WLA科学家说⑩ | 在实验室里待不住，他转身研究理论物理，拿了诺奖

编者按

弗兰克·维尔泽克（Frank Wilczek），是2004年诺贝尔物理学奖得主、美国理论物理学家和数学家、世界顶尖科学家协会（WLA）指导委员会成员。

理论物理神奇迷人而又晦涩难懂，维尔泽克不仅是一名顶尖科学家，还是一位杰出科普作家。他在历届的世界顶尖科学家论坛（WLF）上，把暗物质轴子、量子力学任意子等基本粒子的复杂探索过程等讲得深入浅出，令观众听得津津有味。从1989年至今，维尔泽克陆续出版了五本关于物理与现实的系列科普书籍（最新的一本Fundamentals：Ten Keys to Reality已于今年1月初出版），书中洋溢着他因科学发现而获得的热情和喜悦，并被评为“特别擅长将复杂深奥的原理和理论讲得明明白白，且令人信服”。

他建议青年科研人才的培养要从摇篮开始，并且不要把专业领域限制得太小，各个学科都应该多去了解。他认为，在漫长的科研生涯中，对科学领域的好奇与兴趣、面对科研难题时的勇敢无畏，都十分重要。

在今天的推送里，我们将看到这位科学家在普通的家境里成长，小时候就爱好“特殊”，并冥冥之中感受到了命运的召唤；求学期间，他在实验室里根本待不住，觉得主修数学才能带来最大的自由；尽管未如父母所愿成为一名医生或工程师，但他走出了一条自己的精彩之路。

弗兰克·维尔泽克  图  |  WLF

弗兰克·维尔泽克是麻省理工学院教授，因“在强相互作用理论中发现渐近自由”等夸克粒子理论方面所取得的成就，与大卫·格罗斯（David Gross）、大卫·波利策（David Politzer）一起于2004年获得了诺贝尔物理学奖。维尔泽克在1990年当选美国国家科学院院士，3年后又成为了美国艺术与科学院院士，还于1994年获得了理论和数学物理领域的最高荣誉——狄拉克奖章。

维尔泽克和格罗斯使用粒子加速器研究了夸克和作用于它们的力，结果观察到夸克结合得十分紧密，以至于它们不能被分离为单个粒子，但夸克靠得越近，之间的强力就越弱。当两个夸克非常近时，作用力就非常小，以至于夸克几乎就像是没有被任何力量束缚在一起的自由粒子一样。然而，当两个夸克之间的距离增加时，作用力会变大——类似于橡皮筋拉伸的效果。这种被称为“渐近自由现象”的发现导致了一种全新的物理理论：量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）。这一理论被用来描述强力。QCD对粒子物理学的标准模型进行了最后的修改，它描述了自然界中的基本粒子以及它们如何相互作用。 

弗兰克·维尔泽克  图  |  WLF

小时候的“特殊”爱好

“在我首次接触科研界之前，那些能使我开启科学生涯的决定性事件，就已经发生。有些甚至是发生在我出生之前。”维尔泽克在自传中写道。

维尔泽克的祖父母都是第一次世界大战后的欧洲移民，刚来美国时一无所有；而他的父母均在美国大萧条时期出生，家庭经济拮据。因此，1951年维尔泽克出生后，父母对他寄予厚望，十分看重他的教育，希望他能掌握一门技术，成为医生或工程师。

维尔泽克在纽约皇后区东北角一个名叫格伦·奥克斯（Glen Oaks）的地方长大。他从小就喜欢各种各样的谜题、游戏和神秘事物，早年的记忆都是关于他上学之前的各种“研究”。和普通的孩子不一样，他研究的都是一些“如何最快兑换不同种类的钱币（便士、镍币和硬币）”、“如何在几个步骤之内就得到一个尽可能大的数字”之类的项目，并耗费了不少时间。而有趣的是，通过第二个项目，维尔泽克发现了重复取幂和递归的简单形式，由此生成的巨大数字让他颇具成就感。

基于这些爱好，他在那时候就意识到了自己的特别之处，并认为自己将注定从事某种智力上的工作。

在那期间，维尔泽克在电子行业工作的父亲正读着夜校，小小的家中摆满了旧收音机、早期型号的电视机以及父亲的学习书籍；美苏冷战，令人兴奋的太空探索与令人恐惧的核战争常常出现在报纸、电视和电影里——这些都给维尔泽克留下了深刻印象，并让他觉得，一旦能够掌握某些神秘的知识，就能以看似神奇的方式去操控物质世界。而这，似乎是他未来踏入理论物理领域的种种先兆。

弗兰克·维尔泽克参加世界顶尖科学家论坛

图  |  WLF

中学毕业后，带着远大但尚未明确的目标，维尔泽克前往芝加哥大学继续学业。

一开始，他喜欢上了脑科学，但不久后就发现，该领域的核心问题无法用数学的方式解决，而自己又没什么耐心待在实验室工作。在阅读了各学科大量书籍后，他最终选择了数学作为主修专业——“因为数学能给我带来极大的自由”。

不过，在芝加哥大学的最后一学期，他选修了彼得·弗伦德（Peter Freund）的一门关于物理学中对称性和群论应用的课程。这成了他未来科研生涯的一个伏笔。

在维尔泽克的印象里，彼得·弗伦德是一位充满热情和灵感的老师，这也让他对该领域的物理学产生了“本能上的共鸣”。尽管维尔泽克随后在普林斯顿大学数学系继续攻读研究生学位，但他保持着对物理学的密切关注。

他发现，数学领域的深刻思想——“对称性”，正在前沿物理中慢慢浮现，如电弱相互作用的规范理论，以及威尔逊相变理论中的尺度对称性。由此，维尔泽克开始与一位名叫大卫·格罗斯的年轻教授交流，自己理论物理学家生涯也由此拉开了帷幕。两人谁也没有想到，他们还会在未来的某天一起分享诺贝尔物理学奖。

维尔泽克早期研究的重大事件是帮助发现了强作用力的基本理论，即量子色动力学（QCD）。QCD的方程基于规整对称原理，维尔泽克他们利用（近似的）缩放对称性取得了相关理论的进一步发展。在学生时代的一些思想能为基础物理重要领域提供强大而准确的理论，这让维尔泽克非常欣慰。

维尔泽克的后期工作，则更多涉足于基础物理学和应用物理学两者间的相互影响，如利用前者的见解和方法解决后者的问题，或利用后者来完善前者的理论。他表示，尽管分数量子效应、嬗变的量子统计学、奇异的超流体或低雷诺数流体规范理论等可能尚未达到能“应用”的程度，但这些领域的探索和发现，令他乐此不疲。

弗兰克·维尔泽克（右三）参加世界顶尖科学家论坛

图  |  WLF

“知识的统一性（the unity of knowledge）是我生活中的目标”，维尔泽克一直强调，他将永远像学生时代那样求知若渴，广泛涉猎各种学科，并由此扩大自己写作和工作的视野。

（部分资料来源：诺贝尔奖官网维尔泽克官方自传）

特约撰稿  蔡   骏

  编辑  冬青子

排版  杨   周

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