弗里曼‧戴森──自由隨性的異類科學家

原文發表於泛科學 

2020 年 2 月 28 日，弗里曼‧約翰‧戴森（Freeman John Dyson）去世，享耆壽 96 歲，國際各大媒體紛紛撰文哀悼。

他是只有學士學位的普林斯頓高等研究院榮譽教授，一生獲獎無數；其最知名的科學成就是促成量子電動力學的完備。除此之外，戴森還涉足諸多不同領域，包括數論、生命科學、固態物理、天文物理等等；不少家喻戶曉的學者，例如科學頑童費曼[1]和氫彈之父泰勒[2]，都曾與其並肩。

他撰寫科普書表達對人類未來、乃至移民宇宙的看法，對流行文化影響深遠，許多科幻作品都曾借用他的構想。戴森是原子科學家公報 （Bulletin of the Atomic Scientists）的理事會成員，協同管理末日時鐘[3]（Doomsday Clock），而今年一月的調整，是有史以來最接近世界末日的一次──僅差距 100 秒。

戴森曾研發核彈，卻又提倡禁止核子試爆；他親眼見證科學如何讓人類擁有摧毀自己的能力，但也相信科學具有讓人類免於滅亡的潛力。豐富的生命經驗、對社會議題的關注，與天馬行空的想像力，都讓他不再只是單純的科學家，而是現代公共知識份子的象徵。

戴森於 2005 年所攝相片（圖片來源）

數學家的養成

弗里曼‧約翰‧戴森出生於 1923 年 12 月 15 日的英格蘭，自年幼就展現出卓越的數學天賦：五歲便嘗試計算太陽有多少原子、少年時期的休閒讀物是微分方程式教科書。1941 年，時值第二次世界大戰，戴森進入了著名的劍橋大學三一學院。

他回憶：「所有的應用數學家都去打仗了，基本上沒什麼物理好做。但是一些非常知名的純數學家還在──像是哈代[4]、李特伍德[5]──我可以獨占他們。作為學生，和這些鼎鼎大名的數學家為伍，是很美好的時光。」在數學大師的薰陶下，戴森養成了數學家的能力，這對他日後在物理上的成就有許多幫助。

之後，戴森參加了戰事，擔任英國皇家空軍分析師，並於戰後回到劍橋取得學士學位。1947 年，他前往美國康乃爾大學進行短期參訪，師從貝特[6]。貝特是極為優秀的物理學家，也具識人慧眼；沒幾年前，他才向康乃爾大學推薦自己在曼哈頓計畫的工作伙伴──才華洋溢的費曼擔任教職。

費曼於 1965 年左右的照片（圖片來源）

二戰後物理學的重要焦點：量子電動力學

第二次世界大戰才剛結束，物理研究百花齊放，實驗與想法不斷推陳出新。當時物理學界聚焦的問題之一，是如何發展量子電動力學──光與帶電粒子交互作用的理論，針對電子行為做出正確計算。

哈佛大學教授許溫格[7]率先拔得頭籌，提出新的計算架構，得出與實驗吻合的結果，轟動學界。同時，費曼也用他獨家（簡單但不被欣賞）的費曼圖方法，獲得跟許溫格幾乎一樣的答案。許溫格和費曼，兩者的方法截然不同，卻總能得到相同的結論──這究竟是怎麼一回事呢？在當時沒有人能夠明白。

粒子物理標準模型下，基本交互作用的費曼圖表示。圖/wiki commons

另一方面，早在 1943 年，戰火肆虐的東方國度日本，東京文理科大學[8]教授朝永振一郎[9]，便不為人知地獨立進行同樣的研究，並比許溫格更早踏出正確的一步，奠定新量子電動力學理論的根基；奈何時局動盪，他的成果到戰爭結束後才為西方所知──分屬不同陣營的兩方，終於可以安心進行學術交流與合作了。考量戰爭期間的時空環境，朝永的工作彷彿寒冬裡綻放的花朵，格外珍貴。

朝永振一郎（圖片來源）

戴森的挑戰：解釋殊途同歸的正統方法與新把戲

與費曼同在康乃爾大學的戴森，是少數同時對許溫格和費曼理論有相當程度理解的人；他自述：「我用正統方法替貝特做的運算，花掉我幾個月的時間，寫了幾百頁的紙；費曼卻可以在黑板上，花半個小時而得到完全相同的答案……我暗自下定決心，做完貝特交代的工作後，接著就要來了解費曼的祕笈，並且用其他人都能懂的語言，將他的思想闡揚出來。」

1948 年暑假，戴森和費曼花上四天，從紐約州開車到新墨西哥州的阿布奎基，一路聊戰爭、聊核武、聊科學、批評彼此對科學的想法，真理卻愈辯愈明。在與費曼分別後，戴森參加了密西根大學的暑期學校，並抓緊機會與擔任課程講者的許溫格交流。每天下午，他都躲在屋簷下，仔細查驗許溫格演講的每一個步驟，再默想私下交流中，許溫格說的每一句話。到五個星期的暑期學校結束時，戴森已用許溫格的方法算過無數題目，寫滿上百頁計算。這時候的戴森還不知道，這個暑假即將成為他個人生命中，非常獨特的一段時期，大大影響了他的命運。

許溫格，攝於1965年（圖片來源）

兩邊兜在一起，完備量子電動力學

1948 年 9 月，戴森結束度假，搭上灰狗巴士返回美國東部。已經好一陣子沒想過物理的戴森，腦中卻突然浮現費曼的圖像和許溫格的方程式，「自行在我腦裡前後對正、左右標齊，而且從來沒有那麼清晰過。我生平第一次，可以將這兩個論點兜在一起。」他說。

過沒多久，戴森的論文發表了，名為〈朝永、許溫格和費曼的輻射理論〉[10]。原來，許溫格所用的複雜數學方法，和費曼所發明的費曼圖方法，存在一一對應的關係──兩者描述的是同一件事，只不過一方著重全面、精確的數學語言，另一方則給予我們更直觀的物理圖像；而戴森的論文，清楚闡述了二者之間的連結。朝永、許溫格和費曼，將量子電動力學帶入嶄新的階段，也因其貢獻，共同獲得 1965 年的諾貝爾物理學獎，戴森則對三人的獲獎扮演了關鍵角色。

在量子電動力學發展的關鍵時刻，戴森剛好站上一個特別的位置：既能和費曼長時間相處、討論其物理觀點，也有機會密集向許溫格求教，再加上戴森於劍橋養成的數學能力──這些因素的總和，讓戴森成為量子電動力學的獨特橋梁，連結起不同架構與敘事觀點，成就了量子電動力學的完備。

朝永、許溫格和費曼三人分攤1965年諾貝爾物理學獎（圖片來源）

沒有博士學位的大學教授

1951 年，儘管戴森只有大學學歷，以及幾年的研究生經驗，仍然被康乃爾大學聘為教授職，成為恩師貝特的同事──這也正好符合戴森一貫的信念：「我很自豪沒有博士學位。我認為博士學位系統很令人厭惡……它強迫一點都不適合做研究的人們，浪費多年的生命，某種程度上假裝自己在從事研究工作。最終，他們得到一張紙，載明他們合格了，但那並不代表任何事情。攻讀博士要花上太多時間，也阻擋了女性成為科學家──我認為這是莫大的悲劇。」

儘管原子彈才剛在六年前轟炸日本的廣島和長崎，造成絕大死傷，戰爭的殘酷卻並沒有停下部分科學家的腳步；當時，威力更強大的氫彈試爆和研發工作正如火如荼進行，貝特也參與其中，不但長時間不在康乃爾大學，也無心進行物理基礎研究。

另一方面，戴森之前還是個菜鳥、到普林斯頓高等研究院進行短期訪問的時候，曾利用專題研討會的時間，多次主講量子電動力學，向當時的院長歐本海默[11]推銷費曼和許溫格的成就，並成功說服了打從心底不接受的歐本海默，讓歐本海默刮目相看──這幫助戴森得到普林斯頓高等研究院的終身職工作。高等研究院的工作自是相當誘人，再考慮到貝特的狀況，戴森最終下定決心，於 1953 年離開康乃爾大學，前往普林斯頓高等研究院任職。這一待，就是六十多年，直到他生命的最後。

普林斯頓高等研究院（圖片來源）

小型核子反應爐的研發

1955 年，聯合國在瑞士日內瓦召開第一屆國際原子能和平用途會議，共有 73 個國家出席；從事核反應爐研究的各國科學家齊聚一堂，交流工作心得，一堆機密文件也都公開展示。會議的進行，標誌了國際合作時代的來臨。一時之間，核能成為造福全人類的尖端科技，發展前景可期。

就在這樣的氛圍下，隔年，應通用動力公司的邀請，戴森和氫彈之父泰勒一起主導了核反應爐的研發；他們專注於安全性，致力打造就連高中生都能操作的小型核反應爐──並且成功了。這部被命名為 TRIGA 的核反應爐是最成功的核反應爐之一，根據設計絕不可能發生爐心熔毀等重大核災事故。至今，TRIGA 反應爐仍作為教育、研究和醫療用途，在世界各地使用中。

儘管曾參與核反應爐的研發，也支持和平使用原子能，戴森對核能發電工業卻有諸多批評。他認為，既有的核能技術並不夠好，隨著石化能源用罄，人類將需要更便宜、更安全的核能反應爐，但是新核反應爐的研究卻越來越少，沒有嘗試就不會有進步。「冒險家、實驗家、發明家一個個被逐出大企業，而讓會計師、經理人獨擅勝場。」、「核能發展出了岔錯。」他說。

在戴森眼中，核能工業之所以陷入窘境，完全不如 1950 年代的蓬勃，一方面是因為「許多舊有的勢力都涉嫌重大，他們共謀讓核能發展變得麻煩而昂貴，遠超過我們先前的預估。」更重要的，則是因為人們不再有耐心去做試驗，也沒有預算去容納這項高風險的投資了──他在車諾比核災之前就做出了上述評論；現在的狀況，比起戴森那時候，是更好，還是更壞呢？

TRIGA 反應爐核心（圖片來源）

殘念的獵戶座計畫，與不容忽視的核子試爆威脅

從 1958 到 59 年，戴森參與民間發起的獵戶座計畫（Project Orion），打算利用原子彈作為太空船的推進動力；他們喊出口號：「1970 土星見！」預計 1970 年就載人上土星的衛星。然而，世界局勢快速轉變，關於核彈試爆存續的討論不絕於耳，戴森出於對獵戶座計畫的熱情，不僅投書表達支持試爆，也嘗試設計新型核彈，希望大幅減少獵戶座計畫產生的放射性落塵，以延長計畫壽命。當時的戴森，一心只想探索浩瀚的宇宙，對於核彈設計抱持純然和平的動機。

只不過，當他的同事發明中子彈之後，自覺負有部分責任的戴森，無法再對核彈的和平用途充滿信心了──戰爭與和平，無法簡單一刀兩斷，不可能有純粹和平使用的核彈。

隨著時間推移，美、蘇兩國的核子試爆越演越烈，在全球累積的輻射塵也到了不能忽視的地步；於「軍備控制與裁軍署」（Arms Control and Disarmament Agency）兼差的戴森十分驚訝地在統計數據上發現，核子試爆總數每年呈指數增加，按照這個趨勢繼續下去，只怕會走上人類的不歸路。頭一次，他打從心底認為：核子試爆，非禁不可！

1963年，身為軍備控制與裁軍署專家的戴森，不但是甘迺迪總統簽訂《部分禁止核試驗條約》（Partial Test Ban Treaty，PTBT）的顧問，也以美國科學家聯合會代表的身份，在參議院聽證會上幫該條約背書護航。最後，《部分禁止核試驗條約》於同年 10 月 10 日生效，由美國、蘇聯、英國共同簽署，明訂禁止在大氣層、太空和水下進行核武器試驗──儘管那並無法阻止冷戰時期美、蘇兩國的軍備競賽，但也是很大的進步。

戴森一度對原子能充滿期待，深信它將帶給人類更光明的未來；但隨著世界局勢的轉變，原子能的發展完全不如想像那般美好，他也不再純然相信原子能的和平使用，甚至給自己曾熱切參與的獵戶座計畫簽下死亡證書。

《部分禁止核試驗條約》簽署後，大氣中的放射性同位素碳14濃度明顯下降。藍色線條為碳14的自然背景平均濃度。（圖片來源）

涉獵眾多領域，對社會的莫大影響力

戴森興趣廣泛、涉獵過眾多不同領域；他就像充滿好奇心的小孩，找尋自己能夠解決的有趣問題，不介意它們重要與否。戴森寫過許多科普書，探討科學、技術、宗教與哲學問題，也提出過許多完全符合科學原理的天外奇想。他想像在小行星或彗星上種植基改樹木（人稱「戴森樹」，Dyson Tree），創造完整的生態系，以作為人類未來的居所。他也將既有科幻小說[12]中的情節發揚光大：發達的智慧文明可以建造環繞於恆星周圍、適居的人造生物圈（artificial biosphere），充分利用恆星的能源。

儘管跟戴森本來的想像略有不同，之後的科幻小說家開始幻想，將整個恆星完整包覆、吸取所有能源的巨型結構──稱為「戴森球」（Dyson Sphere）。雖然戴森本人並不喜歡這個名字，但戴森球已廣泛出現在許多科幻作品中，包括知名影集《銀河飛龍》（Star Trek: The Next Generation）。

《銀河飛龍》影集裡，企業號繞行戴森球的畫面（圖片來源）

作為受人敬重的科學家，和對流行文化有莫大影響的意見領袖，戴森在氣候變遷議題卻是出了名的懷疑論者。他認為現有氣候模型過於簡略、無法描述真實世界；全球暖化帶來的效應也不見得全然負面，其嚴重性被政治性地過分誇大──但這並不表示他忽視氣候科學家提出的證據。對戴森來說，跳脫既有框架、保持懷疑的態度是重要的，只要現有證據無法百分之百說服他，他會毫不猶豫地站出來挑戰（儘管戴森的說法後來也遭到其他科學家的反駁）。

知名諾貝爾物理學獎得主溫伯格[13]這麼形容戴森：「當共識如同湖面結冰那般逐漸成形，戴森就會盡力去敲碎那冰塊。」不管是在科學、還是社會議題上，戴森向來強調多元的重要性──這使他往往刻意站在大眾的對立面。

率直的思想家

戴森一生絕大部分時間都在普林斯頓高等研究院度過；即使退休，他仍擁有自己的辦公室，並常漫步於院區──直到生命結尾。

戴森不追求發表自己的獨創性科學理論，滿足於和其他人共同工作、討論他們的構想。他穩重、內斂、聰明，並且謙遜，因此得到許多同僚的敬重。他對科學的可能性懷抱著無比信心，積極思考人類的長遠未來；他深知戰爭的殘酷，核武帶來的議題遠比製造核武的科學來得更複雜，核武的研究也不可能和戰爭撇清關係。

戴森去世當天，於普林斯頓高等研究院發布的新聞稿裡，院長戴克赫拉夫（Robbert Dijkgraaf）這麼形容戴森：

近代粒子物理的建築師、無拘無束的數學家、太空旅行、天體生物學和裁減軍備的倡導者、未來學家、永遠的研究生、（包括他自己的）先入為主觀點的反對者、富有思想的評論家、全時對世間事保持睿智的觀察者。他的秘密就是直率地接受生命中的所有事，直到最後一刻。

他豐富的生命經驗、廣泛的涉獵領域、不隨波逐流的堅持，都讓他成為世人眼中的戴森──自由又隨性的異類科學家。

2007年戴森在他普林斯頓的辦公室（圖片來源）

註釋

• [1] 理察‧菲利普斯‧費曼（Richard Philips Feynman，1918 年 5 月 11 日－1988 年 2 月 15 日），美國理論物理學家，因對量子電動力學的貢獻，於 1965 年獲得諾貝爾物理學獎。
• [2] 愛德華‧泰勒（Edward Teller，1908 年 1 月 15 日－2003 年 9 月 9 日），匈牙利猶太裔美國理論物理學家，以研發氫彈聞名。
• [3] 由芝加哥大學的《原子科學家公報》雜誌於 1947 年設立，每年一月進行評估，標示出世界距離毀滅有多近；午夜零時象徵世界末日來臨。
• [4] 戈弗雷‧哈羅德‧哈代（Godfrey Harold Hardy，1877 年 2 月 7 日－1947 年 12 月 1 日），英國數學家，二十世紀英國分析學派的代表人物。
• [5] 約翰‧恩瑟‧李特伍德（John Edensor Littlewood，1885 年 6 月 9 日－1977 年 9 月 6 日），英國數學家，長期和哈代合作。
• [6] 漢斯‧阿爾布雷希特‧貝特（Hans Albrecht Bethe，1906 年 7 月 2 日－2005 年 3 月 6 日），德國和美國猶太裔核物理學家，1967年諾貝爾物理學獎得主。
• [7] 朱利安‧西摩‧許溫格（Julian Seymour Schwinger，1918 年 2 月 18 日－1994 年 7 月 16 日），猶太裔美國理論物理學家，因對量子電動力學的貢獻，於 1965 年獲得諾貝爾物理學獎。
• [8] 現在的筑波大學。
• [9] 朝永振一郎（Shinichiro Tomonaga，亦做Sin-Itiro Tomonaga，1906 年 3 月 31 日－1979 年 7 月 8 日），日本物理學家，因對量子電動力學的貢獻，於1965年獲得諾貝爾物理學獎。
• [10] 原名``The Radiation Theories of Tomonaga, Schwinger, and Feynman”，發表於《物理評論》（Physical Review）。
• [11] 朱利葉斯‧羅伯特‧歐本海默（Julius Robert Oppenheimer，1904 年 4 月 22 日－1967 年 2 月 18 日），美國理論物理學家，人稱「原子彈之父」。
• [12] 出自史泰普頓（Olaf Stapledon）於 1937 年出版的《造星者》（Star Maker）。
• [13] 史蒂芬‧溫伯格（Steven Weinberg，1933 年 5 月 3 日－），美國物理學家，1979 年諾貝爾物理學獎得主。

參考資料

1. The Economist (2020/03/14), ``Freeman Dyson died on February 28th", The Economist.
2. Andrea Stone (2020/02/28), ``Freeman Dyson, legendary theoretical physicist, dies at 96”, National Geographic.
3. Freeman J. Dyson, "The radiation theories of Tomonaga, Schwinger, and Feynman", Physical Review. 75 (3): 486 (1949).
4. +plus magazine (2013/07/22), ``Operas, revolutions and nature's tricks: a conversation with Freeman Dyson”.
5. Dwight E Neuenschwander (2016), ``Dear Professor Dyson: Twenty Years Of Correspondence Between Freeman Dyson And Undergraduate Students On Science, Technology, Society And Life”, Wspc.
6. 高崇文（2018/02/11），〈孤高的物理學家：許文格（二）邁向巔峰〉，物理雙月刊。
7. Steve Connor (2011/02/25), ``Letters to a heretic: An email conversation with climate change sceptic Professor Freeman Dyson”, Independent.
8. Thomas Lin (2014/03/26), ``A ‘Rebel’ Without a Ph.D.”, Quanta magazine.
9. Robbert Dijkgraaf (2020/04/13), ``Remembering the Unstoppable Freeman Dyson”, Quanta Magazine.
10. 戴森（2016），《宇宙波瀾：科技與人類前途的自省》，邱顯正譯，天下文化。