肯尼思·G·威爾遜(Kenneth G.Wilson) —相變的臨界理論的提出者

1936年6月8日,肯尼思·G·威爾遜(Kenneth G.Wilson,1936—)出生於美國馬薩諸塞州的沃爾瑟姆。威爾遜小時候就表現出與眾不同的聰穎和活潑。童年和少年時代的勤奮好學精神更是為親朋師長所歎服。他在16歲那年以優異成績考入美國著名學府哈佛大學,1956年畢業。然後,他來到加利福尼亞大學理工學院繼續求學深造。他投師于默里·蓋爾一曼(1969年諾貝爾物理學獎獲得者)和弗朗西斯·洛的門下,成為他們的高徒。在兩位名師的指點下,不但所完成的學位論文質量高,而且也打下了深厚的自然科學方面的基礎。1961年,他25歲時從那裡畢業,並獲取了物理學博士學位。1962年,歐洲核子研究委員會聘請他到那裡工作。第二年,他又被任命為紐約康奈爾大學的助理教授。從此,他就在康奈爾大學踏踏實實地從事教學和科學研究工作。1971年,由於他在美國《物理學評論B》雜誌上公開發表了自己的「關於相轉變臨界現象的重整群方法」論文,因而在物理學界一鳴驚人,進而被學校提昇為物理學教授。時隔十一年之後,威爾遜的理論終於為國際物理學界所承認,並於1982年授予他諾貝爾物理學獎。時年威爾遜僅46歲。這使他成為迄今為止,登上諾貝爾領獎臺的一長列的美國諾貝爾獎獲得者中少數年輕的科學家之一。

當人們得知威爾遜獲得諾貝爾獎時既為之感到高興,又覺得有些突然之際,諾貝爾獎金評委會負責人斯·倫德奎斯教授這樣解釋說:「我們一向主張並盡力把獲獎者限製為不超過三個人。但是威爾遜的工作意義非常重大,而且又是單獨作出的一種突破,因此我們認為把獎只授予他是必要的。」

威爾遜在接到他自己單獨獲得諾貝爾物理學獎的通知時,既感到高興又有點意外。因為他原來曾有可能與同校的邁克爾

·費希爾和芝加哥大學的利奧·卡達諾夫共同獲獎的想法,而且在此之前,威爾遜就與這兩人共獲以色列頒發的沃爾夫物理學獎。當前來祝賀的人問他獲獎後的感想時,威爾遜感慨地說:「現在我只能表示希望他們將來能獲得諾貝爾獎。」他接下去說道:「我知道我只是一個諾貝爾獎的競爭者。因為在任何時候都能夠列出五十至一百名這個獎的獲獎候選人名單,但是永遠不會預先知道誰將被授予。」從威爾遜的這一番言語中,我們不難看出一個著名學者的謙虛美德,以及對同行的極為尊敬的真摯情感。

那麼「關於相變的臨界現象」理論到底是怎麼一回事?如果弄清楚它的來龍去脈,將對我們正確認識威爾遜所取得的成就大有裨益。

對於「相轉變」問題的研究差不多已有百年的歷史了。早在1881年,荷蘭人范德瓦耳斯所創立的「狀態方程」,就使得從統計力學的角度去認識由氣體狀態轉變成液體狀態成為可能。由於「狀態方程」的貢獻,范德瓦爾斯而獲得了1910年頒布的諾貝爾物理學獎。其後,許多科學家對「狀態方程」繼續進行深入且拓寬性的研究。前蘇聯科學家朗道提出一種與分子場理論具有同等價值,而且可以包容範德瓦耳斯理論的理論。進入20世紀60年代,由於實驗設備的完善、精度的提高,計算機的不斷更新和攝動計算的發展,與古典的分子場理論不同的臨界指數被許多科學家逐個發現。為了說明這一現象,各國許多科研工作者開始進行用統計理論去說明的嘗試。比如,1965年美國的懷登、英國的多姆和亨特、前蘇聯的巴德辛斯基和鮑克羅夫斯基、日本的鈴木增雄等科學家都圍繞朗道理論進行過研究。1966年,卡登夫提出了一個與古典分子場理論不同的理論,即包容新實驗結果和數值計算結果的一項綜合理論。然而,在這一理論中,有兩個基本臨界指數被當成了未知數遺留了下來。因為一般臨界指數經過運算可以找到答案。唯有從相轉變體系的相互作用來求得這兩個未知的臨界指數,卻使眾多的科學家望而卻步。進而,整個科學界尤其是物理學界因此而翹足引領。

這時的威爾遜雖年僅三十餘歲,在科學界尚屬年輕之輩,但他卻具有知難而進、勇攀高峰的精神。經過刻苦鑽研,他終於尋找出一條最佳解決的途徑—「重整群方法,」並運用此方法對物質相變的臨界現象予以比較圓滿的解釋。

所謂臨界現象問題(也包括人們常說的臨界點問題)同物理學領域的其他現象不同,是一個理論性很強的問題,而且對這個問題的研究也要涉及各種長度不同的起伏波動譜。假如採用直接計算的方法進行正面研究,無論使用任何方法(包括使用計算機)也是無法解決的。60年代初,物理學界對臨界現象的研究,一直苦于無計可施。威爾遜到康奈爾大學後不久,曾經嘗試運用重整群的方法來解釋磁體的物理臨界現象。威爾遜於50年代在加州理工學院時曾向蓋爾一曼教授學得的重整群理論。現在,他把這一方法運用於解決臨界現象問題的研究之中,首先把計畫解決散問題分成一連串比較簡單的問題,然後逐步解決這些簡單的問題。最後把已解決的這些簡單問題再合成,這樣便解決了整個問題。威爾遜通過對理論物理學的「重整化分組理論」作了必要的改進以後,形成了自己的理論,最後於1971年,以題為《重整群和臨界現象:I和I》的兩篇論文發表在美國《物理學評論B》雜誌上,公佈了近代「相轉變臨界現象」的理論。這一科學研究方法的重要革新,使世界物理學界產生了強烈的反響。經過十一年的驗證之後,諾貝爾獎評委會終於承認了它,並一致同意授予威爾遜諾貝爾物理學獎。

那末,怎樣去認識威爾遜所提出的理論的價值和意義呢?這就必須從更廣闊的角度去進行瞭解。我們所處的自然界會發生許多現象:當物質因外界溫度等條件變化到一定程度時它的狀態(即「相」)也就會隨著急劇發生變化,甚至發生質的變化,這種變化被稱作相轉變,例如,當大氣壓處於通常狀態,溫度在攝氏零度至一百度之間,水的存在形態為液體。而在零度以下,水的相是冰,是一種穩定的晶體。而在一百度以上,水的相是水蒸氣,是一種穩定的氣體。在攝氏零度時,水的液體或固體物相處於相對穩定狀態,也就是說水的這兩種相處於熱平衡條件之下。在常規大氣壓下,水被加熱,溫度逐漸上升到沸點,變成水蒸氣;或者把液態水逐漸減熱,其溫度下降到冰點。水由液體變成氣體,或由液體變成固體,其密度也隨著發生變化。從物理學的角度去看水的相變,可以概括為第一類相變。當然,其相變過程是逐漸的,並不是連續進行的。

然而,當大氣壓發生變化時,水的沸點就不是100℃,而隨之發生了變化。氣壓加大,水的沸點就升高。在這種條件下,液體水和氣體水在相變的前後,其密度的差別逐漸縮小,當氣壓和溫度達到某一點時,其密度的差別就近似於零。當物質快要發生激烈振盪而超越界限的狀態也稱為臨界點。每一種物質都有其自己獨特的臨界溫度和臨界壓力,物質無論在臨界點上的氣液相變,還是因液或因氣相變,均是一種臨界現象。臨界現象可以用物理量(如密度)來描述,即物理學界稱之為「有序參數」。而當有序參數在接近臨界點時,對外部條件如溫度、壓力或磁場等常有著特殊的函數關係。實際證明,對這種函數關係的研究可在複雜的物理系統中,找出或猜出某些近似的對稱轉換,並可以導出定量的結果,以此來同實驗的數值進行比較。多年來物理學界專家們一直在搜索枯腸去尋找攻克「相變臨界現象」理論難關的辦法,現在終於被威爾遜找到了。而且他所創造的重整群方法也可以被用於解決其它一些重要的至今尚未解決的某些難題。因此,威爾遜的名字也將與其成果一道永存於物理學史上。

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