纪念科学家约翰·斯图尔特·贝尔诞辰90周年

刘元兴 贺天平

【摘要】约翰·斯图尔特·贝尔（以下简称贝尔）以他著名的“贝尔不等式”而被人熟知，除了量子力学以外，贝尔在加速器物理、高能物理方向都有自己的贡献。文章从生平、成就、遗产三个方面对贝尔进行了介绍，借其诞辰90周年之际，缅怀这位对人类科学事业做出过突出贡献的伟大科学家。

【关键词】约翰·斯图尔特·贝尔；量子力学；纠缠态；贝尔不等式

一、贝尔的生平

1928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名素食主义者。贝尔的家庭并不富足，他的父亲自然地认为孩子在14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 School）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。

16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（Queens University）担任物理系技术助理的工作，并留在卡尔·艾米留斯（Karl Emeleus）手下做事。在担任助理期间，贝尔被允许旁听物理课程，在有了一定的物理学基础，并攒够了学费后，贝尔于1945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引了，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），一名被德國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-射线晶体学创始人之一。在贝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家。但贝尔受到当时家庭情况的制约，想要直接去工作，并没能遵循导师的建议，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。1947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。

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，迈出了第一步，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，1952年，欧洲决定建立CERN（欧洲核子研究中心）暂时基金，1954年建立了一个永久的组织，1957年参与国家从11国增加至12国。在这样的背景下，贝尔毕业后首先来到了位于哈威尔（Harwell）的A.E.R.E（英国原子能研究机构）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。同时，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，得益于当时政策的影响，贝尔决定进一步地深造自己，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。

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、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。1954年贝尔与玛丽·罗斯结为夫妻，并于两年后取得了伯明翰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。

虽然贝尔和玛丽与CERN有很多交集，但是直到1960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。1963年，贝尔和妻子获得了一次休假的机会，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，贝尔完成了他最为著名的论文《关于EPR佯谬》。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》（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1968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来了极高的声誉，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30年。在CERN，贝尔被称为“CERN的圣人”，很多认识或不认识的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1990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。

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50年代和80年代；量子力学的研究集中在60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。之后贝尔关于加速器的研究则是在CERN中完成的。1979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 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。1989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1964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颜色不同的袜子，假设当你知道其中一只袜子是红色时，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（Lüders）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。

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人注目，但是他依旧选择加速器物理作为自己的主业，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、转化为科学的范例之一，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。1961年，贝尔与安东尼诺·齐基基（Antonino Zichichi）共同计划，在埃里切（Erice）建立一所教授现代物理学的学校。1962年，貝尔、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1963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人则是已经获得了诺贝尔奖。学生在这所学校中，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广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。

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，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。

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20世紀后半叶最有影响、最重要的科学家之一。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90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。

【参考文献】

[1]Bell M.Bell the vegetarian[J].Physics Today， 2016， 69（8）：12.

[2]Andrew Whitaker.John Stewart Bell and twentieth-century Physics： Vision and integrity[M].UK： Oxford University Press， 2016：12，98，137，385.

[3]Bernstein J.John Bell and the Identical Twins[J].Physics in Perspective， 2008， 10（3）：269-286.

[4]〔美〕阿米尔·艾克塞尔.纠缠态[M].庄星来译.上海：上海科学技术文献出版社，2008：106-108，147.

[5]〔美〕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.

[6]The History of EMFCSC[EB/OL].http：//www.ccsem.infn.it/em/history/index.html.

[7]〔丹〕赫尔奇·克劳.量子世代[M].洪定国译.长沙： 湖南科学技术出版社，2009：351.

[8]Peierls R， Thouless D.Surprises in Theoretical Physics[M].Princeton University Press， 1979：26-29.

[9]Bell J S.On the Einstein-Podolsky-Rosen paradox[J].Physics， 1964， 1（08）：195-200.

[10]Bertlmann R A.John Stewart Bell—Physicist and moralizer[J].Foundations of Physics， 1990， 20（10）：1135-1138.

[11]Bertlmann R， Zeilinger A.Quantum [Un]Speakables II[M].Springer International Publishing， 2017：4，V.

[12]Bertlmann R A， Zeilinger A.Quantum [Un]speakables[M].Springer， 2002：5.

[13]Bell M， Gottfried K， Veltmsn M.Quantum mechanics， high energy physics and accelerators[M].World Scientific， 1995： 2-4，755.

[14]Wikipedia.Large Electron-Positron Collider[EB/OL].https：//en.wikipedia.org/wiki/Large_Electron%E2%80%93Positron_Collider.

[15]〔英〕戴维，布朗.原子中的幽灵[M].易心洁译.长沙： 湖南科学技术出版社，1992：42-43.

[16]Bell J S.BERTLMANN'S SOCKS AND THE NATURE OF REALITY[J].J.phys.colloq， 1981， 42（10）：1135-1138.