大物理学家的非主流养成路——六岁读科学画报 体育老师教高中数学

作者: 尹璋琦

来源: 科学大院

发布日期: 2017-10-04

本文讲述了物理学家Joseph Polchinski的成长经历和科研生涯,特别强调了他独特的学习路径和在弦理论领域的重大贡献。Polchinski从六岁开始阅读科学画报,高中数学由体育老师教授,后来在加州理工和伯克利深造,最终在弦理论和黑洞研究方面取得了突破性进展。尽管他在四十岁之前并未发表重要论文,但在四十岁后爆发出惊人的创造力,成为一代宗师。然而,脑癌最终终止了他的学术生涯。

在不少人心中,物理学家都是聪明人,能获得“基础物理学突破奖”的,更是身处人类智力巅峰。今天我们的主角,正属于智力极高的这一小撮人。不过,他走过的路和大家心里的预想可能有所偏离。最典型的一件事就是,他的高中数学真的是体育老师教的。2017年的“基础物理学突破奖”颁发给了三位弦理论家,以表彰他们在弦理论及其对黑洞、宇宙的意义方面取得重大突破。

三位获奖者分别是Joseph Polchinski,Andrew Strominger和Cumrun Vafa,他们共享300万美元。根据弦理论,所有的力和自然的粒子都是由微小的扭曲的弦组成。1995年,Joseph Polchinski表示,该理论还包含两个维度或更多的对象,称为“膜(brane)”。

该研究最终开辟了宇宙学中的一个全新分支,就像是漂浮在鱼缸中的叶子,膜理论研究的就是这样漂浮在超空间的岛状宇宙,在更高的维度上彼此碰撞或发生相互作用。在1996年的一个著名的计算中,斯特鲁明格博士和瓦法博士使用弦理论来计算黑洞的信息内容或熵。他们的结果验证了史蒂芬·霍金使用更为粗略的方法得到的预测结果,即黑洞会辐射蒸发。

虽然弦理论还未获得实验验证,但突破基金会的创始人Yuri Milner表示:“物理学奖是对智力成果的一个肯定,有时候这可能是提出一个很有创见性的问题,并不是只颁发给给出答案的人。这是和诺贝尔奖的一个重要区别。”今天我们所要说的就是Joseph Polchinski,他写了一本自传,里面有很多有趣的故事。Polchinski从小就有超常的智力。

六岁时就痴迷于阅读科学画报,所以每当他做错事,受到的惩罚就是不给他买最新一期的科学画报。他中学时学习的最高级的数学是高等代数,由他们学校的足球教练授课。这自然不能满足他的求知欲,于是他就去大学里旁听微积分,却大受打击。后来又自学群论,也没有成功。于是高中有两年都没有再学新的数学。他业余喜欢读科幻小说,下国际象棋等等。去加州理工上大学后,完全被物理迷住了,于是再也没有碰过棋盘。

在加州理工期间,费曼是他的偶像,索恩是他的新生导师,他的同学Zajk是天才的物理少年,刚刚入学,就已经读完了三卷本的费曼物理讲义。在同辈压力下,他疯狂地学习物理,并参与到科研实习中去。在伯克利念博士期间,他选择了一个爆难的题目,结果一篇论文都没有发表,只写了一篇毕业论文就毕业了。还好,在导师的强力推荐下,仍旧获得了斯坦福的博士后职位。第一个博后,两年期间也只写了3篇论文。

但仍旧获得导师强力推荐,拿到了哈佛大学的博后职位。他哈佛的博后老板见到他的第一句话是:“哦!Polchinski,我知道你是那个不喜欢写论文的家伙,让我们开始写点论文吧。”于是,两个月后他在哈佛的第一篇论文就完成了。这之后他才开始持续地产出研究论文。在回忆他早期的这几篇论文时,他通常的口吻都是,这工作三十五年来只被引用了三次……他的助理教授是在德州大学奥斯丁分校拿到的,属于温伯格领导的研究组。

那里有很多人研究弦论。他当时指导了不少中国学生。在提到一篇与学生合作的论文时,他很有歉意,因为他没有按照字母顺序把学生放到第一作者,而是自己作为第一作者。因为他做得太快了,把绝大部分工作做完了,论文也几乎是自己写完的。他后来反思,这样对学生并不好,无法让学生得到充足的训练,他们拿不到足够的学术上认可。他在德州带的最初三位学生都转行没有继续做物理了。

实际上,后来他在D膜上的突破,革命的种子就是埋藏在德州的这几篇与学生合作的论文中。可惜他太过于害羞和内向,并没有到处宣传自己的工作,让他人关注,否则他对物理学的推动力会更早体现出来。经历了几年在德州大学奥斯丁分校温伯格研究组的助理教授生涯,他搬到了UCSB。Polchinski一直确信自己很聪明,研究物理学,是希望能够回答世界最基本的问题。

但是1988年36岁时,他发现自己仍旧没有做出任何改变理论物理学发展方向的工作,与同辈人比如Witten相比,他对物理学的贡献不值一提。于是他决定写一本弦论的教科书,这本书花了他八九年才写完。在他四十岁之后,写书的过程中,他有关D膜的论文终于震撼了弦论学术界,促成了第二次弦论革命。D膜理论又促成了全息对偶、M理论等。后来他又写了弦多重宇宙理论和黑洞火墙,都震撼了整个领域。

Polchinski还做过一些与科幻有关的研究,比如说跟虫洞时间旅行有关的Polchinski悖论和超光速通讯的EPR电话。正当他处于研究黑洞火墙的高产期时,脑癌击垮了他,终止了他的学术生涯。在2015年,Polchinski就已经患了脑癌(他自己写为brane cancer),做了好多次手术,最终丧失了研究理论物理的能力。他在回顾自己的研究风格的时候,说自己对于热门研究都是跟得很慢的。

那些所有人都能做的题目他不会去做。一般都是在等风潮过去后,他去看看有没有遗漏的好东西。如果Polchinski在四十岁时就患上脑癌,失去科研能力,那么他可能终生也不过就是一个优秀的理论物理教授。毕竟四十岁之后,他才终于爆发出无与伦比的创造力,成为一代宗师。真可谓是大器晚成!

但不要以为接近40岁还没有发表重要学术论文的你,也能成为下一个Polchinski,他可是被温伯格和Witten都称为自己见过的最聪明的人。

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