1947年是战后物理学繁花盛开的一年。在战争期间处于休眠状态的种子苏醒过来,新思想和新实验的春芽在到处萌动。战争期间在诸如轰炸机司令部和洛斯阿拉莫斯工作的科学家们回到了大学校园,立即就忙不迭地投入到了纯粹科学的研究中。他们急匆匆地要把在战争期间丢失的时间弥补回来,他们精力充沛、热情洋溢地投入工作中去。1947年的纯粹科学开始热闹起来。而汉斯·贝特彼时刚好就置身在这种纯粹物理学复兴的中期。
那时有一个核心的未解决问题,它吸引了相当数量的物理学家的注意力。我们称之为量子电动力学(quantum electrodynamics)问题。问题说起来很简单,那就是还不存在一个描述辐射和吸收光的原子或电子的通常行为的精确理论。量子电动力学就是这个还缺失的理论的名字。以量子命名是因为理论必须考虑光的量子本性,前缀electro指理论要处理到电子(electron),动力学(dynamics)一词则是说它要描述力和运动。从战前一代的科学家——比如爱因斯坦、玻尔(Bohr)、海森堡(Heisenberg)和狄拉克(Dirac)——那里,我们继承了关于这样一个理论的一些基本想法。但基本想法是远远不够的。这些基本的想法会粗略地告诉你原子会如何行为,但是我们希望能够精确地计算这种行为。当然,科学之中常有这样的事,就是问题太复杂了,没法精确计算,人们只能满足于一种粗糙而定性的理解。1947年的奇异之处在于,即便诸如氢原子和光量子那样最简单和最基本的对象,我们都没有办法精确理解了。汉斯·贝特相信,如果我们能够知道如何用那些战前的思想作和谐一致的计算,一个正确并精确的理论就会浮出水面。他就像摩西 (Moses)站在山顶一样向我们指出了大有前途的领域。我们这些学生要做的就是朝那里进发并且安顿下来。
在我到康奈尔之前数月,发生了两件大事。第一,在纽约的哥伦比亚大学,人们做了一些实验,它们以比之前精确1000倍的方式测量了电子的行为。这使得创造一个精确理论的问题变得极为迫切,实验所提供的一些精确数字也需要理论家去给予解释。第二,汉斯·贝特自己就针对这问题作了首次的理论计算,这个计算实质性地超出了战前所做的工作。他计算了一个氢原子中的电子的能量,其答案与哥伦比亚实验得到的结果吻合得相当好。这说明他走在正确的道路上。但是他的计算仍然是旧思想在物理直觉引导下的拼凑物。它没有坚实的数学基础。它甚至和爱因斯坦的相对论原理都不相容。这就是我在9月份加入汉斯的学生群体时整个事情的样子。
汉斯给我的问题就是重复他对电子能量的计算,但是要以最小的改变使之与相对论相容。对像我这样的人来说,这是个理想的问题——我有很好的数学背景,但是对物理学知之甚少。我一头扎了进去,写下了满满几百页的计算。在这个过程中,我也在学习其中的物理。几个月之后,我得到了一个答案,它和哥伦比亚的实验仍然足够接近。但是我的计算还是一种拼凑。在任何基本的意义上,我都没有改善贝特的计算。我并没有比贝特更接近对电子的基本理解,但是那些投入计算之中的冬季月份给了我技巧和信心。我掌握了我自己的工具,现在我已经为开始思考做好准备了。
作为量子电动力学之外的一种放松,我被鼓励每周在学生实验室待几小时做做实验。这些并非研究性的实验。我们只是走走过场,重复那些著名的旧实验——在实验之前我们就知道结果该是什么样子了。其他的学生在嘟囔,觉得他们在浪费时间闹着玩。但是我觉得那些实验真迷人。还在英国的所有时间里,我从来都没有能够轻松自如地待在一个实验室里。我之前读到过的那些奇异的事物——晶体、磁体、棱镜和分光镜,都真实可触就在眼前,我还可以操作它们。当测量到各色的光照射到一个金属表面上所产生的电动势并借以印证了爱因斯坦关于光电效应 的定律时,那种感觉近乎神奇。不幸的是,我在米立根(Millikan)油滴实验上栽了跟头。米立根是芝加哥大学的大物理学家,他第一次测量了单个电子的电量。他制作了细小油滴组成的雾状物,他用强电场推拉这些油滴并在显微镜下观察它们四处游荡。油滴如此细微,它们中的一些只带有一两个电子的净电荷。我的油滴也飘荡得很好,然后我拉错了调节电场的把手。人们发现我四脚朝天地倒在了地板上,这也就终结了我作为一个实验家的生涯。
我从来没有后悔过我和实验的简单甚至致命的接触。这种经历,比任何别的东西都使我更深刻地理解了爱因斯坦的评论的真理性:“可以说,世界的永恒奥秘就在于它的可理解性。”就在这里,我一周一周连续坐在桌前,做着最复杂和最细致的计算,想要算清楚一个电子该如何行为;而电子就在我的小油滴上,并不必等待我的计算结果就知道该怎么行为。谁会认真相信,电子真的会在意我的这样或那样的计算?然而哥伦比亚的实验指出,电子确实在意。也不知怎么地,我在涂写的这种复杂计算就确立了油滴上的电子必定要遵循的规则。我们知道事情就是这样的。为什么会这样,为什么电子会注意到我们的数学,这是一个哪怕爱因斯坦也不能洞悉的奥秘。
在日常和汉斯一起度过的午餐时间里,我们没完没了地聊物理,聊技术细节,聊深刻的哲学奥秘。总体来说,汉斯对细节比对哲学更感兴趣。当我提哲学问题的时候,他常常会说:“你该去和奥皮(Oppy)聊那些东西。”奥皮指的是罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer),他那时刚刚被任命为普林斯顿高等研究院的院长。冬天的某个时候,汉斯和奥皮聊到我,他们同意在康奈尔之后,我应该去普林斯顿待一年。我渴望和奥皮一起工作,但我也有些害怕。奥皮已经是一个传奇人物了。他曾经是洛斯阿拉莫斯的炸弹项目的发起者和领导者。在那里的时候,汉斯曾在他的麾下领导理论小组。汉斯对奥皮极为尊敬。但是他警告我不要指望在普林斯顿会过得舒坦。他说奥皮可不乐于忍受蠢蛋,而且他有时会过于草率地认定谁是蠢蛋。
我们在康奈尔的学生小组的成员之一是罗西·罗曼尼兹(Rossi Lomanitz),一个来自俄克拉荷马州(Oklahoma)的性格粗犷的人物,他住在伊萨卡外面一个废弃的农舍里,据传言他是一个共产党员。罗曼尼兹从未到过洛斯阿拉莫斯,但是在洛斯阿拉莫斯的项目开始前,他就已经在加利福尼亚和奥皮共同从事炸弹项目了。在1947年,身份上是一个共产党员还不像后来那样是一种严重的罪行。七年后,当奥皮被宣布是一个安全风险的时候,对他的指控之一是,他没有试着阻止军方征募罗曼尼兹。庭审上,检察官罗伯(Robb)认为,奥皮对罗曼尼兹的关照出于一种邪恶的动机。奥皮回应罗伯:“我与我的学生的关系,不是我站在班级前向他们讲课的那种关系。”这个评论精准地概括了究竟是什么使得汉斯和奥皮成为伟大的教师。1947年,安全听证和政治迫害还遥远到没有被我们想到。罗西·罗曼尼兹不过像我们其他人一样是个学生。而奥皮是伟大的民族英雄,你可以见到他的脸装点着《时代》和《生活》那样的杂志的封面。
在来到康奈尔之前我就知道汉斯在洛斯阿拉莫斯待过。我没有预先知道的是,我将会发现整个洛斯阿拉莫斯群星的相当一部分,除了奥皮,会再度齐集康奈尔。战前汉斯就在康奈尔,所以当他回来的时候,他就为尽可能多地在洛斯阿拉莫斯和他一道工作过的聪明的年轻人找到了工作。所以在康奈尔,我们有罗伯特·威尔逊(Robert Wilson),他曾经是洛斯阿拉莫斯实验物理的头头;我们有菲利普·莫里森(Philip Morrison),他曾经前往马里亚纳群岛照看后来用于广岛和长崎的原子弹;我们还有迪克·费曼(Dick Feynman),他曾经负责计算中心,我们还有许多其他人。看到自己如何迅速而容易地与这帮战争经历和我迥然不同的武器先驱们打成一片,我都觉得吃惊。
人们会没完没了地谈论在洛斯阿拉莫斯的日子。这种谈话里总是闪烁着一种自豪感和怀旧情绪。对这些人中的每一个人而言,洛斯阿拉莫斯的日子曾是一种伟大的经历,一段包含了刻苦的工作、同志式的友谊和深刻的幸福的时光。我有一种印象,他们之所以乐于来到康奈尔,主要就是因为康奈尔物理系仍然保有洛斯阿拉莫斯氛围当中的某种东西。而我也确实能感受到这种鲜活的氛围的存在。那是青春,那是健康,那是不拘礼节,那是在科学上一起做些伟大事情的共同的野心——却没有任何对声望的嫉妒和争吵。多年以后,汉斯·贝特和迪克·费曼确实获得了实至名归的诺贝尔奖,但是在康奈尔,没有人争夺奖赏或者个人荣耀。
洛斯阿拉莫斯人不会公开谈论原子弹的技术细节。真是令人惊奇,人们是那么容易谈论起那个项目,却又能够游刃有余而不触及危险话题。只有一次,我让午餐桌前的每一个人都局促不安了。我天真地评论说:“幸好爱丁顿证明了用氢去造炸弹是不可能的。”一阵尴尬的沉默之后,正进行着的聊天话题突然换掉了。在那些日子里,任何有关氢弹的想法都是高度机密。午饭后,一个学生把我拉到一边,他悄悄告诉我,很不幸,爱丁顿是错的,洛斯阿拉莫斯曾经做过大量有关氢弹的工作。他还告诉我以后千万别再提这个项目了。我很满意他们信任我,让我知道了这个秘密。在那之后,我觉得自己也真成了他们中的一分子。
为了让公众了解他们生活中的核事实,许多洛斯阿拉莫斯的老兵参与到了相关的政治活动中。他们要传达的信息的要点是,美国独霸核武的状况是不能持久的,长远看来,幸存的唯一希望在于将核活动完全移交给一个强有力的国际权威。在传播这个信息方面,菲利普·莫里森尤其雄辩。奥皮则一直在向政府部门里的朋友讲述相同的事情,只是相对而言更静悄悄地。但是到了1948年,很清楚的是,基于战时的美苏联盟建立一种有效的国际权威的机会已经失去了。核军备竞赛开始了,国际控制的想法至多也只能是一个长远的梦。
我们和汉斯在午餐时间的谈话,常常以洛斯阿拉莫斯以及围绕发展和使用核弹而产生的道德问题为中心。汉斯为这些问题所困扰。但是其他的洛斯阿拉莫斯人则极少被困扰到。似乎直到广岛之前,根本就没有几个人被困扰过。当这工作还在进行中的时候,他们一心一意扑在技术细节上,全身心地投入到了工程的技术成功中。他们忙得顾不上后果。1945年6月,亨利·史汀生任命了一个就核弹使用向他提供建议的小组,奥皮是小组成员之一。奥皮支持史汀生使用核弹的决定。但是那时候,奥皮没有和任何他在洛斯阿拉莫斯的同事讨论过此事,甚至和汉斯都没有。他独自承担了责任。
1948年2月,《时代》杂志刊发了对奥皮的访谈,奥皮的著名忏悔就出现在了那里:“在某种大致的意义上——这一意义不是任何俗语、任何幽默以及任何夸大所能阐明的——物理学家知道他们的罪孽,这是一种他们不能丢失的知识。”在康奈尔的大多数洛斯阿拉莫斯人都拒绝奥皮的评论,他们为此而愤愤不平。他们没有什么罪孽感。为了帮助赢得战争,他们做了一项困难而必要的工作。奥皮在公众面前为他们的罪孽落泪,他们认为这是不公正的,因为制造出任何致命武器以供战争之用的任何人,都同样有罪。我能理解洛斯阿拉莫斯人的气愤,但我和奥皮一致。洛斯阿拉莫斯的物理学家们的罪孽不在于他们制造了致命的武器。制造原子弹,在他们的国家卷入反对希特勒德国令人绝望的战争的时候,在道德上是有理由的。但是他们不仅制造了炸弹,他们甚至享受了制造炸弹的过程。就是在制造它的时候,他们度过了他们人生中的最好时光。我想,那才是奥皮在说他们身负罪孽的时候脑子里所想的东西。他是对的。
在过了几个月之后,我能够辨认出美国学生身上的那种特质了,它是奇怪而吸引人的。他们缺乏生命的悲剧感,而对于我这一代的欧洲人,这一悲剧感是根深蒂固的。他们从未与悲剧相处,也对它毫无感觉。没有悲剧感,他们也没有负罪感。他们似乎都太年轻和太天真了,虽然他们大多数都比我大。他们经历了战争,却没有留下伤疤。对于他们,洛斯阿拉莫斯是一场伟大的欢愉。他们的清白未受触动。那就是他们不能接受奥皮的说法是在表达一种关于他们自己的真理的原因。
对于欧洲人来说,历史的重大转折点是第一次世界大战,而非第二次世界大战。一战创造了那种远在二战之前就已经成为我们呼吸的空气的一部分的悲剧心态。奥皮成长的时候濡染于欧洲的文化之中,他熟悉那种悲剧感。汉斯,作为一个欧洲人,也有这种悲剧感。年轻的土生土长的美国人,除开迪克·费曼,仍然生活在一种没有阴影的世界中。现在,30年后,事情已经大为不同了。越南战争在美国人的生活中造成了一种基本的心态上的改变,那和一战在欧洲产生的氛围一样。现在的美国年轻人,在精神上要比30年前更接近欧洲人。对我们所有人来说,天真无邪的时代都结束了。
迪克·费曼在这方面——正如在每一个其他方面,是个例外。他是一个年轻的本土美国人,他和悲剧共度过。他爱过一个灿烂而有艺术气质的姑娘,和她结了婚,但她却正因肺结核而死去。他们结婚的时候,他们都知道她在慢慢死去。迪克去洛斯阿拉莫斯工作的时候,奥皮把他的妻子安排在了阿尔伯克基(Alburquerque)的一家疗养院,那样他们就能尽可能地待在一起了。她死在了那里,就在战争结束前几周。
一到康奈尔,我就开始意识到,迪克是我们系里最生气勃勃的人物。在许多方面,他让我想起弗兰克·汤姆森。迪克不是个诗人,当然也不是共产党员。但是他响亮的声音,他敏捷的思想,他对各种各样的事物和人的强烈兴趣,他的疯狂的笑话,以及他对权威的不逊,这些都像极了弗兰克。我在学生宿舍有一个房间,有时清晨两点钟的时候,我醒来时会听到一种有着奇怪节奏的声音在静谧的校园里跳动。那是迪克在敲他的邦戈鼓。
迪克也是一个深刻的原创性的科学家。他拒绝接受任何人对任何事的说法。这意味着他要被迫为自己重新发现或发明几乎整个物理学。为了重新发现量子力学,他集中精力工作了五年。他说他不能理解教科书里的那种正式版本的量子力学,所以从一开始他就得从头做起。这是一种英雄主义的进取心。在那些年里,他比我曾知晓的任何人都要勤奋。最后他有了一个他自己可以理解的量子力学。然后他用自己版本的量子力学去继续计算电子该如何行为。他可以重现早先一些时候汉斯用更正统的方法计算出来的结果。但是迪克可以走得更远。他用自己的理论计算了电子行为的精细的细节,而这是汉斯的方法力所不逮的。迪克能比任何其他人更为精确地计算这些东西,甚至还更为简单。我为汉斯做的计算,运用了正统的方法,让我工作了好几个月,用掉了几百页的纸。迪克能得到同样的答案,而且用半个小时就能在黑板上算出来。
所以这就是我在康奈尔发现的情形。汉斯在用迪克所不能理解的老量子力学烹调书。迪克在用他自己私人的量子力学,其他任何人都不能理解。只要他们计算相同的问题,他们就会得到相同的答案。而迪克能计算一大堆汉斯不能算的东西。对我来说,很明显迪克的理论必定更加基本地正确。在完成了汉斯的计算后,我拿定主意,我主要的工作,必须是理解迪克,并且用一种这世上其他人能够理解的语言解释他的思想。
1948年春天,汉斯和迪克去参加了一个专家会议,会议由奥皮安排在波科诺山(Pocono Mountains)的一家旅馆里举行,旨在讨论量子电动力学的问题。我不在邀请之列,因为我还不是一个专家。哥伦比亚的实验家们去了那里,尼尔斯·玻尔和其他许多重要物理学家也在。会议的主要事件是一场八小时报告,报告人是朱利安·施温格(Julian Schwinger),哈佛的一个年轻教授,奥皮曾经的学生。朱利安似乎解决了主要问题。他有一个量子电动力学的新理论,可以解释全部哥伦比亚实验。他的工作是建立在正统原理之上的,其数学技术堪称杰作。他的计算极端复杂,听众里没有几个人在整个八小时报告里都全程在场。但是奥皮理解了,他对每一件事都报以赞许。朱利安结束后,该轮到迪克了。迪克试图告诉筋疲力尽的听众,他如何能用自己的非正统的方法更为简单地解释同样的实验。没人能理解迪克哪怕一个字。最后奥皮做了些伤人的评论。事情就是这个样子,迪克满怀沮丧地从会议现场回到家。
在康奈尔的最后几个月里,我努力尽可能多地见到迪克。关于迪克,非常好的事情是,你无须担心你是在浪费他的时间。大多数科学家,当你走近他们和他们说话的时候,他们都是很礼貌的,他们会让你坐下,但是只消一会儿工夫你就能从他们无聊的表情或者烦躁的手指注意到他们正希望你能走开去。迪克不是那样的。当我走进他的房间而他又不想说话的时候,他就会嚷道:“走开,我忙着呢。”他甚至连头都没有转,而我就会乖乖走开。下一次我来的时候,他会让我坐下,我知道他并非仅仅出于礼貌。许多小时里,他谈论自己版本的物理学,而我也最终抓住了窍门。
迪克的物理学难以被普通人掌握的原因是他不使用方程。自牛顿以来,从事理论物理学的惯常方法都是从写下某些方程开始,然后就是努力计算方程的解。这就是汉斯、奥皮和朱利安·施温格做物理的方式。迪克只是从他的头脑里写下解来,但却不曾写下方程。对于事情如何发生,他有一种物理的图像,这种图像能够以最少的计算直接给出问题的解。那些一生都在解方程的人被他弄得一头雾水是不奇怪的。他们的头脑是分析的,而他的是形象化的。我自己所受的训练,自与比亚乔的《微分方程》奋斗的遥远日子开始,就是分析的。但是当我倾听迪克,盯着他画在黑板上的奇怪图形的时候,我渐渐吸收了一些他的形象化的想象力,我开始对他那个版本的宇宙感到自在了。
迪克的洞见,实质是一种对所有约束的放松。在正统的物理学里,你说,假定电子在某个时刻处于这个状态,然后你去解某个方程去计算它下面会怎么做,从方程的解你可以计算出来在之后的某个时刻它将如何如何。作为替代,迪克说得很简单,电子可以做任何它喜欢做的。电子以所有可能的方式走遍所有的空间和时间。只要它选择,它甚至能在时间方向上倒着走。如果你从某个时刻处于这个状态的电子开始,你想知道在另一个时间,它会不会在其他什么地方,你只消把将电子从一个状态带到另一个状态的所有可能的历史的贡献累加起来就可以了。电子的一种历史是空间和时间中的任何一条路径,包括在时间上前前后后跑动的锯齿状的路径。电子的行为就是按照迪克找出来的某种简单规则将所有的历史加到一起的结果。只需要细微的改动,这种花招就能不仅对电子奏效,对其他每一样东西也都能奏效——原子、棒球、大象,如此等等。只是对棒球和大象来说,规则更加复杂罢了。
只要你习惯它,这种对历史求和的看待事物的方法就不是真的那么神秘了。正如其他的深刻的原创性思想,它渐渐被吸收进了物理学的构造之中。30年后,我们甚至难以记起最初的时候我们何以觉得它如此难于掌握。我真是太幸运了,1948年这一新思想呱呱坠地的时候我恰在康奈尔,在一个短时间里我还成了迪克的共鸣板。我见证了这个长达五年的智力奋斗过程的最后一步,迪克为他自己的大统一美景闯开了一条道路。我所见到的迪克,让我想起了六年前我所听到的凯恩斯说牛顿的话:“他的特殊天分在于那种在思想中持续抓住纯粹精神性问题的力量,直到他可以直接看穿它。我想象他的超绝之处要归因于他的直觉力量,这是人之前从未被赋予过的最强烈而持久的直觉。”
1948年的那个春天有另一件值得记住的大事。汉斯收到了一个来自日本的小包裹,里面有一本新物理杂志的头两期。这杂志是《理论物理进展》,出版于京都。这两期杂志是用英语刊印在质量不好的褐色纸张上的。它们包含总共六篇短文章。第2期上的第一篇题目是“关于波场量子理论的一种相对性不变的形式表述”(A Relatively Invariant Formulation of the Quantum Theory of Wave Fields),作者是东京大学的朝永振一郎(S.Tomonaga)。在文章的下面有一个脚注:“本文译自……(1943年)原以日文发表。”汉斯让我读这篇文章。简单清晰而没有任何数学上的精致,这篇论文包含了朱利安·施温格理论的核心思想。这种意外令人吃惊。也不知道是怎么做到的,在战争的废墟和骚乱中,在完全孤立于世界其他部分的处境中,朝永振一郎在日本维持了一个理论物理学的研究学派,这个学派在那个时候在某些方面比世界上任何其他地方都要领先。在施温格之前五年,没有来自哥伦比亚的实验的帮助,朝永振一郎独自推动和奠定了新的量子电动力学的基础。在1943年的时候,他还没有完成这个理论,也没有把它发展成一种实用工具。把这个理论变成一种和谐融洽的数学结构的荣誉,应当公正地归于施温格。但是朝永振一郎迈出了实质性的第一步。1948年的春天,他就在那里,坐在东京的灰烬和废墟中,给我们寄来了那个可怜的小包裹。对于我们,它的到来仿佛来自深处的声音。
几周之后,奥皮收到来自朝永振一郎的私人信件,其中描述了日本物理学家近期的更多工作。在和施温格相同的方向上,他们一直进展迅速。正常的通信很快建立起来。奥皮邀请朝永振一郎访问普林斯顿,朝永振一郎的学生后来也接连来到普林斯顿和康奈尔同我们一起工作。当我第一次见到朝永振一郎的时候,寄给我父母的一封信记录了我迅即产生的对他的印象:“他比无论施温格还是费曼都更擅长谈论思想而不是他自己。关于他自己,他也有足够多的东西可谈。他是个格外无私的人。”在他的桌子上,在一堆物理杂志中间,放着一本《圣经·新约》。