弗里曼‧戴森──自由隨性的異類科學家

2020 年 2 月 28 日,弗里曼‧約翰‧戴森(Freeman John Dyson)去世,享耆壽 96 歲,國際各大媒體紛紛撰文哀悼。

他是只有學士學位的普林斯頓高等研究院榮譽教授,一生獲獎無數;其最知名的科學成就是促成量子電動力學的完備。除此之外,戴森還涉足諸多不同領域,包括數論、生命科學、固態物理、天文物理等等;不少家喻戶曉的學者,例如科學頑童費曼[1]和氫彈之父泰勒[2],都曾與其並肩。

他撰寫科普書表達對人類未來、乃至移民宇宙的看法,對流行文化影響深遠,許多科幻作品都曾借用他的構想。戴森是原子科學家公報 (Bulletin of the Atomic Scientists)的理事會成員,協同管理末日時鐘[3](Doomsday Clock),而今年一月的調整,是有史以來最接近世界末日的一次──僅差距 100 秒。

戴森曾研發核彈,卻又提倡禁止核子試爆;他親眼見證科學如何讓人類擁有摧毀自己的能力,但也相信科學具有讓人類免於滅亡的潛力。豐富的生命經驗、對社會議題的關注,與天馬行空的想像力,都讓他不再只是單純的科學家,而是現代公共知識份子的象徵。

戴森於 2005 年所攝相片(圖片來源

數學家的養成

弗里曼‧約翰‧戴森出生於 1923 年 12 月 15 日的英格蘭,自年幼就展現出卓越的數學天賦:五歲便嘗試計算太陽有多少原子、少年時期的休閒讀物是微分方程式教科書。1941 年,時值第二次世界大戰,戴森進入了著名的劍橋大學三一學院。

他回憶:「所有的應用數學家都去打仗了,基本上沒什麼物理好做。但是一些非常知名的純數學家還在──像是哈代[4]、李特伍德[5]──我可以獨占他們。作為學生,和這些鼎鼎大名的數學家為伍,是很美好的時光。」在數學大師的薰陶下,戴森養成了數學家的能力,這對他日後在物理上的成就有許多幫助。

之後,戴森參加了戰事,擔任英國皇家空軍分析師,並於戰後回到劍橋取得學士學位。1947 年,他前往美國康乃爾大學進行短期參訪,師從貝特[6]。貝特是極為優秀的物理學家,也具識人慧眼;沒幾年前,他才向康乃爾大學推薦自己在曼哈頓計畫的工作伙伴──才華洋溢的費曼擔任教職。

費曼於 1965 年左右的照片(圖片來源

二戰後物理學的重要焦點:量子電動力學

第二次世界大戰才剛結束,物理研究百花齊放,實驗與想法不斷推陳出新。當時物理學界聚焦的問題之一,是如何發展量子電動力學──光與帶電粒子交互作用的理論,針對電子行為做出正確計算。

哈佛大學教授許溫格[7]率先拔得頭籌,提出新的計算架構,得出與實驗吻合的結果,轟動學界。同時,費曼也用他獨家(簡單但不被欣賞)的費曼圖方法,獲得跟許溫格幾乎一樣的答案。許溫格和費曼,兩者的方法截然不同,卻總能得到相同的結論──這究竟是怎麼一回事呢?在當時沒有人能夠明白。

粒子物理標準模型下,基本交互作用的費曼圖表示。圖/wiki commons

另一方面,早在 1943 年,戰火肆虐的東方國度日本,東京文理科大學[8]教授朝永振一郎[9],便不為人知地獨立進行同樣的研究,並比許溫格更早踏出正確的一步,奠定新量子電動力學理論的根基;奈何時局動盪,他的成果到戰爭結束後才為西方所知──分屬不同陣營的兩方,終於可以安心進行學術交流與合作了。考量戰爭期間的時空環境,朝永的工作彷彿寒冬裡綻放的花朵,格外珍貴。

朝永振一郎(圖片來源

戴森的挑戰:解釋殊途同歸的正統方法與新把戲

與費曼同在康乃爾大學的戴森,是少數同時對許溫格和費曼理論有相當程度理解的人;他自述:「我用正統方法替貝特做的運算,花掉我幾個月的時間,寫了幾百頁的紙;費曼卻可以在黑板上,花半個小時而得到完全相同的答案……我暗自下定決心,做完貝特交代的工作後,接著就要來了解費曼的祕笈,並且用其他人都能懂的語言,將他的思想闡揚出來。」

1948 年暑假,戴森和費曼花上四天,從紐約州開車到新墨西哥州的阿布奎基,一路聊戰爭、聊核武、聊科學、批評彼此對科學的想法,真理卻愈辯愈明。在與費曼分別後,戴森參加了密西根大學的暑期學校,並抓緊機會與擔任課程講者的許溫格交流。每天下午,他都躲在屋簷下,仔細查驗許溫格演講的每一個步驟,再默想私下交流中,許溫格說的每一句話。到五個星期的暑期學校結束時,戴森已用許溫格的方法算過無數題目,寫滿上百頁計算。這時候的戴森還不知道,這個暑假即將成為他個人生命中,非常獨特的一段時期,大大影響了他的命運。

許溫格,攝於1965年(圖片來源

兩邊兜在一起,完備量子電動力學

1948 年 9 月,戴森結束度假,搭上灰狗巴士返回美國東部。已經好一陣子沒想過物理的戴森,腦中卻突然浮現費曼的圖像和許溫格的方程式,「自行在我腦裡前後對正、左右標齊,而且從來沒有那麼清晰過。我生平第一次,可以將這兩個論點兜在一起。」他說。

過沒多久,戴森的論文發表了,名為〈朝永、許溫格和費曼的輻射理論〉[10]。原來,許溫格所用的複雜數學方法,和費曼所發明的費曼圖方法,存在一一對應的關係──兩者描述的是同一件事,只不過一方著重全面、精確的數學語言,另一方則給予我們更直觀的物理圖像;而戴森的論文,清楚闡述了二者之間的連結。朝永、許溫格和費曼,將量子電動力學帶入嶄新的階段,也因其貢獻,共同獲得 1965 年的諾貝爾物理學獎,戴森則對三人的獲獎扮演了關鍵角色。

在量子電動力學發展的關鍵時刻,戴森剛好站上一個特別的位置:既能和費曼長時間相處、討論其物理觀點,也有機會密集向許溫格求教,再加上戴森於劍橋養成的數學能力──這些因素的總和,讓戴森成為量子電動力學的獨特橋梁,連結起不同架構與敘事觀點,成就了量子電動力學的完備。

朝永、許溫格和費曼三人分攤1965年諾貝爾物理學獎(圖片來源

沒有博士學位的大學教授

1951 年,儘管戴森只有大學學歷,以及幾年的研究生經驗,仍然被康乃爾大學聘為教授職,成為恩師貝特的同事──這也正好符合戴森一貫的信念:「我很自豪沒有博士學位。我認為博士學位系統很令人厭惡……它強迫一點都不適合做研究的人們,浪費多年的生命,某種程度上假裝自己在從事研究工作。最終,他們得到一張紙,載明他們合格了,但那並不代表任何事情。攻讀博士要花上太多時間,也阻擋了女性成為科學家──我認為這是莫大的悲劇。」

儘管原子彈才剛在六年前轟炸日本的廣島和長崎,造成絕大死傷,戰爭的殘酷卻並沒有停下部分科學家的腳步;當時,威力更強大的氫彈試爆和研發工作正如火如荼進行,貝特也參與其中,不但長時間不在康乃爾大學,也無心進行物理基礎研究。

另一方面,戴森之前還是個菜鳥、到普林斯頓高等研究院進行短期訪問的時候,曾利用專題研討會的時間,多次主講量子電動力學,向當時的院長歐本海默[11]推銷費曼和許溫格的成就,並成功說服了打從心底不接受的歐本海默,讓歐本海默刮目相看──這幫助戴森得到普林斯頓高等研究院的終身職工作。高等研究院的工作自是相當誘人,再考慮到貝特的狀況,戴森最終下定決心,於 1953 年離開康乃爾大學,前往普林斯頓高等研究院任職。這一待,就是六十多年,直到他生命的最後。

普林斯頓高等研究院(圖片來源

小型核子反應爐的研發

1955 年,聯合國在瑞士日內瓦召開第一屆國際原子能和平用途會議,共有 73 個國家出席;從事核反應爐研究的各國科學家齊聚一堂,交流工作心得,一堆機密文件也都公開展示。會議的進行,標誌了國際合作時代的來臨。一時之間,核能成為造福全人類的尖端科技,發展前景可期。

就在這樣的氛圍下,隔年,應通用動力公司的邀請,戴森和氫彈之父泰勒一起主導了核反應爐的研發;他們專注於安全性,致力打造就連高中生都能操作的小型核反應爐──並且成功了。這部被命名為 TRIGA 的核反應爐是最成功的核反應爐之一,根據設計絕不可能發生爐心熔毀等重大核災事故。至今,TRIGA 反應爐仍作為教育、研究和醫療用途,在世界各地使用中。

儘管曾參與核反應爐的研發,也支持和平使用原子能,戴森對核能發電工業卻有諸多批評。他認為,既有的核能技術並不夠好,隨著石化能源用罄,人類將需要更便宜、更安全的核能反應爐,但是新核反應爐的研究卻越來越少,沒有嘗試就不會有進步。

「冒險家、實驗家、發明家一個個被逐出大企業,而讓會計師、經理人獨擅勝場。」、「核能發展出了岔錯。」他說。

在戴森眼中,核能工業之所以陷入窘境,完全不如 1950 年代的蓬勃,一方面是因為「許多舊有的勢力都涉嫌重大,他們共謀讓核能發展變得麻煩而昂貴,遠超過我們先前的預估。」更重要的,則是因為人們不再有耐心去做試驗,也沒有預算去容納這項高風險的投資了──他在車諾比核災之前就做出了上述評論;現在的狀況,比起戴森那時候,是更好,還是更壞呢?

TRIGA 反應爐核心(圖片來源

殘念的獵戶座計畫,與不容忽視的核子試爆威脅

從 1958 到 59 年,戴森參與民間發起的獵戶座計畫(Project Orion),打算利用原子彈作為太空船的推進動力;他們喊出口號:「1970 土星見!」預計 1970 年就載人上土星的衛星。然而,世界局勢快速轉變,關於核彈試爆存續的討論不絕於耳,戴森出於對獵戶座計畫的熱情,不僅投書表達支持試爆,也嘗試設計新型核彈,希望大幅減少獵戶座計畫產生的放射性落塵,以延長計畫壽命。當時的戴森,一心只想探索浩瀚的宇宙,對於核彈設計抱持純然和平的動機。

只不過,當他的同事發明中子彈之後,自覺負有部分責任的戴森,無法再對核彈的和平用途充滿信心了──戰爭與和平,無法簡單一刀兩斷,不可能有純粹和平使用的核彈。

隨著時間推移,美、蘇兩國的核子試爆越演越烈,在全球累積的輻射塵也到了不能忽視的地步;於「軍備控制與裁軍署」(Arms Control and Disarmament Agency)兼差的戴森十分驚訝地在統計數據上發現,核子試爆總數每年呈指數增加,按照這個趨勢繼續下去,只怕會走上人類的不歸路。頭一次,他打從心底認為:核子試爆,非禁不可!

1963年,身為軍備控制與裁軍署專家的戴森,不但是甘迺迪總統簽訂《部分禁止核試驗條約》(Partial Test Ban Treaty,PTBT)的顧問,也以美國科學家聯合會代表的身份,在參議院聽證會上幫該條約背書護航。最後,《部分禁止核試驗條約》於同年 10 月 10 日生效,由美國、蘇聯、英國共同簽署,明訂禁止在大氣層、太空和水下進行核武器試驗──儘管那並無法阻止冷戰時期美、蘇兩國的軍備競賽,但也是很大的進步。

戴森一度對原子能充滿期待,深信它將帶給人類更光明的未來;但隨著世界局勢的轉變,原子能的發展完全不如想像那般美好,他也不再純然相信原子能的和平使用,甚至給自己曾熱切參與的獵戶座計畫簽下死亡證書。

《部分禁止核試驗條約》簽署後,大氣中的放射性同位素碳14濃度明顯下降。藍色線條為碳14的自然背景平均濃度。(圖片來源

涉獵眾多領域,對社會的莫大影響力

戴森興趣廣泛、涉獵過眾多不同領域;他就像充滿好奇心的小孩,找尋自己能夠解決的有趣問題,不介意它們重要與否。戴森寫過許多科普書,探討科學、技術、宗教與哲學問題,也提出過許多完全符合科學原理的天外奇想。他想像在小行星或彗星上種植基改樹木(人稱「戴森樹」,Dyson Tree),創造完整的生態系,以作為人類未來的居所。他也將既有科幻小說[12]中的情節發揚光大:發達的智慧文明可以建造環繞於恆星周圍、適居的人造生物圈(artificial biosphere),充分利用恆星的能源。

儘管跟戴森本來的想像略有不同,之後的科幻小說家開始幻想,將整個恆星完整包覆、吸取所有能源的巨型結構──稱為「戴森球」(Dyson Sphere)。雖然戴森本人並不喜歡這個名字,但戴森球已廣泛出現在許多科幻作品中,包括知名影集《銀河飛龍》(Star Trek: The Next Generation)。

《銀河飛龍》影集裡,企業號繞行戴森球的畫面(圖片來源

作為受人敬重的科學家,和對流行文化有莫大影響的意見領袖,戴森在氣候變遷議題卻是出了名的懷疑論者。他認為現有氣候模型過於簡略、無法描述真實世界;全球暖化帶來的效應也不見得全然負面,其嚴重性被政治性地過分誇大──但這並不表示他忽視氣候科學家提出的證據。對戴森來說,跳脫既有框架、保持懷疑的態度是重要的,只要現有證據無法百分之百說服他,他會毫不猶豫地站出來挑戰(儘管戴森的說法後來也遭到其他科學家的反駁)。

知名諾貝爾物理學獎得主溫伯格[13]這麼形容戴森:「當共識如同湖面結冰那般逐漸成形,戴森就會盡力去敲碎那冰塊。」不管是在科學、還是社會議題上,戴森向來強調多元的重要性──這使他往往刻意站在大眾的對立面。

率直的思想家

戴森一生絕大部分時間都在普林斯頓高等研究院度過;即使退休,他仍擁有自己的辦公室,並常漫步於院區──直到生命結尾。

戴森不追求發表自己的獨創性科學理論,滿足於和其他人共同工作、討論他們的構想。他穩重、內斂、聰明,並且謙遜,因此得到許多同僚的敬重。他對科學的可能性懷抱著無比信心,積極思考人類的長遠未來;他深知戰爭的殘酷,核武帶來的議題遠比製造核武的科學來得更複雜,核武的研究也不可能和戰爭撇清關係。

戴森去世當天,於普林斯頓高等研究院發布的新聞稿裡,院長戴克赫拉夫(Robbert Dijkgraaf)這麼形容戴森:

近代粒子物理的建築師、無拘無束的數學家、太空旅行、天體生物學和裁減軍備的倡導者、未來學家、永遠的研究生、(包括他自己的)先入為主觀點的反對者、富有思想的評論家、全時對世間事保持睿智的觀察者。他的秘密就是直率地接受生命中的所有事,直到最後一刻。

他豐富的生命經驗、廣泛的涉獵領域、不隨波逐流的堅持,都讓他成為世人眼中的戴森──自由又隨性的異類科學家。

2007年戴森在他普林斯頓的辦公室(圖片來源

註釋

  • [1] 理察‧菲利普斯‧費曼(Richard Philips Feynman,1918 年 5 月 11 日-1988 年 2 月 15 日),美國理論物理學家,因對量子電動力學的貢獻,於 1965 年獲得諾貝爾物理學獎。
  • [2] 愛德華‧泰勒(Edward Teller,1908 年 1 月 15 日-2003 年 9 月 9 日),匈牙利猶太裔美國理論物理學家,以研發氫彈聞名。
  • [3] 由芝加哥大學的《原子科學家公報》雜誌於 1947 年設立,每年一月進行評估,標示出世界距離毀滅有多近;午夜零時象徵世界末日來臨。
  • [4] 戈弗雷‧哈羅德‧哈代(Godfrey Harold Hardy,1877 年 2 月 7 日-1947 年 12 月 1 日),英國數學家,二十世紀英國分析學派的代表人物。
  • [5] 約翰‧恩瑟‧李特伍德(John Edensor Littlewood,1885 年 6 月 9 日-1977 年 9 月 6 日),英國數學家,長期和哈代合作。
  • [6] 漢斯‧阿爾布雷希特‧貝特(Hans Albrecht Bethe,1906 年 7 月 2 日-2005 年 3 月 6 日),德國和美國猶太裔核物理學家,1967年諾貝爾物理學獎得主。
  • [7] 朱利安‧西摩‧許溫格(Julian Seymour Schwinger,1918 年 2 月 18 日-1994 年 7 月 16 日),猶太裔美國理論物理學家,因對量子電動力學的貢獻,於 1965 年獲得諾貝爾物理學獎。
  • [8] 現在的筑波大學。
  • [9] 朝永振一郎(Shinichiro Tomonaga,亦做Sin-Itiro Tomonaga,1906 年 3 月 31 日-1979 年 7 月 8 日),日本物理學家,因對量子電動力學的貢獻,於1965年獲得諾貝爾物理學獎。
  • [10] 原名“The Radiation Theories of Tomonaga, Schwinger, and Feynman”,發表於《物理評論》(Physical Review)。
  • [11] 朱利葉斯‧羅伯特‧歐本海默(Julius Robert Oppenheimer,1904 年 4 月 22 日-1967 年 2 月 18 日),美國理論物理學家,人稱「原子彈之父」。
  • [12] 出自史泰普頓(Olaf Stapledon)於 1937 年出版的《造星者》(Star Maker)。
  • [13] 史蒂芬‧溫伯格(Steven Weinberg,1933 年 5 月 3 日-),美國物理學家,1979 年諾貝爾物理學獎得主。

參考資料

  1. The Economist (2020/03/14), “Freeman Dyson died on February 28th", The Economist.
  2. Andrea Stone (2020/02/28), “Freeman Dyson, legendary theoretical physicist, dies at 96”, National Geographic.
  3. Freeman J. Dyson, “The radiation theories of Tomonaga, Schwinger, and Feynman", Physical Review. 75 (3): 486 (1949).
  4. +plus magazine (2013/07/22), “Operas, revolutions and nature’s tricks: a conversation with Freeman Dyson”.
  5. Dwight E Neuenschwander (2016), “Dear Professor Dyson: Twenty Years Of Correspondence Between Freeman Dyson And Undergraduate Students On Science, Technology, Society And Life”, Wspc.
  6. 高崇文(2018/02/11),〈孤高的物理學家:許文格(二)邁向巔峰〉,物理雙月刊。
  7. Steve Connor (2011/02/25), “Letters to a heretic: An email conversation with climate change sceptic Professor Freeman Dyson”, Independent.
  8. Thomas Lin (2014/03/26), “A ‘Rebel’ Without a Ph.D.”, Quanta magazine.
  9. Robbert Dijkgraaf (2020/04/13), “Remembering the Unstoppable Freeman Dyson”, Quanta Magazine.
  10. 戴森(2016),《宇宙波瀾:科技與人類前途的自省》,邱顯正譯,天下文化。
 

 


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關於作者

科學大抖宅

在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」

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