纪念科学家约翰·斯图尔特·贝尔诞辰90周年

2024年3月5日发(作者：泥鳅的营养价值和功效)

２０１８年第３９期（总第３１　５期）　教胄界／ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　ＣＩＲＣＬＥ　理论研究Ｖ　纪念科学家约翰·斯图尔特·贝尔诞辰９Ｏ周年　山西大学科学技术史研究所　刘元兴　贺天平　一、贝尔的生平　能遵循导师的建议，不过贝尔与鲁多尔夫·佩尔斯的缘分并没　有尽，在未来二人依旧产生了交集。１　９４７年贝尔取得了第一　个实验物理学一等学位，并在一年后取得了数学物理学一等学　位。　１　９２８年，贝尔出生于北爱尔兰的贝尔法斯特，这是一座　以制船业而闻名的城市，著名的“泰坦尼克号”就是在这里铸　造的。贝尔自小就不同于其他人，他的家庭信奉圣公教，身边　也有很多人信奉天主教，贝尔却坚持自己对真理的追求，不相　信任何宗教，但是他受到爱尔兰著名剧作家萧伯纳的影响成了　一二战后，得益于各国对于科学装置的投入，粒子物理学得　到了巨大的发展。落后于美国的欧洲物理学家们相信只有靠联　名素食主义者。贝尔的家庭并不富足，他的父亲自然地认为　合的力量，欧洲的科学技术才能跟上其他地区发展的步伐，才　能减缓智力的流失。这时的欧洲为了与美国抗衡，迈出了第　孩子在１　４岁时就应该离开学校去找一个工作，母亲却鼓励贝尔　继续读书，但是因为学费的关系，贝尔的几次尝试均告失败后，　他终于得到了贝尔法斯特技工中学（Ｂｅｌｆａｓｔ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｈｉｇｈ　步，选择建造一所足以有能力和强大的美国所抗衡的研究机　构。经过多次艰难的谈判，１　９５２年，欧洲决定建立ＣＥＲＮ（欧　洲核子研究中心）暂时基金，１　９５４年建立了一个永久的组织，　Ｓｃｈｏｏ１）提供的奖学金顺利入学。这时贝尔的梦想并不是成为　一名科学家，而是对古希腊的哲学产生了浓厚的兴趣。不过在　１　９５７年参与国家从１　１国增加至１　２国。在这样的背景下，贝尔　毕业后首先来到了位于哈威尔（Ｈａｒｗｅｌ１）的Ａ．Ｅ．Ｒ．Ｅ（英国原　阅读过大量的哲学书籍后，他失望地发现对于好哲学家的定义　不过是如何驳倒其他哲学家，并且哲学所解决的是非常大的问　题，对于贝尔来说这些问题没有任何进步。但是当他开始接触　子能研究机构）工作，随后便被调到马尔文学院参与设计直线　加速器。在这里，贝尔对于基础物理深刻的理解以及极强的　物理学时，他惊喜地发现，物理学的进步要明显好于哲学。从　这时起，贝尔的心中就埋下了成为物理学家的种子。　数学能力为他在加速器的理论研究中起到了至关重要的作用。　同日寸，贝尔也在这里邂逅了自己的工作伙伴、未来的妻子玛　丽·罗斯（Ｍａｒｙ　Ｒｏｓｅ）。１９５２年，他以英国代表团和顾问的　身份参与设计初期ＣＥＲＮ第一部分的加速器。同年，得益于当　１　６岁高中毕业的贝尔既因为年龄不够，又因家境贫寒无法　担负起学费，所以不能顺利进入大学学习。好在幸运的是，他　找到了一份在贝尔法斯特的女王大学（Ｑｕｅｅｎ’Ｓ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）　担任物理系技术助理的工作，并留在卡尔·艾米留斯（Ｋａｒｌ　时政策的影响，贝尔决定进～步地深造自己，他最终选择来到　伯明翰，师从曾经没能拜访的鲁多尔夫·佩尔斯。　Ｅｍｅｌｅｕｓ）手下做事。在担任助理期间，贝尔被允许旁听物理　课程，在有了～定的物理学基础，并攒够了学费后，贝尔于　来到伯明翰，贝尔需要解决的第一个重大问题就是研究方　向，这时摆在他面前的有三个选项：量子力学基础理论研究、　１　９４５年正式入读女王大学。贝尔在大学期间开始学习量子力　学和相关的哲学问题，他被量子力学深深地吸弓Ｉ了，这也成为　伴随他一生的研究方向之一。贝尔师从保罗·埃瓦尔德（Ｐａｕｌ　Ｅｗａｌｄ），一名被德国驱逐出来的优秀物理学家，曾担任斯图加　特理工大学校长，同时也是Ｘ一射线晶体学创始人之一。在贝　加速器数学理论研究和佩尔斯安排的研究。虽然佩尔斯是贝尔　的导师，但是实际上每天指导贝尔的是理论物理学家保罗·汤　顿·马修斯（Ｐａｕｌ　Ｔａｕｎｔｏｎ　Ｍａｔｔｈｅｗｓ），也是在这时二人建　立了深厚的友谊，在日后推举贝尔为英国皇家学会会员时，马　修斯就是主要的提议者。虽然佩尔斯明确反对贝尔做量子力学　的基础理论研究，但是贝尔始终执念着量子理论中那些困扰他　尔做毕业设计的时候，埃瓦尔德建议他去拜访鲁多尔夫·佩尔　斯（Ｒｕｄｏｌｆ　Ｐｅｉｅｒｌｓ），同样是一名德国流亡的顶尖理论物理学　的问题，所以他最终选择了量子力学基础理论作为研究方向。　１　９５４年贝尔与玛丽·罗斯结为夫妻，并于两年后取得了伯明翰　家。但贝尔受到当时家庭情况的制约，想要直接去工作，并没　４９　

Ｖ理论研究　教胄界／ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　ＣＩＲＣＬＥ　２０１８年第３９期（总第３１５期）　大学物理学博士学位。多年后，佩尔斯在自己的书中肯定了贝　尔的工作，尤其是贝尔对冯·诺依曼理论缺陷和隐变量解释的　讨论。　Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）计划，其中，贝尔的一部分贡献就在于　这个计划中对电子冷却的相关研究。１　９８９年８月，历史上能量　最高的正负电子对撞机“ＬＥＰ”在ＣＥＲＮ正式投入使用，出于　对这部机器的兴趣，再加之贝尔曾经对于直线加速器的相关研　究经验，他对辐射阻尼进行了深入研究。除此之外，贝尔还对　虽然贝尔和玛丽与ＣＥＲＮ有很多交集，但是直到１　９６０年，　二人才正式加入了ＣＥＲＮ，贝尔在理论部门，玛丽则加入了加　速器研究小组。在ＣＥＲＮ，贝尔的主要工作是对粒子物理和加　速器的研究，但是他从未停止过对自己“业余爱好”量子力学　基础理论的思考。１　９６３年，贝尔和妻子获得了一次休假的机　粒子加速器储存环中的黑洞辐射和电子的量子波动的相关研究　颇有贡献。　贝尔对于量子力学的贡献最为知名的就是１　９６４年在《关于　ＥＰＲ佯谬》一文中所提出的贝尔不等式，这个具有判决性的不　等式使得人们通过实验来验证纠缠态和超距作用变得可能，诺　会，他分别拜访了斯坦福大学、威斯康星大学和布兰德斯大学，　这时的他可以暂时放下ＣＥＲＮ的工作，全身心地投入到量子力　学的研究中。一年后，在他与妻子共同拜访斯坦福大学时，贝　贝尔奖获得者、物理学家布赖恩－约瑟夫森曾经把贝尔不等式　说成是物理学中最重要的新进展。贝尔不等式在提出之时，对　尔完成了他最为著名的论文《关于ＥＰＲ￣－谬　在投稿过程中，　对于在斯坦福大学的贝尔来讲，很自然地应该选择《物理评论》　于实验的要求极为苛刻，所以并没有引起广泛关注，直到８０年　代阿兰·阿斯佩（Ａｌａｉｎ　Ａｓｐｅｃｔ）等人的光子偏振实验，成功　地验证了纠缠态的存在，这一研究引起了人们对贝尔定理的关　（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ），但是《物理评论》要收取一笔高昂的版面　费，而贝尔认为作为访学者管斯坦福大学要这笔费用是非常不　礼貌的，所以贝尔选择将这篇文章投给了一个并不出名并且只　发行至１　９６８年的杂志《物理》（Ｐｈｙｓｉｃｓ）。在这篇文章中贝尔　提出了他最为著名的贝尔定理，这之后不仅为他个人带采了极　注。除此之外，贝尔对与量子力学中的数学和哲学有着很大贡　献。数学上，冯·诺依曼在他的量子论著里预设几个可观察量　之和的预期值等于其中每一个可观察量的预期值之和，贝尔则　敏锐地指出冯·诺依曼在他的量子论著里预设几个可观察量之　高的声誉，也极大推进了量子力学相关研究的发展。　直到１９９０年突发脑血栓，贝尔在ＣＥＲＮ一共工作了３Ｏ年。　在ＣＥＲＮ，贝尔被称为“ＣＥＲＮ的圣人”，很多认识或不认识的　和的预期值等于其中每一个可观察量的预期值之和的错误，这　个预设虽在数学上合理，但是冯·诺依曼似乎是忽略了不确定　性原理及其推论，所以在物理意义上就说不通了。哲学上，贝　尔不仅对量子力学诠释有自己独到的见解，他也继承了爱因斯　坦的世界观，否认超距作用的存在。他将超距作用比作是两只　同事都会向贝尔请教各种各样的问题，而贝尔也总是能一语道　破问题的关键，所以贝尔经常说“ＣＥＲＮ像是一个有许多过路　人的火车站”，他在这里每天都可以遇到新朋友，解决新问题，　同事们也无不被贝尔对科学的热情与求真的执着所打动。贝尔　和妻子十分注重自己的隐私，他们鲜少接受采访，也几乎不参　加社交活动，每到午饭时，他们都只和一小群朋友吃自己带的　食物。贝尔一生都承受着偏头疼的困扰，虽然这个问题消失了　几年，但是在他生命的最后时间里，偏头疼还是曾几次短暂地　颜色不同的袜子，假设当你知道其中一只袜子是红色日寸，可以　瞬间得知另一只一定不是红色的信息，从而解释为何会产生超　距作用。这一经典的例子一直被许多否认超距作用的学者沿用　至今。但是当阿斯佩的实验成功后，贝尔也公正地评价道：“这　个实验表明爱因斯坦的世界观是站不住脚的。”　贝尔一生中最为主要的研究方向是高能物理。在去ＣＥＲＮ　工作之前，贝尔对高能物理的研究集中在场论、核多体问题和　核光学模型上。其中一个有趣的插曲在于，贝尔在完成他最　发生在贝尔的身上，但并没有引起他的重视。贝尔的好友莱因　霍尔德·伯特曼（Ｒｅｉｎｈｏｌｄ　Ｂｅｒｔｌｍａｎｎ）也曾回忆１　９９０年在巴　黎遇到贝尔时，他的健康状态看起来并不好。即便如此，贝尔　也没有积极求医，才会导致之后的悲剧。　早的一篇有关ＣＰＴ定理的论文《场论中的时间反演》时，泡利　（Ｐａｕｌｉ）和吕德斯（Ｌ　０　ｄｅｒｓ）的工作几乎在同一时间先于贝尔　得出了同样的结论，但是在论文的质量上，贝尔的论文中给出　了更多综合性的证据，并且时至今日贝尔的工作可能比吕德斯　相当正式的场论论证更加有意义。加入ＣＥＲＮ后，贝尔对于高　能物理的研究更加多元化。他在向量玻色子的中微子、中微子　二、贝尔的成就　贝尔一生主要的科学成就集中在量子力学、高能物理和加　速器物理上。其中，加速器物理的研究集中在２０世纪５Ｏ年代和　８Ｏ年代；量子力学的研究集中在６Ｏ年代至贝尔去世；高能物理　的研究则贯穿了贝尔的一生。　贝尔早期的加速器研究多是在Ａ．Ｅ．Ｒ．Ｅ中完成的，他主要　完成的工作是为直线加速器提供数学方法，并且这些方法时至　今日依旧能当作一个大规模计算机程序的起点。之后贝尔关于　与原子核的反应、测量理论、低质量强子的光谱和结构、包含　重夸克的强子、强子的现代模型等方向都有自己深入的研究。　其中，贝尔对于三角反常的研究至今都是测量理论中的一个经　典，这种反常表明了量子效应会破坏经典物理学的对称性，它　对于量子色动力学（ＱＣＤ）和大统一理论（ＧＵＴ）都具有重要　的意义。　加速器的研究则是在ＣＥＲＮ中完成的。１　９７９年，ＣＥＲＮ开始修　建反质子累加器（Ａｎｔｉｐｒｏｔｏｎ　Ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ　ｍａｃｈｉｎｅ），为了　解决这部机器的冷却问题，ＣＥＲＮ开启了一项“ＩＣＥ”（Ｉｎｉｔｉａｌ　５０　

２０１８年第３９期（总第３１５期）　教胄界／ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　ＣＩＲＣＬＥ　理论研究Ｖ　在科学上，贝尔是一个现实的人，虽然他在量子力学上的　成就更引入注目，但是他依旧选择加速器物理作为自己的主　三、结语　当所有人都认为爱因斯坦和玻尔的争论只是一个哲学问题　业，而量子力学只作为业余爱好，因为贝尔深知，如果没有新　的实验项目，物理学不会有新的进展。贝尔不仅在自己所从事　时，贝尔却将这一切变为了可以放在实验室证明的现实问题。　贝尔毫无疑问是２Ｏ世纪后半叶最有影响、最重要的科学家之　～的领域有很多贡献，他同样支持主流以外新趋势的物理学。贝　尔这种对于科学广泛的兴趣，以及对于自然、科学和技术的深　入理解，是他能同时在不同的领域都有自己卓越成就的重要原　因。另外，贝尔不等式也成为科学哲学问题如何影响、转化为　。这样一位伟大的科学家，不仅是北爱尔兰科学的精神领袖，　更应该被全世界的人尊敬和学习，所以笔者在其诞辰９Ｏ周年之　际写下这篇文章，以此缅怀这位科学家对全人类的科学事业所　做出的卓越贡献。　科学的范例之～，推动了科学与科学哲学间的共同发展，并开　启了纠缠态研究的大门。　贝尔除了在科学上有自己的贡献外，对于物理学教育也有　很大的贡献。１　９６１年，贝尔与安东尼诺·齐基基（Ａｎｔｏｎｉｎｏ　【参考文献】　［１　Ｊ　Ｂｅｌｌ　Ｍ．Ｂｅｌｌ　ｔｈｅ　ｖｅｇｅｔａｉｒａｎ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｔｏｄａｙ，２０１６，６９　（８）：１２．　［２］Ａｎｄｒｅｗ　Ｗｈｉｔａｋｅｒ．Ｊｏｈｎ　Ｓｔｅｗａｒｔ　Ｂｅｌｌ　ａｎｄ　ｔｗｅｎｔｉｅｔｈ—　ｃｅｎｔｕｒｙ　Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｖｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ［Ｍ】．ＵＫ：Ｏｘ￣ｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，２０１６：１２，９８，１３７，３８５．　Ｚｉｃｈｉｃｈｉ）共同计划，在埃里切（Ｅｒｉｃｅ）建立一所教授现代　物理学的学校。１　９６２年，贝尔、布莱克特（Ｂｌａｃｋｅｔｔ）、拉比　（Ｒａｂｉ）、魏斯科普夫（Ｗｅｉｓｓｋｏｐｆ）和齐基基共同签署了执照　章程，亚核物理国际学校（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｓｕｂｎｕｃｌｅａｒ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）就这样正式成立了。这是一所非常特殊且自由的学　校，在这里，老师也是学生，学生也是老师，无论是谁都可能　１　３　ｊ　Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎ　Ｊ．Ｊｏｈｎ　Ｂｅｌｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｉｄｅｎｔｉｃａｌ　Ｔｗｉｎｓ［Ｊ】．　ｐｈｖｓｉｃｓ　ｉｎ　Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ，２００８，１０（３）：２６９—２８６．　［４］［美］阿米尔·艾克塞尔剖缠态【ＭＪ．庄星来译．上海：　上海科学技术文献出版社，２００８：１０６—１０８，１４７．　为任何问题发起讨论；在这里，科学没有秘密，没有国界，只　有纯粹的学术讨论。这所学校另一个特殊的点在于，自１　９６３年　开始第一次活动后，每年这所学校都会邀请新发现或新发明的　原作者来这里亲自授课，其中，有８５人在埃里切授课后获得了　诺贝尔奖，４９，Ｘ，￣．ＪＩ是已经获得了诺贝尔奖。学生在这所学校中，　［５］［关］阿伯拉罕·派斯．基本粒子物理学史［Ｍ】．关洪　等译．武汉：武汉出版社，２００２：５９８．　１　６　ｊ　Ｔｈｅ　Ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ＥＭＦＣＳＣ［ＥＢ／ＯＬ】．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．　ｃｃｓｅｍ．ｉｎｆｎ．ｉｔ／ｅｍ／ｈｉｓｔｏｒｙ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍ１．　［７］［丹］赫尔奇·克劳．量子世代ｆＭ】．洪定国译．长沙：　湖南科学技术出版社，２００９：３５１．　１　８　Ｊ　Ｐｅｉｅｒｌｓ　Ｒ，Ｔｈｏｕｌｅｓｓ　Ｄ．Ｓｕｒｐｒｉｓｅｓ　ｉｎ　Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ［Ｍ］．Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙ　ｔＰｒｅｓｓ，１９７９：２６—２９．　１　９　Ｊ　Ｂｅｌｌ　Ｊ　ｓ．Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｅｉｎｓｔｅｉｎ～Ｐｏｄｏｌｓｋｙ—Ｒｏｓｅｎ　ｐａｒａｄｏｘ［Ｊ］．　Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９６４，１（０８）：１９５－２００．　可以直接与这些走在科学前沿的第一人面对面交流，这些研究　者们可能更善于与科学的进步保持同步，传递的知识更是原创　性来源，而不是易受影响的书本。　此外，贝尔在自己的多篇文章中谈到有关如何教学的问　题，其中最具代表性的为贝尔一篇名为《如何教狭义相对论》　的文章，其中贝尔用飞船模型引出狭义相对论中的问题，表达　【１　０　ｊ　Ｂｅｒｔｌｍａｎｎ　１Ｋ　ＡＪｏｈｎ　Ｓｔｅｗａｒｔ　Ｂｅｌｌ－Ｐｈｙｓｉｃｉｓｔ　ａｎｄ　ｍｏｒａｌｉｚｅｒＪ［］．Ｆｏｕｎｄａｉｔｏｎｓ　ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，１９９０，２０（１０）：１１３５—１１３８．　【１　１　Ｊ　Ｂｅｒｔｌｍａｎｎ　Ｒ，Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ　Ａ．Ｑｕａｎｔｕｍ【ＵｎＪＳｐｅａｋａｂｌｅｓ　了自己对狭义相对论教学的几点意见，这篇文章中所提出的飞　船悖论也被厂泛用于狭义相对论的讨论中。贝尔希望通过一些　简单的模型来让学生学习到某一方面知识最基本的原理，在理　解基本原理后再进行复杂问题和复杂模型的研究。　ＩＩ［Ｍ］．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２０１７：４，Ｖ．　【１　２　Ｊ　Ｂｅｒｔｌｍａｎｎ　Ｒ　Ａ，Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ　Ａ．Ｑｕａｎｔｕｍ【Ｕｎ】　ｓｐｅａｋａｂｌｅｓ［Ｍ］．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００２：５．　１　１３　ｊ　Ｂｅｌｌ　Ｍ，Ｇｏｔｔｆｒｉｅｄ　Ｋ，Ｖｅｌｔｍｓｎ　Ｍ．Ｑｕａｎｔｕｍ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ［Ｍ】．Ｗｏｒｌｄ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，１９９５：２－４，７５５．　贝尔对物理学教育的关注，很有可能来自青年时对学校教　育的不满。在杰里米·伯恩斯坦（Ｊｅｒｅｍｙ　Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎ）关于贝　尔的一次采访中，当贝尔谈到自己高中在学习牛顿力学时，对　只是滑轮和杠杆的教学，连续使用了“很大的失望”和“非常　失望　表达了对当时教学的不满。在另一篇欧姆尼对贝尔的采　［１　４］ＷｉｋｉＰ　ｅｄｉ　ａ　Ｌａ　ｒｇｅ　Ｅｌ　ｅ　ｃｔ　ｒｏｎ—Ｐ　０　Ｓｉｔ　ｒｏｎ　Ｃｏｌｌｉｄｅｒ［ＥＢ／ＯＬ】．ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｌａｒｇｅ—　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ％Ｅ２％８０％９３ＰｏｓｉｔｒｏｎＣｏｌｌｉｄｅｒ．　＿访中，贝尔也提到过，当他还是一名学生在看到量子力学时，　对量子力学非常生气，虽然导师对他很宽容，但是在贝尔的追　问下也变得没什么耐心了，所以贝尔在学习期间始终没能通过　学校的物理学教育，解决他对于量子力学的烦恼。笔者相信，　［１５］［英］戴维，布朗．原子中的幽灵ｆＭ】．易心洁译．长　沙：湖南科学技术出版社，１９９２：４２—４３．　１　１　６　ｊ　Ｂｅｌｌ　ｆ　ｓ．ＢＥＲＴＬＭＡＮＮ　Ｓ　ＳＯＣＫＳ　ＡＮＤ　ＴＨＥ　ＮＡＴＵＲＥ　ＯＦ　ＵｍＡＬＩＴＹ［Ｊ］Ｊ．ｐｈｙｓ．ｃｏＵｏｑ，１９８１，４２（１０）：１１３５—１１３８．　如果贝尔没有英年早逝，他对于无论是物理学还是物理学教　育，甚至其他方面，都会有更进一步的贡献。　５１