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粒子物理学是关于物质最小的、最基本的构成的学问。即使是在远离欧洲文明大陆5000英里[2]的开普敦，我们也知道我们处在这一领域的辉煌时代。在已经过去的20世纪60年代，每一年都会取得重大进展。实验物理学家利用分布在全球各地的粒子加速器，使超高速质子相互碰撞，并在碰撞中发现多种多样的新粒子。理查德·菲利普·费曼（Richard P.Feynman）曾经说过，从事基础粒子物理研究就像是把两块精良的瑞士手表拼命撞击，试图通过检验撞击产生的碎片来判断手表的做工如何。这就是挑战所在。
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大量新粒子的出现使人难以判断哪些是基础粒子、哪些是合成粒子。这一难题是19世纪化学界重大谜题的重演，那时也是新的物质大量出现，向人们提出了认识物质化学结构的要求。对这一问题的求解最终产生了门捷列夫（Mendeleyev）的化学元素周期表，这张周期表根据各种元素的化学性质，用人们易于理解的顺序对所有元素进行了排序。表中的空白部分对应于仍未发现的元素，这些元素的化学性质加上它们在元素表中的位置，就给出了怎样找到它们的方法。现在到了20世纪，科学家针对提出一张类似的、按照各种基础粒子的特性进行排序的表展开竞争。可是，利用宇宙射线或人工轰击所产生的新粒子如此之多，以至于很多严肃的物理学家（当然是来自加利福尼亚的物理学家）开始提出，与其他粒子相比，没有一种粒子是更基础的了，任何一种粒子都可以被看作其他所有粒子的合成物。
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1964年夏天，我们在开普敦聆听了关于物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）和尤瓦尔·尼曼（Yuval Ne’eman）研究成果的演讲，他们二人各自分别提出了粒子排序周期表。在他们的体系中，一些子表包含了八种不同的粒子。盖尔曼将他的模型称为“八正道”（Eightfold Way），这是一种复杂的分类方法，分别对应于佛教的八种生活原则。根据周期表中尚未填满的空白处所具有的特性，盖尔曼和尼曼预言到了一种新奇的、名叫欧米伽-负的粒子可能被观测到的特性。此后不久，真的就像所预言的那样，这种粒子就在位于长岛的布鲁克海文国家实验室粒子加速器的一次碰撞实验中被创造出来了。分析这种粒子在巨大气泡室留下的特征轨迹，可以判断出它的特性与八正道做出的预测完全吻合。这样看来，似乎利用思考就能理解整个宇宙。
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我被粒子物理学和宏观相对论深深吸引了，它们都是研究物质、空间和时间的学问。将生命用于这些领域的研究将不虚此生。就像我的许多物理学界的朋友们一样，我开始对基础物理学培养起一种近于宗教般虔诚的热情，在这种热情之下是我对名声与不朽的更加强烈的渴望。我梦想成为另一个爱因斯坦，我想将我的生命专注于发现永世不灭的真理。有时，我有一种自觉高于那些追求世俗学问的人们的自傲。
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我的母亲也鼓励我为学术研究贡献终生，而我的父亲，尽管他生来的学究气质比母亲还要浓，但如果我跟着他去做生意，他可能会更开心。在我16岁、21岁或34岁的时候，如果有人告诉我，在我40岁时我将进入投资银行工作，我可能会发出难以置信的大笑。
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在哥伦比亚大学第一个学期第一天注册的时候，指派给我的课程辅导老师是亨利·福利教授，他是一位小有名气的教授，曾参与过20世纪40年代检验费曼获得诺贝尔奖的电子理论的一项经典实验。福利是一位富有魅力的、愤世嫉俗的人，他简单询问了我对于原子物理学的知识，发现我在开普敦学习的、关于电子在旋转的圆形轨道上相互作用的知识有限。因此，他建议我报名学习G4015号课程，这是哥伦比亚大学开设的介绍原子物理学和量子力学的研究生基础性课程。[3]美国高校大多数物理系专业在本科二年级或三年级就已经开设了类似的课程，这就意味着我从一开始就比其他同学落后一年甚至更多。这是一个令人沮丧的挫折，漫长、乏味、前景莫测的上课和考试的三年就这样开始了，我还以为马上就能开始原创性的研究工作呢。
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尽管我自己没能充分意识到，但福利是对的。20世纪60年代早期，在开普敦我们只学习到了现代物理和量子力学的非常基础性的知识。那里的绝大多数物理学教授似乎对20世纪30年代之后发展出来的新知识都感到不安。他们那种真正理解量子力学需要运气的态度影响了我很长时间。美国物理学界相对来讲非常专业、注重实效、系统性强。经过反复观察，我发现哥伦比亚大学物理系教授并不认为现代物理学有多么高级或者难以理解，也不会等你达到某种层次后才向你揭示奥秘，从而把你最终培养成掌握秘密的内部人。他们希望你只要投入就行了。
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作为本科生，我学得非常好的一门课是应用数学，这是一门进展缓慢的学科，在遥远的、封闭的南非可以跟得上发展潮流。在开普敦，模仿著名的剑桥大学学位考试而搞的年底闭卷考试很流行，很多在英国受过教育的老师就是这样被教出来的。这种考试方式强调快速解决实际问题的能力和记忆力。所有内容都得准备到。随着年级的升高，我们开始逐步接触更高深的经典力学和电磁理论。我现在还能背出一些不定积分和傅里叶变换公式，这些都是为了应付期末考试所必须牢记在心的。[4]
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1966年，我所进入的哥伦比亚大学物理系是一个传奇之地。首先打动我的是，哥伦比亚大学物理系和20世纪物理史上多个开创性篇章都有直接关系。20世纪初，哥伦比亚大学物理系第一个博士学位获得者是R.A.密立根（R.A.Millikan），后来他因为天才般地利用测量携带一个或两个肉眼看不见电子的微小油滴的偏离度，精确测量无法观测到的电子电荷而获得诺贝尔奖。
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我到哥伦比亚大学后，正值I.I.拉比（I.I.Rabi）执掌哥伦比亚大学物理系的后期。I.I.拉比是奥本海默（Oppenheimer）逝世后，美国物理学界的泰斗。因为发现了原子核磁特性的测量方法，他获得1944年的诺贝尔奖。拉比是整整一代美国物理学家的知识导师、一位令人尊重的政府顾问，也是布鲁克海文国家实验室——盖尔曼和尼曼最终发现欧米伽-负粒子的地方——的创始人之一。当时他临近退休，唠唠叨叨的，因此给我的印象是他很搞笑，而非一位智者。那时我很年轻也有点自大，我对于他的学问和影响力还没有什么概念。最近，我看到了他常说的一句话“如果你决定没有必要拿A，那么你在大学里就能学到很多东西”。
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已故的1938年诺贝尔奖得主恩里科·费米（Enrico Fermi）被视为哥伦比亚大学物理学系的精神导师。他的3/4黑白侧面像使浦品物理楼8楼的学术讨论室增光不少，第二次世界大战（以下简称二战）和曼哈顿计划期间，他曾在那里担任教职。费米是一位实验物理学家，曾经创造出芝加哥大学第一座自给核反应堆，使得后来投向广岛和长崎的原子弹的研发工作向前迈进了一步。令人惊奇的是，他同时还是一位理论物理学家，早在20世纪30年代就已经预测出中子的存在。中子是一种没有质量也不带电荷的粒子，同一般物质的相互作用非常微弱，中子直到20多年后才被发现。费米是最后一批对物理理论和实验都做出重大贡献的物理学家之一，是一位兼容并蓄的歌德式大师。
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哥伦比亚大学也是美丽的玛丽亚·格佩特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer）的战时居所，由于她提出原子核同原子本身一样，是由绕核运动粒子组成的核状物的理论假设，而获得1963年诺贝尔奖。她的丈夫约瑟夫·梅耶是哥伦比亚大学化学系教授，但受制于哥伦比亚大学近亲避嫌的规定，梅耶一直只是哥伦比亚大学的研究员，而从未担任过全职教职。
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再后来，哥伦比亚大学逐渐成为战后相对论量子电动力学（QED）发展的中心，相对论量子电动力学是关于电子如何发射和吸收光波的理论，也是我即将努力学习的理论。原子和原子内部的电子非常微小，物理学家只能间接地检验它们的结构。实际上并不能真正“看见”原子里面是什么样子。就像医生经常拍拍患者胸部，并根据患者体内发出的声音来判断体内的情况差不多，物理学家必须拨动原子，通过原子内部电子发射出的光波来推断电子的特性。直到20世纪40年代后期，由于数学计算和概念上的不一致，在很多情况下对光波发射频率的计算结果是无穷多的，这也使QED理论最终发生分裂。
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在20世纪40年代后期，美国的费曼和朱利安·施温格（Julian Schwinger）［他们不知道的是，日本的朝永振一郎（Shin-Ichiro Tomonaga）也在从事同样的工作］在一篇充满洞察力和数学技巧的杰作中，指出了如何修正QED理论。他们从而能够准确地预测出，当电子在原子内部从一个轨道跃迁到另一个轨道时所发射出的光波波长的微小变化，而这种变化以前从未被人注意过。
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20世纪40年代后期，同在哥伦比亚大学的威利斯·兰姆（Willis Lamb）和波利卡普·库施（Polykarp Kusch）认真、细致而又精确地测度了这一系列近乎无穷小的变化，他们发现测量结果与费曼和施温格的预测几乎完全一致。兰姆和库施分获了诺贝尔奖，不久以后费曼、施温格、朝永振一郎也获得了诺贝尔奖。
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没过多久我就了解到，并不是每个诺贝尔奖的分量都相同。1968年，我当时是库施大三电磁学课程的助教，得以经常跟他接触。很快我就注意到浦品物理楼里的人们对待他并不像对待其他诺贝尔奖得主一样尊重，就好像他的诺贝尔奖比不上其他人的诺贝尔奖似的。几年后，他离开哥伦比亚大学去了得克萨斯大学。
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同样还是在哥伦比亚大学，尽管还不是诺贝尔奖得主，利昂·莱德曼（Leon Lederman）、杰克·斯坦博格（Jack Steinberger）、梅尔·施瓦茨（Mel Schwartz）早已因为一系列杰出的实验和发现而闻名于世。1988年，他们因为在30年前就提出应该有两种不同的中子（费米提出的）而非一种中子而获得诺贝尔奖（2000年发现的第三种中子并不出人意料，也就注定不会获得诺贝尔奖）。
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最后，群星闪耀的哥伦比亚大学的苍穹中，最耀眼的那颗星当属李政道（Tsung-Dao Lee）。他集中体现了哥伦比亚大学物理系所有好的和坏的特质，也许正是他造就了这些特质。因在推导举世震惊的后来被称为“宇称不守恒”定律中所做的理论研究工作，1957年李政道在31岁时就获得了诺贝尔奖。李政道与共获诺贝尔奖的伙伴杨振宁（C.N.Yang）大胆提出，自然规律并不像人类武断认定的那样，可以被对称地分为“左”和“右”。这是一个难以置信的假设，但是他们提出用实验来验证。在不到一年的时间内，他们被证明是正确的。当我在8年后到达哥伦比亚大学的时候，这一发现的结果在物理学领域内仍有广泛的影响。
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所有人都叫李政道为“T.D.”，这是一种哥伦比亚大学物理系将教皇和中国最后一个王朝的名字合二为一的称谓。他令人敬畏、以自我为中心、极端认真。大概10年前，我在一本文学杂志《星光大道》上看到一组以科学家在黑板上写字为主题的照片，其中就有他的一幅。有一幅是费曼在讲解QED理论，他充满活力，非常友善；还有一幅是洛克菲勒大学的米切尔·费根鲍姆，他正在检验他的那个倍增等式，这个等式揭示了表面上杂乱无序的现象后面隐藏的秩序。大多数物理学家看上去与常人无异，即使是默里·盖尔曼也是如此，但李政道的照片却与众不同。照片摄于20世纪50年代，照片上的他正在演讲，年轻的脸庞上闪耀着荣光，就好像走下西奈山的摩西一般，傲睨万物。李政道给哥伦比亚大学定下了基调，他的存在鼓舞人心，又令人敬仰。
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在哥伦比亚大学，教职员工并不是唯一不同凡响的。很多学生也被认为是“神童”。我所在的研究生班中，甚至是后来的高级班中，总有几个聪明早慧的本科生来听课。我嫉妒他们，而对他们怀有提防之心。一些人留着平头，穿着窄肩黑西装，系着领带，就像是50年代的遗少；还有人把头发拉直，穿褪色牛仔裤和运动衫。但不管他们穿什么，他们都会在课堂上举手提问，问一些他们早已经知道答案的问题。
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我对这些无师自通之人总是充满敬畏之心。在南非，我真正掌握得不错的技巧不多，这些知识令我终身受用。在那里，我要年复一年耐心等待升入下一个年级，“他们”才会向“我”传授我能够掌握的内容，从来都没有可能由我自己选择要学习的内容。在美国，我惊奇地发现是学生自己选定要学习的内容。我不得不羞愧地承认，除了正式教育的内容外，我几乎没有自学过任何东西。只记得有一次除外，那是在大学四年级的时候，为了完成毕业论文，我花了几个月的时间研究引力和电磁学的统一场论。我对爱因斯坦引力理论的拓展研究，使我感到非常开心，但这种自学只是例外情况。
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在1966年及随后的几年中，我怀揣着能够获得李政道那样成功的梦想。按照这个不切实际的标准，只有少数“神童”能够真正实现了他们的诺言。其中一个成为军事分析智囊团成员，在伊拉克入侵科威特之后的海湾战争期间，我在电视里认出了他。还有一个完成了物理学的博士学位课程，之后转入医学院，从事精神学方面的研究，最后成为一名知名的神经网络学专家。第三位在获得哥伦比亚大学物理系最佳本科生荣誉后，患上躁狂抑郁症。但他决定继续搞研究，不间断地在淡黄色笔记本上记录下他每天全神贯注投入工作的分钟数。每次停下来或休息时，他就按停表，将从上一次打断后的工作时间记录下来。每天结束后，他计算出工作时间总数。我自己也有些强迫症，因此很同情他的计算。我知道一个人一天之内能够集中精力、不被打扰的时间可谓少之又少。每想到此，我就立刻开始做自己的工作。
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我从哥伦比亚大学的老师和学生的命运中得到一个教训：性格和机会与天赋同等重要。运气，再加上我母亲所说的“忍耐”，也就是坚韧不拔的毅力，最后起到至关重要的作用。
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先是在开普敦，然后是在纽约，我逐渐了解到究竟哪类物理学适合自己。
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像绝大多数物理学者一样，我是个还原论者：我相信可以把复杂的事物简化成它们的构成要素。生物学建立在化学的基础上；而化学只不过是分子和原子的物理运动而已；原子由电子和原子核构成；原子核又包含了质子和中子，而质子和中子似乎都是由夸克组成的。在这个公认的物质分层体系中，究竟什么才是最终的亚核粒子？它们的运动又遵循怎样的规律？这些问题就是粒子物理学研究的范畴。
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