杨振宁谈费米：举一个非常简单的例子杨振宁
费米(1901-1954)是20世纪的一位大物理学家，他有很多特点。他是最后一位既做理论，又做实验，而且在两个方面都有第一流贡献的大物理学家。认识费米的人普遍认为，他之所以能取得这么大的成就，是因为他的物理学是建立在稳固的基础上的。用英文讲是“he has both of his feet on the ground”，就是说，他总是双脚落地的。
我给大家举一个非常简单的例子。1925年至1926年矩阵力学和波动力学建立，1927年海森堡(1901-1976)的测不准原理又问世，这时质点的量子力学基础已经奠定了。但是，要计算一个电子从一个态跳到另一个态的跃迁概率，还要用对应原理，这是一个半路出家的办法。对此，有好几个人，其中最主要的是狄拉克(1902-1984)，进行了初步的讨论，认为需要把电子的运动与电磁场结合在一起，把它们看成一个运动系统，然后对这整个的系统进行量子化。这样，就形成了量子电动力学，所以大家公认狄拉克是量子电动力学的创始人。狄拉克的文章发表以后，泡利(1900-1958)和海森堡对这个工作非常感兴趣，他们把这种场论大大地向前发展。我记得，我在芝加哥大学做研究生时，曾经花了很多时间来研究他们在那两年里所写的文章。这些文章都非常难懂，因为它们太形式化了。
在那个时候以前，费米没有参与过量子力学本身的奠基性的工作。他的关于统计力学的研究工作是在量子力学建立之前发表的。那时，他在意大利。那里的近代物理学当时不是最发达的，费米完全是独自做研究的。他看到了狄拉克的工作，也看到了泡利和海森堡的工作。他对这些工作不太满意。其中最重要的一点是，在这一理论中有一个叫作标量势的量A0，找不到它所对应的动量，这在当时引起了一些紊乱。
费米讨论了这个问题，在1930年写了一篇文章，是用意大利文写的。1932年，在《现代物理评论》上用英文发表了。他的这篇文章直截了当、非常具体地奠定了量子电动力学的基础。不管当时狄拉克、泡利、海森堡写了多少篇文章，他们所做的东西都偏于形式化，所得的结果不具体，不清楚。然而，经过费米的工作，就变得非常具体，非常清楚了。当时一些从事这方面工作的人，比如乌伦拜克(Uhlenbeck)，就曾说在费米的文章出来以前，没有人懂量子电动力学，算来算去都是一些形式化的东西，对于具体的内容并没有理解。费米的文章出来以后，才真正地懂了。费米的这种扎扎实实、双脚着地的特点，正是他的基本成功之处。这一点不只是表现在刚才所讲的很复杂的量子电动力学上。从简单的到复杂的所有的问题，经过费米一处理，都变得非常清楚了，使得你觉得中学生都可以懂。
正像在我的那篇《读书教学四十年》的文章中所讲的，我在做学生时，受到费米的影响非常之大。其中最重要的是我了解到物理不是形式化的东西。
1948年我在芝加哥大学得了博士学位（注：这一年6月份博士毕业，杨先生26岁，用了两年半拿到博士学位）之后，当了一年教员。1949年春天，奥本海默(1904-1967)来演讲。当时在美国，奥本海默是众所周知的物理学家，因为他成功地主持了战时原子弹的研制工作。那时正是量子电动力学中重整化问题的研究处在高峰时期。在芝加哥大学，费米和温采尔、泰勒(1908-2003)等几位教授对这一问题非常感兴趣，但是他们还没有细致地做这方面的工作。奥本海默那时主持普林斯顿高等研究院，那里有很多年轻人（包括戴森等）在做这一工作。听完奥本海默的演讲之后，我觉得我应该到那里去。
于是我去找费米，也找了泰勒，请他们介绍我去高等研究院。他们两位很赞同，因为那里有很多年轻人，经常有很多新问题讨论。奥本海默回了信，接受我去高等研究院。这时，费米对我说，他很高兴我去那里，可是又说，那个地方不是久留之地，因为那个地方像是一所修道院，是为培养传教士的。这种观点清楚地表示出了费米的物理学的精神，它也确实是我们做学生时平常与他接触所得到的最深刻的印象。
费米对于“什么是物理，什么不是物理”有一个很清楚的价值观念。他认为太多形式化的东西不是不可能出物理，只是出物理的可能性常常很小，因为它有闭门造车的危险。而跟实际接触的物理才是能够长期站得住脚的物理。我后来对于物理的价值观念深深受到了费米的影响。这里，我们不妨做一个比喻。物理学的发展，可以比作研究一张非常大的画。对这张画首先要有近距离的了解，因为它画得非常精细，你在每一个不同的地方都可以发现非常奥妙的结构。
这个近距离的了解非常必要，如果没有这种了解，就不可能理解物理学的真正的精神。但是，如果一个人只做近距离的了解，他便不能得到最大的成就。把这许许多多近距离的了解加起来还不够，还需要有宏观的了解，为此就需要有能力走远了去看。这时，你会发现一个大的结构。对于一个物理学家，最希望他能做的是，既要对大的结构有了解，又要对细致的结构有了解。只有把这两者结合起来，才能够真正吸取自然界物理现象基本规律的精髓，也才能真正有贡献。费米就是这样一个两方面都做到的人。
费米还认为，物理学发展的方向必须要从近距离的了解开始，才能得到大的规律。当然，也许有人要问，爱因斯坦发现广义相对论时，是不是用非常大的原则来做的呢？我想，回答是这样的：不错，他发现广义相对论是用大的原则来做的，表面上看起来，不是从具体开始的。不过，你如果再仔细地想一想，他取了哪些原则，他为什么抓住了那些原则，以及他怎样运用这些原则来写出广义相对论的，你就会了解，他的那些原则还是由他从近距离所看到的那些规律归纳出来的。换句话说，爱因斯坦吸取的过程，仍然是从近距离变成远距离，然后从远距离得到规则再回到近距离来。
总而言之，我认为，一个完全只想从远距离的规律来向物理学进军的人是极难成功的，或者说，几乎是史无前例的。费米对这一点的认识最为清楚。你去听他的课也会有同样的感觉。他所讲的总是从实际现象开始，用最简单的方法描述出来。你仔细地琢磨就会发现，有时候有非常重要的大的规律在里面，而这个规律却永远不是他开始的地方。
因为费米对具体的事情懂得很多，对于大的规律又有很直觉的了解，所以有时候会发生一些很有意思的事情。这类事情在物理学里常常发生。我下面就要给大家讲一个故事。这个故事是在费米去世以后，钱德拉塞卡讲的。钱德拉塞卡是一位大天文物理学家，在三四年前获得了诺贝尔奖金。50年代初他与费米曾经在芝加哥大学合作过。他非常佩服费米。这个故事就是费米讲给他听的。
费米是在30年代从一个纯粹的理论物理学家变成一个实验物理学家的。在那以前，我们大家所知道的他的几个最重要的工作都是纯理论的。最早，他曾研究黎曼几何，里面有一个定理，现在还称作费米定理，那是一个纯粹几何学的定理。以后，他的最重要的贡献是费米-狄拉克统计，那是在1924年完成的。1930年左右，他用一个很简单的方法完全解决了当时困惑人们的原子超精细结构中的一个问题。与此同时，他还讨论了量子电动力学中库仑场如何处理的问题，从而使大家第一次真正懂得了量子电动力学是怎么一回事。他在1933年发表了非常重要的β衰变理论。他自己认为这是他一生中关于理论物理的所有工作中最重要的一项。这一点，我不大同意，等一会儿我们再讨论。
就在这个时候，他改变了方向，转向从事实验工作。他是第一个发现慢中子作用的人。大家知道，查德威克在1932年发现了中子。从那时起，很多人都来做中子的实验。费米和他的研究组的同事和学生在罗马也做这方面的实验。他们看到了一个非常稀奇的现象：他们希望用一个屏把中子流挡住，可是他们发现，当有的屏放上去以后，中子流反倒越强了。我们现在当然完全懂了，这是因为有的屏蔽物把中子变慢了，而慢中子作用更大。
他们在当时却觉得非常稀奇，屏蔽物放得越多，后面的中子好像越多。在50年代，费米跟钱德拉塞卡说，他记得非常清楚，在他们没有弄懂这件事时，他们想再找一些新的屏来试一试。因为要吃午饭了，大家都走了。饭后，费米说，不知道是什么缘故，他做了一个完全是下意识的决定。他对大家说：“我们不要用重的物质做屏蔽，而用一个非常轻的物质试一试。”结果发现，后面的中子的效应大大增加了。这是因为一个轻的东西放上去以后，中子的速度更慢了，反应截面变得非常之大。对这一现象，费米想了一个晚上之后，就完全弄懂了。
费米讲这个故事给钱德拉塞卡听，就是想指出，当时是一个他不知道的道理，促使他放一个轻的屏，在物理里这种事是常常发生的。我想，这与我们思考的过程有非常密切的关系。凭着费米自己的非常广、非常深的经验，他有些自己不能用逻辑讲清楚的推理。经过这种推理，他下意识地感觉到，一个重的屏蔽与一个轻的屏蔽相比会有很重大的区别。达到这种直觉的下意识的推理，是所有理论物理和实验物理的一个基本的环节。没有这个环节，不太容易做出真正最重要的贡献。产生这一环节的必要基础是要有广泛的经验。这种经验可能是理论的经验，对数学结构的经验，也可能是实验的经验。大家都知道，许许多多最最重要的工作，是先经过很多思考，后来在没有经过逻辑推演而得出来的新的想法之下产生出来的。
我特别要讲这个故事的道理，是因为中国的物理学教学中有一个倾向，使人觉得物理就是逻辑。逻辑，没有问题是物理的一个部分，可是只有逻辑的物理是不会前进的。必须还要能够跳跃。这种跳跃当然不是随随便便的跳跃，而是要依据许许多多的不断延续下来的与实际的事物发生的联系。由这些联系出发才可以使一个人有胆量做出一些逻辑上还不能推演出来的这种跳跃。
我再举一个例。大家知道，在20世纪初，最重要的物理学发现之一是放射性元素。它的最早的发现者就是贝克勒尔。贝克勒尔之所以能做出这一发现，是因为在此之前伦琴发现了X光。伦琴的X光可以随便给任何人看，可以照透一个人的手。在伦琴的第一篇文章里有一只手的像，那是他太太的手。当时人们还不懂X光到底是什么。有人认为，如果把磷光物质放在强光下照射，就会发出X光，贝克勒尔和彭加勒就是这么认为的。彭加勒是19世纪末20世纪初的一位大数学家，他对于20世纪的数学的影响是非常巨大的。他对物理学，特别是具体的物理现象非常感兴趣。这一种想法促使贝克勒尔要对这种现象进行实际的研究。他把一块铀放在太阳光下，照了几个小时，让它吸收了很多强光，然后用黑纸把它包起来，放在一张照相底片上。果然，照相底片感光了。
他发表了一篇文章，说现在证明了铀在强光照射下发出X光。后来他还要继续做这个实验。不巧，巴黎那几天天天下雨，没有了强光，他只好把铀放在柜子里。可是，不知是什么缘故，他又想到要来重新试一试。他把那些铀包了纸，同样做了一个实验，忽然发现照样有感光现象。于是他马上又发表了一篇文章，说这个理论是不对的。这就是最初发现放射性元素的经过。对此，很多人曾议论过，认为他当初在一个下雨的天气里，还要去试一试，一定是有些灵感。他的一家，从曾祖、祖父一直到他，都对铀做了很多研究。所以，若说是灵感，那么这种灵感必定来源于他的丰富的实践和经验。他当时似乎是忽然灵机一动，而这个灵机一动是非常重要的。
中国古时候喜欢给一些学者、一些文人、一些诗人或一些画家做一些评论。有人觉得这种评论非常不恰当，因为这是些印象式的评论。不过，印象式的评论我认为无可厚非，因为，虽然印象式的批评确实不是完全能讲得清楚的，但是这种不是完全讲得清楚的东西，往往抓住了真正的精神。所以，我也来做一个印象式的评论。费米给人的最重要的感觉是什么？他的物理是怎样的物理？我认为费米的物理可以说是“厚实”。
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