休·戴维·波利策

休·戴维·波利策:重写强相互作用的研究生

1973年,一位哈佛大学的研究生,在距离获得教职还有数年的时候,发现夸克——构成质子和中子的粒子——的行为与物理学家的预期恰恰相反:它们靠得越近,它们之间的力就越弱。这是一个如此奇怪的结果,以至于波利策最初担心自己犯了错误。事实并非如此,这一发现由普林斯顿大学的大卫·格罗斯 (David Gross) 和弗兰克·维尔泽克 (Frank Wilczek) 同时独立完成,三人最终在三十年后共同获得了诺贝尔奖。

布朗克斯难民家庭的儿子

休·戴维·波利策于1949年8月31日出生在纽约市,他的家庭有着自己的流离失所史:他的父母在1939年纳粹占领前从捷克斯洛伐克逃往英国,并在第二次世界大战后移民到美国。他就读于布朗克斯科学高中 (Bronx High School of Science),这是一所著名的公立学校,培养了不成比例的美国诺贝尔奖得主,他于1966年毕业。随后,他在密歇根大学完成了物理学本科学位,于1969年毕业,之后前往哈佛大学攻读研究生,师从理论物理学家西德尼·科尔曼 (Sidney Coleman),并于1974年获得博士学位。

解释夸克禁闭的计算

波利策的决定性贡献在他完成博士学位之前就已做出。1973年,作为一名研究生,他计算了强核力——将夸克束缚在质子和中子内部的力——随着夸克间距离缩小会发生什么。源于电磁力和引力等力的传统直觉认为,相互作用在近距离应该会增强。波利策发现了相反的情况:强力实际上随着夸克的靠近而减弱,这一性质被称为渐近自由。与此同时,普林斯顿大学的大卫·格罗斯和他的研究生弗兰克·维尔泽克完全独立地得出了相同的结论。波利策发表的论文与格罗斯-维尔泽克的工作一起于1973年发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters) 上,解决了粒子物理学中的一个真正悖论:它解释了强力如何既能将夸克永久禁闭在质子等粒子内部,又能在物理学家当时进行的高能碰撞实验中表现得几乎不存在——因为在这些碰撞所探测的极短距离内,力变得松弛。这一发现成为了量子色动力学的基石,该理论描述了强相互作用。

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从初级研究员到加州理工学院教授

获得博士学位后,波利策在哈佛大学研究员协会 (Harvard Society of Fellows) 担任了三年(1974年至1977年)的初级研究员,这是一个竞争激烈的博士后职位,使年轻学者能够免于教学任务,专注于研究。随后,他转入加州理工学院 (Caltech),于1975年首次担任访问副教授,1976年获得终身教职,并于1979年晋升为正教授。他曾于1986年至1988年担任加州理工学院物理系执行主任,并最终获得了理查德·蔡斯·托尔曼 (Richard Chace Tolman) 理论物理学教授的头衔。除了渐近自由之外,波利策还与托马斯·阿佩尔奎斯特 (Thomas Appelquist) 合作研究了与粲偶素 (charmonium) 相关的理论预测,这是粲夸克及其反夸克的束缚态,进一步为20世纪70年代夸克物理学这一年轻领域做出了贡献。

数十年后的诺贝尔奖

2004年诺贝尔物理学奖共同授予波利策、大卫·格罗斯和弗兰克·维尔泽克,“以表彰他们在强相互作用理论中发现渐近自由”,认可了三人于1973年完成的工作,这距离获奖已经过去了三十多年——这提醒人们,诺贝尔委员会有时需要多长时间来确认一个理论结果是否经受住了数十年的实验审查。波利策此前已因同一工作获得了认可,包括1986年的樱井奖 (Sakurai Prize) 理论粒子物理学奖和2003年欧洲物理学会的高能粒子物理学奖,并于2011年当选为美国艺术与科学院院士。

一位不走寻常路的物理学家

波利策在粒子物理学之外的兴趣对于一位理论家来说是非常公开的。他弹奏班卓琴,并对弦乐器的物理学进行了研究,将他的专业训练应用到了爱好中。20世纪80年代,他曾担任一支名为“波利策教授与Rho介子”(Professor Politzer and the Rho Mesons) 的乐队的主唱,这是一个关于亚原子粒子的双关语。他还在1989年的好莱坞电影《胖子与小男孩》(Fat Man and Little Boy) 中意外出镜,该片讲述了曼哈顿计划,他饰演物理学家罗伯特·瑟伯 (Robert Serber)——据统计,这使他的埃尔德什-培根数 (Erdős–Bacon number) 为5,这是一个结合了学术合作距离和电影表演合作距离的幽默指标。

为什么休被称为天才

波利策的天才案例基于他在学生时代所做的一项单一且极其反直觉的计算,该计算直接违背了物理学界对自然界中其他所有力的物理直觉。发现力在短距离内变弱而不是变强,既需要对当时尚处于起步阶段的量子场论数学有技术上的掌握,也需要足够的精神独立性来相信一个乍看之下似乎是错误的答案。这个故事中最诚实的复杂之处在于,这一发现并非他一人所有:大卫·格罗斯和弗兰克·维尔泽克独立且几乎在同一时刻得出了相同的结论,诺贝尔委员会将奖项一分为三的决定反映了这种同时性,而不是对波利策工作的贬低。这种近乎同时的发现,在物理学领域当一个领域准备好接受一个想法时是很常见的,它并没有抹杀这一成就,而是将其置于背景中:波利策的洞察力与其说是个人的天才闪光,不如说是对量子色动力学潜在数学在某种意义上等待有人注意到的结论的最敏锐的早期阐述。

遗产

渐近自由仍然是粒子物理学标准模型的支撑思想之一,支撑着现代关于夸克和胶子如何在质子、中子以及大型强子对撞机等设施的高能粒子碰撞碎片中表现的计算。波利策在让他成名的发现之后,在加州理工学院继续了他的职业生涯数十年,留下了一系列理论物理学著作,并伴随着一系列异常折衷的外部追求,从班卓琴声学到在好莱坞曼哈顿计划戏剧之一中担任配角。

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