相变的巨人:K. G. Wilson

Kenneth G. Wilson于1936年出生于美国马萨诸塞州(麻省),父亲是哈佛大学化学系教授,母亲结婚前念过一年物理研究生,爷爷是律师,曾任田纳西州众议院议长,外公是麻省理工学院机械工程教授。

Wilson首先在麻省的“林洞”(Woods Hole)用两年时间读完了2-4年级,然后在麻省的剑桥读完了5-8年级,接着在英国的牛津读完了9年级,接下来回到美国宾夕法尼亚州读完了10和12年级,中间跳过了11年级。

在去英国读9年级之前,Wilson就读过由他父亲和他父亲的朋友们提供的数学和物理方面的许多书籍,他从Kasner和Newman写的《数学与想象力》中学到了微积分的基本原理,并继续阅读微积分著作,直到被渐开线(involute)和渐屈线(envolute)的一章给难住。大约在这个时期,他就决定要成为一名物理学家。

Wilson觉得高中很无聊。在进入大学之前,他和父亲一起研究过符号逻辑。父亲还尝试教他群论,可惜没有成功。

1952年,16岁的Wilson进入哈佛大学,主修数学,同时也学习物理,这是有意为之的。他参加了“谱特难”(Putnam)数学竞赛并两次名列前五,还是哈佛田径赛场的明星,并利用暑假时间在“林洞”海洋研究所开始做研究工作。

哈佛毕业后,Wilson去了加州理工学院读研究生。头两年,除了学习理论知识外,他还在Kellogg核物理实验室获得了实验经验。接下来,他在盖尔曼(Murray Gell-Mann)的指导下做博士论文研究。

在加州理工期间,Wilson常常与年轻教员Jon Mathews聊天,Mathews教Wilson如何使用学校的计算机,他们还经常一起远足。Wilson还花了一个暑假在圣地亚哥的通用原子公司与Marshall Rosenbluth一起研究等离子体物理。另一个暑假,他与研究生Donald Groom在内华达山脉的John Muir Trail徒步,从优胜美地公园走到了惠特尼山。

在加州理工读了3年研究生后,Wilson回到哈佛担任著名的Junior Fellow青年科学家,而盖尔曼前往巴黎。在担任Junior Fellow的第一年里,Wilson还花了几个月时间回到加州理工完成他的博士论文。当时,哈佛大学的理论物理活动相对较少,Wilson就经常去隔壁麻省理工学院Francis Low领导的理论组蹭计算机和午餐。

1962年,Wilson去欧洲核子中心(CERN)工作了1年,最开始是受Junior Fellowship资助,后来则是作为福特基金会Fellow。工作之余,他抽出时间去爬了勃朗峰,并于1963年1-8月游览了欧洲。

1963年9月,Wilson到康奈尔大学担任助理教授,2年之后升至终身教职副教授,1971年成为正教授,1974年成为James A. Weeks冠名教授。他之所以接受康奈尔大学的工作邀请,除了因为大学水平不错外,还因为大学位于乡村,并且以拥有优秀的民族舞蹈团体而闻名,而民族舞是Wilson从研究生开始就培养的一项爱好。

Wilson的另一个爱好是演奏双簧管,但在1969年之后就没有再坚持了。

除了休假和暑期访问之外,Wilson在康奈尔大学一直工作到1988年。他在斯坦福直线加速器中心度过了1969-1970学年,在普林斯顿高等研究院度过了1972年春天,在加州理工学院以Fairchild学者身份度过了1976年秋天,在IBM苏黎世实验室度过了1979-1980学年。

Wilson的弟弟也是康乃尔大学的教授,任职于分子生物学及基因学系。

1975年,Wilson认识了在康奈尔计算服务中心工作的著名计算机科学家Alison Brown,他们于1982年结婚。他们与时任学术计算主任的Douglas Von Houweling和物理系的Geoffrey Chester一起发起了一个基于浮点系统阵列处理器的计算支持项目。Wilson帮忙为阵列处理器编写了最初的Fortran编译器。从那时起,Wilson除了自己使用阵列处理器之外,还一直在研究大规模科学计算在科学技术中的作用,以及与科学计算相关的组织问题,并努力争取工业界和政府对大学科学计算支持计划的认可。

Wilson的研究主题是基本粒子理论,他对这个主题做出了多项贡献:在1964年未发表的预印本和1969年发表的论文中提出了算子积的短距离展开;关于重整化群如何应用于强相互作用的讨论,在其中他讨论了所有的可能性,唯独没有讨论现在被认为正确的渐近自由(2004年获诺贝尔物理学奖);1974年规范场理论的提出(波利亚科夫也独立发现),以及发现晶格理论的强耦合极限表现出夸克禁闭。

1982年,因建立重整化群变换理论“对与相变有关的临界现象理论的贡献”,Wilson独自一人获得了1982年诺贝尔物理学奖。

Wilson对物理学的主要影响在于发展了一套完善的标度理论:系统的基本属性和作用力如何变化随测量的标度而定。为了计算相变是如何产生的,他制定了一套“分而攻之”的策略,把每一个尺度分开考虑,然后巧妙地应用重正化群理论,把相邻尺度的连结抽象化。这种做法为统计力学的相变和临界现象提供了深刻的洞见,使精确的计算变得可能。

Wilson还有兴趣尝试发挥重整化群方法在经典和现代物理学其他领域的潜力。作为这项工作的一部分,他继续研究统计力学(特别是应用于三维伊辛模型的蒙特卡罗重整化群)。后来他结合重整化群思想和计算机模拟来求解量子色动力学(夸克理论),是利用计算机研究粒子物理学的先驱。此外,Wilson还积极投身于物理教育的研究之中。

1988年,Wilson加入了俄亥俄州立大学,直到2008年退休。1995年,他搬到美国缅因州,并于2013年在那里逝世,享年77岁。

(翻译素材来源:​诺贝尔奖官网和维基百科)

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