现代数学物理学的创建者之一、美国数学物理学家阿瑟·S·怀特曼(Arthur S. Wightman)于2013年1月13日因阿尔茨海默氏病在美国新泽西州中部埃迪逊社区的老兵纪念中心去世,享年90岁。

阿瑟·怀特曼

  怀特曼的科学研究在量子场论的框架下对澄清相对论与量子论之间的兼容性问题产生了巨大的影响。但他的形象和影响却是与一大批学生、科研合作者和朋友们联系在一起的,他们的职业生涯开创了数学和理论物理学方面的诸多新领域。他的去世使现代数学物理学失去了一位开山鼻祖。

情系普林斯顿

  怀特曼于1922年3月30日出生在美国纽约州的罗切斯特。他于1942年从耶鲁大学毕业,获得物理学学士学位。在美国海军服完兵役后,他开始在普林斯顿大学攻读物理学研究生学位,打算跟匈牙利裔美国理论物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)做研究,但由于维格纳当时把大部分时间都花在橡树岭,怀特曼是在理论物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)的指导下完成了“氢负π介子的减速和吸收”博士论文,并于1949年从普林斯顿大学获得物理学博士学位。之后,怀特曼几乎将他的全部学术生涯都献给了普林斯顿大学,最终成为托马斯·D·琼斯(Thomas D.Jones)数理物理学讲座教授。
  怀特曼是一位有真才实学、学识渊博的绅士,即使在截然不同的地方――譬如法国、日本和澳大利亚――也都能做到应对自如。例如,在1951-52和1956-57学年,他访问了丹麦首都哥本哈根。在那儿,他积极地与附近瑞典隆德大学的科学家们交流,尤其是与瑞典理论物理学家贡纳尔·凯伦(Gunnar Kallén)教授交流物理学,与瑞典数学家、瑞典皇家科学院院士拉斯·戈丁(Lars Garding)交流数学。他与拉斯·戈丁一道构建了量子场论公理的数学基础,因此该公理以他们的名字命名为戈丁-怀特曼公理。
  怀特曼怀有强烈的求知欲和广泛的兴趣。他通过与别人的互动和指导学生以及博士后研究生,不仅对公理化场论和结构场论,而且对统计力学、经典力学、动力系统、运输理论、非相对论量子力学、散射理论、特征值扰动、微扰重整化理论、代数量子场论、C*-代数的表述、冯·诺伊曼(John von Neumann)代数的分类和高自旋方程等领域数学方法的发展都产生了深远的影响。
  怀特曼因他的真诚和对最高科学标准的执着而闻名,他具有愿意与任何同道交流的品性。他在普林斯顿大学的讲座因精心设计和包括不断尝试把最新研究方向融入课程的内容而成为传奇。除此以外,怀特曼还不知疲倦地鼓励普林斯顿大学接受最有才华的本科生,改善并维护普林斯顿著名的数学和物理学宝库,在系里创建起一个激励出色工作的研究氛围。
  怀特曼还帮助塑造了远远超出普林斯顿想象的未来。他在意大利瓦伦纳、法国莱苏什、法国卡尔热斯等地暑假学校的讲座巩固并开辟了数学物理学领域的新方向。在1963-64学年,阿瑟加入汉斯·博尔歇斯(Hans Borchers)、哈利·莱曼(Harry Lehmann)、亨利·爱泼斯坦(Henri Epstein)和弗拉基米尔·茹尔科·格拉泽(Jurko Glaser)以帮助法国高等科学研究所创始人莱昂·莫查纳(Léon Motchane)和路易·米歇尔(Louis Michel)建立一个数学物理学项目。1973年,乔齐奥·维络(Giorgio Velo)和怀特曼在意大利特拉帕尼的埃里切开始了他们自己的一系列富有成效的暑期学校活动。
  当怀特曼于1950年代初期开始工作的时候,物理学家们正努力尝试研究量子场论,但对该理论到底是什么样的一种理论尚缺乏清晰的认识。怀特曼的主要成就在于他为量子场论提供了一个清晰的、明确的数学定义。这个定义使得人们能够证明某些一般属性,譬如自旋和统计之间的联系。在1960年代,怀特曼和他的学生启动了结构场论项目,目标在于研究结构的具体实例。怀特曼和他的学校所做的研究对整整一代数学物理学产生了无与伦比的影响。
  怀特曼是1950年代和1960年代现代数学物理学形成和确立过程中一位举足轻重的人物,普林斯顿大学特地因他的去世降半旗三天以示志哀。

数学物理学的一生

  清晰是怀特曼一生的主线。戈丁-怀特曼公理把量子力学原理和狭义相对论相结合,把量子场论定义为满足某些自然属性的希尔伯特空间里的一组算子场集。怀特曼的重建定理后来把结构与场积的真空期待值属性相连接。除了怀特曼自己以外,人们很快就把它称为怀特曼函数。
  自旋与统计之间的联系――整数自旋的粒子都是玻色子,半整数自旋的粒子都是费米子这一事实――被奥地利裔美国物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)认为是缺少合理解释的量子系统的主要物理属性。然而,在戈丁-怀特曼框架内,PCT(宇称、电荷共轭、时间反转)对称以及自旋和统计之间的关系直接成为了定理,在经典论述雷蒙德·斯特瑞特(Raymond Streater)所著的《PCT、自旋、统计及其他》一书中有专业的详尽的论述。
  怀特曼是结构场论项目的灵魂人物,他的目标是建立满足其公理的不同理论互相交融的明确例子。巴格曼-霍尔-怀特曼定理表明怀特曼函数如何能够继续分析为不一致的欧几里点集;反之,奥斯特瓦尔德-施拉德公理和重构定理允许从它们的欧几里得反点集――即施温格(Julian Schwinger)函数――建立怀特曼函数。欧几里得泛函积分的使用对结构场论的发展作出了巨大的贡献,这在1970年代和1980年代产生了在小于4个时空维度中可重整和超可重整模型的严密结构,并且实现了许多超越该项目原定目标的种种应用。
  怀特曼从来未怀疑量子场论也存在于四个维度,且与物理学相关。这样一个根深蒂固的信念在他于1969年9月号的《今日物理学》杂志上发表的《公理化场论的意义何在?》一文中得到了最好的表达。在一段时间里,当研究人员通过双重模型、靴袢理论、S矩阵理论等方法来极尽全力描述千变万变的强子物理学景观的时候,这篇文章颇有远见地捍卫量子场论,并有严格的公理化方法。
  四年后,量子色动力学――强相互作用的现代理论――的发现证实了怀特曼的观点。今天,在我们追求空间、时间和引力的量子化理论中,痛苦而清晰地看到,我们是多么需要一个新的怀特曼用清晰的数学术语来定义游戏规则。
  怀特曼在普林斯顿大学贾德温物理楼的办公室给人留下深刻印象,数以百计的书籍和一摞摞出色的手写笔记一直从地板堆积到天花板,他告诉他的学生:“这个学期我将选择讲授数学物理学当中最核心、最困难的未解问题之一……”然后他故意停顿了一下,接着笑眯眯地说完了整句话:“……晶体的形成!”
  怀特曼的荣誉包括1969年获得美国物理学会颁发的海涅曼数学物理学奖――由海涅曼基金会于1959年设立,该奖项由美国物理学会和美国物理研究所联合评选,用于奖励数学物理学领域杰出出版物的作者;1970年被推选为美国国家科学院院士;1976年获得由美国数学学会授予的吉布斯讲师职位――该职位以美国数学物理学家约西亚·威拉德·吉布斯(Josiah Willard Gibbs)的名字命名;1997年获得由国际数学物理学协会颁发的庞加莱奖――该奖项以法国伟大的数学家、理论科学家和科学哲学家朱尔斯·亨利·庞加莱(Jules Henri Poincaré)的名字命名,用于奖励在数学物理学领域有突出贡献的人,相当于数学领域的诺贝尔奖。

资料来源Physics Today

责任编辑 彦隐