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第1章 因缘际会
■科学的魅力■粒子物理学的光辉岁月
■怀揣远大理想而去哥伦比亚大学
■传奇物理学家与初出茅庐的青年才俊■天才与怪人、计划与幸运
我把纽约想象得很美好。然而，当我在1966年秋天一个炎热的下午到达那里的时候，纽约城看上去既肮脏又凌乱，毫无现代感而言，令人失望。当时我在倒时差，疲惫不堪，从肯尼迪机场坐上闷热的出租车去上曼哈顿区，旅途让我情绪低落。由洛克菲勒基金会建设的研究生公寓——“国际公寓”（I.House），位于远离纽约上西区的地方，公寓里塞满了塑料家具，跟我在南非时他们寄给我的宣传册中的样子大相径庭。走廊的墙壁被粉刷成白绿相间的颜色，让人很不舒服，加上后门入口处的保安，都让人有种身处监狱的感觉。花了几个月时间，我才对这些让人难受的东西熟视无睹。我们都把这个地方称为“国际公寓”，看来确实很适合外国学生居住。
走下飞机的几个小时后，我陷入了一种非常强烈的孤独感中。这种感觉与突然的距离感和时间感有关，我曾经几度离开家门，但没有一次离家这么远，也从来没有过不知道什么时候回家的情况。在一连几个星期，甚至几个月的时间里，我的喉咙里好像有个肿块，随时都可能把我压垮似的。这种强烈的感觉很长时间才过去，可当它消失后，我又怀念起那种让我意识到自身存在的悲伤和渴望而带来的痛感。很多年后，当我读到罗伯特·穆齐尔（Robert Musil）写的《少年特尔勒斯》（Young Trless）时，就意识到了那位年轻的主人公穿透人心却又令人捧腹的苦恼。当初那种孤独感并未完全消失，从那时起，无论何时我独自到达一座新城市时，都会唤起我对那段痛苦时光的回忆，即使这种感觉只是片刻。
在开始的几个星期里，我在国际公寓几乎没有跟任何人讲过话。那时还没有开学，公寓里基本空无一人，寂静无声。出于惯有的谨慎，我提前三个星期来到学校，强迫自己安顿下来，熟悉环境，等待开始我的物理学博士课程。然而，我感到跟以前认识的所有人都隔绝开了。今天似乎不能想象在世界任何一个地方而与外界失去联系的现象，但我从开普敦到纽约的第一年确实是这样的。那时，在一层楼里住着50人的国际公寓中几乎没有电话，只有在过道一个隔音效果极差的电话亭里装有一部分机。当时，打给南非的电话费非常贵，而且必须向接线员提前预订。我从来没有给家里打过电话，取而代之的是，我每周都会给家里人和朋友们写几封信。最后，感谢“上帝”，我在研究生院第一学期的课程总算开始了。
一定要在物理学界成功，这种盲目但强烈的愿望激励我离开开普敦，一次简单而又偶然的机会把我带到哥伦比亚大学。4年前，我16岁的时候进入开普敦大学读书。我们接受的是英国式教育：你必须选择你的主攻方向——科学、艺术、医学或是商业，然后才能开始学习。我选择的是自然科学。在我大学的第一年，我选了四门分别要上一年的课程：物理学、理论数学、应用数学和化学。大学里并没有可供选择的辅修课程，老师选择讲什么，你就要学什么，然后在每年年底的期末考试中得到相应学分。到了大学四年级，我决定选一门应用数学和理论物理学的双学位课程。可愚蠢的是，学校从我大学二年级开始就规定只能选择理论物理学了，这使我缺少实验技能。这样过早地确定专业，在美国任何一所好大学里都是不能容忍的。
1965年年末，我突然意识到我很多有志向的同学计划申请出国读研究生。碰巧，我因为讨厌痤疮而意外踏上美国之旅。说来凑巧，10年前我那心理医生的姐姐帮助我的皮肤科医生的侄子克服了“注意力缺乏症”，这位皮肤科医生出于感激，鼓励我申请去国外读物理学。我接受他建议的时候还没有完全弄懂我将踏上的是怎样的一条路，就着手申请英国和美国的奖学金了。开普敦大学物理系对出国读书所带来的益处持有偏见，但我并没有被他们劝住。
如果不是痤疮，可能我仍留在南非。所以从那时开始，我就相信我的人生旅程、分别的老朋友和结识的新朋友、我的婚姻和我的孩子们，都是一次偶然的痤疮的结果[1]。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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]
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。
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”。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
粒子物理学家是一群自命不凡的人，他们认为自己的研究领域是很多非常基础的知识的源泉，常常以诋毁其他更加尖端、更加复杂的物理学领域为乐。八正道和夸克的发现者盖尔曼清楚地体现出了大多数粒子物理学家的这种潜在的高傲心态，他对表面看起来非常普通的、研究大物体及其不同形态的固体物理学曾经有过一个著名的概称“肮脏态物理学”。
现在，并不是所有人都认同盖尔曼的聪明妙语。在过去的20年里，物理学家已经发现了大物体和微小粒子在物理属性上存在很多共性。这些共性在两个领域中都是非常新鲜、有趣的，而这些共性似乎都来源于所谓的“多聚性”：大物体和微小粒子分别可以视为中间物，都是由非常大量的相似成分组成的。当很多相似的成分聚集在一起时，它们的集体行为就会表现出全新的、不可预知的特性。一滴水可以突然冻结转化为固体，而水分子却无法转化为固态。我们可以说一阵兴奋之情或是翘首以盼的寂静席卷了整个人群，但却不能说席卷了某个人。用另一位诺贝尔奖得主P.W.安德森（P.W.Anderson）的话说就是“量多则异”，他和其他“肮脏态物理”学家一样，都相信没有还原论者所认为的那样存在唯一一个大一统理论。
永远不能知道谁是对的。但就像二战后绝大多数有远大抱负的物理学家一样，我被还原论者的观点深深吸引了。我想成为彻头彻尾的还原论者，也就是一位粒子物理学家。
从更技术方面的角度讲，我还必须在理论物理学家和实验物理学家之间做出选择。但对我而言，这基本不需要选择。理论物理学的本质是试图观察宇宙，并理解宇宙的结构。如果是对的，就能超越牛顿和爱因斯坦：你发现了十诫中的一条。你用神来之笔写下一组定律，它们神奇地描述并预测了“上帝”所创造的世界是如何运行的。这就是我向往的征程，其他任何选择都是我所不愿做出的让步。
即使在理论粒子物理学中，还有更进一步细分的领域。纯粹的理论就是确定抽象的定律，就像制定统治世界的神圣戒律。但摩西每次带着新的有效神诫下山而来，总有数不清的、善意的先知们提出的假设被证明是错误的。那么人们怎么判断一个理论是否正确呢？
光有美妙，即使是数学上的美妙，是不够的。物理学家必须详尽阐述新理论如何作用于这个世界，从而检验该理论是否正确。从事现象学工作的物理学家要得到这个理论具体的、可观测的结果，必须提出理论与实验间、思想与实际间的现实联系。现象学家详细阐述理论，他们创造出试验性的近似，将理论转化为实用的工具；通过对比实验得出的结果和使用理论计算出来的预期结果，验证或否定一个理论。现象学家更多是在现象表面做文章，而很少触及现象背后的规律。
虽然我想从事纯粹的理论研究，但最终我大部分在物理领域内的时间都可以说是一名现象学家。从长远来看，这对我是非常有好处的。当我转向华尔街工作时，我发现相对于纯粹理论，数量金融更像现象学研究。数量金融主要涉及金融合约估值的技巧，考虑到人类心理上的波动，数量金融更接近于一门表面上的实用研究，而非研究深层次原因的学问。相对而言，物理关心的是“上帝”的神谕，这些深奥的物理定律用简单、直白的语言表述出来，似乎更容易理解。
我对物理学内容充满激情，但我也对现实回报充满极度渴望。激情与渴望持续多年，尽管失望不可避免。10年后的1976年，作为一名牛津大学的博士后研究人员，我对远大抱负的逐渐消逝有过一次顿悟。在十六七岁时，我曾渴望成为另一位爱因斯坦；在21岁时，我曾认为能够成为第二个费曼就能让我兴奋了；到了24岁时，我认为未来能做到李政道那样就可以了。可到了1976年，与另外一位博士后研究人员共用一间办公室的我，意识到自己已经跌落到嫉妒隔壁办公室的另一位博士后了，只是因为他被邀请去法国参加一场研讨会。非常类似的是，很多期权理论家会提到所谓的“时间衰减”，意思是金融股票期权也会随着到期日的临近而逐渐失去其潜在收益。
[1] 这位皮肤科医生可怜的、患有注意力缺乏症的侄子是约翰·多凡，他在几年后也来到美国读研究生。现在他已经是斯坦福大学加速器中心的主任，这个中心是世界上实验粒子物理学领域为数不多的大型实验窒之一。
[2] 1英里-1.6093下米。——译者注
[3] 你可能认为我列出课程代码太过卖弄了。但亢到现在，30多年过去了，每个无声的代码都会在我面前浮现出一个鲜活的印象：某年、某间教室、某位教授、滑动的黑板、发出烦人滴答声的暖气……还有马上就要学到某种新鲜的、神秘的“炼金术”时的兴奋之情。
[4] 我在高盛的最后几年里，面试了很多申请在高盛投行部门工作的本科生，我常常吃惊于他们对于学过的课程内容居然都不记得了，他们对专业领域内的核心内容知之甚少。我碰见过一位统计专业的大三学生，居然讲不清楚什么是标准差，还遇到过学过好几门电磁学课程的学生，居然不记得麦克斯韦方程。而我是只要学过的，都学得很好。看来他们所受的教育都白费了。