今日驚聞高能物理理論的巨人蓋爾曼默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)于當地時間5月24日辭世，享年89歲。

蓋爾曼是一位粒子物理學界的奇才，作出了許多奠基性的工作。自20世紀50年代以來，蓋爾曼在粒子物理學中一直扮演著最重要的角色。特別是他于1964年提出的夸克模型，開辟了人們對物質結構認識的新篇章，被譽為“夸克之父”，1969年獲得諾貝爾物理學獎。

此外，蓋爾曼還是一個鳥類學家和語言天才。他和語言學家John Hawkins 合著有The evolution of human languages《人類語言的演化》。

Murray Gell-Mann，1929-2019

蓋爾曼其人

蓋爾曼于1929年9月15日出生于美國紐約城。蓋爾曼的父母是第一次世界大戰之后從奧地利移居到美國的。他的父親阿琵·蓋爾曼是一位語言教師，并且通曉數學、天文學和考古學。受他父親的影響，蓋爾曼終生愛好語言學和數學。蓋爾曼的母親叫波琳·瑞徹斯坦。蓋爾曼弟兄兩人，他的哥哥本尼迪克·蓋爾曼曾是一家報刊的攝影記者。正是在他哥哥的影響下，蓋爾曼對鳥類及自然歷史發生了極大的興趣。

蓋爾曼從小就顯示出很高的天賦，常被人們稱為奇才。他8歲那年就獲得了一筆獎學金，從一家地方公立學校升人紐約的一所高級學校。雖然蓋爾曼的各門功課的考試成績非常優異，但那時他并不喜歡學校的生活。他認為，學校“太單調乏味”，甚至“物理也是相當令人厭煩的”他時常放學后在家里學習他感興趣的語言學和歷史等少數幾門學科。不過，學校里的橄欖球這項體育運動蓋爾曼還是十分喜歡的。

蓋爾曼剛滿15歲時就考入了耶魯大學。有趣的是入學那天剛好是他的15歲生日。對于新的大學生活，蓋爾曼開始感到非常困惑。因為他對自己的能力表示懷疑，正如蓋爾曼回憶所說，“由于比其他同學年齡都小，因而容易受到傷害，尤其是在我個性發展還不成熟時。”另外，他當時對自己選擇什么專業并不確定。他父親傾向于讓他學習工程專業，但他不能接受。由于當時沒有其它選擇，他只好在入學表格上填寫上了與之相近的物理專業。因此，蓋爾曼認為，他能成為一位物理學家純屬偶然。

1948年他獲得了物理學士學位，并獲得了麻省理工學院的研究生獎金而成為那里的研究生。至此，他從未感到過學習的困難。由于天資聰慧，他輕而易舉地取得了高學分。在麻省理工學院，蓋爾曼從師于著名物理學家V·韋斯柯夫。韋斯柯夫是一位耐心隨和的導師，他通過向蓋爾曼顯示物理學家是如何工作的來激勵他。在這里，蓋爾曼時常參加一些學術討論會，這使他開始了解到物理學家的工作，并在他心中產生了對科學進行挑戰的欲望。

他的博士論文大部分是研究十分困難的中間耦合理論。他的這一工作后來證實是非常有價值的，對1963年諾貝爾獎金獲得者E·P·維格納的研究工作有極大的影響。蓋爾曼于1951年元月獲得了博士學位。由于他在研究生期間的出色工作，蓋爾曼被資助到普林斯頓高級研究院工作一年(1951年)。同年的夏季，他在依利諾斯大學進行了一段教學和研究。翌年，蓋爾曼成為芝加哥大學核研究所(后來改名為費米研究所)的講師。在這個研究所里工作，蓋爾曼深為以費米為中心所形成的學術氣氛而激勵。1953年，蓋爾曼升為助理教授，并在此年提出了著名的奇異量子數概念。這使年僅24歲的蓋爾曼很快就成為粒子物理學界的重要人物。

1954年蓋爾曼成為副教授，該年秋季，蓋爾曼到哥倫比亞大學講學。于1955年初他離開芝加哥，又一次來到了普林斯頓高級研究院工作。同年4月19日，他與當時在那里工作的英國姑娘(一位考古學家的助手)J·M·道(Dow)結為夫妻。他們生有一個女兒利莎和一個兒子尼古拉斯。J·M道于1981年12月去世。1955年9月，蓋爾曼接受了加州理工學院物理學副教授的位置，并于次年成為教授。1967年，他成為了這里的R·A·密立根理論物理學教授。

由于蓋爾曼的杰出的科學成就，他曾先后得到了多種獎勵和榮譽。除了獲得1969年諾貝爾物理學獎外，他于1959年獲得了美國物理學會的丹尼·海涅曼獎：1966年獲美國原子能委員會頒發的E·O·勞倫斯物理學獎;1967年獲費城富蘭克林學院的富蘭克林獎章;1968年獲美國科學院的J·J·卡蒂獎章。他曾在尼克松總統科學顧問委員會工作過，他還是倫敦皇家學會的外籍成員以及法國物理學會的榮譽成員，他還被許多大學授予榮譽科學博士。

蓋爾曼對待科學工作有許多獨特的風格，他喜歡通過報告、論文會和交談與其他物理學家交流思想。他不怎么閱讀文獻，相對于他的重要影響，他發表的工作并不多。他不輕易發表文章的原因是他有一個與眾不同的觀念，就是他認為發表一個錯誤的觀點對一個人的科學生涯將留下洗不掉的污點。他認為，一個理論學家的洞察力將由他所發表的正確觀點數目減去錯誤的數目，甚至減去兩倍的錯誤數目來衡量。即使按照這種崇高的標準，蓋爾曼的成績也是非常優異的。

蓋爾曼的另一個特點是，連他本人也不十分清楚，他好像總是喜歡將他的觀點推遲一段時間(一年或一年半左右)發表出來，甚至永不發表。如他的一些重要工作只是作為預印報告成為原始文獻。蓋爾曼認為，這可能是由于他想讓事情考慮得更成熟一些。他還善于根據他所熟悉的實驗事實和理論基礎，提出深刻的物理直覺。他注重他人的觀點，反對教條;他時常另辟新的途徑來思考問題。正像他對待生活那樣，他對待科學也極富挑戰性和冒險性。他不拘于科學的傳統，時常提出一些新奇的科學概念和理論，如分數電荷夸克，因而常有人認為蓋爾曼有些“離經叛道”。他獨特的文學風格還時常在他的科學方案的命名中反映出來，如“八重法”、“夸克”和“顏色”等術語。

蓋爾曼的興趣愛好十分廣泛。他喜歡滑雪、登山旅行，他喜歡研究野生動物和鳥類。他是一個癡迷的鳥類觀察者，他曾漫游了大半個世界去尋找新奇的鳥類，并用他的望遠鏡觀察到了數百種鳥。他還喜好音樂和娛樂。對待生活，他喜愛尋求挑戰和冒險，反對單調乏味，他喜歡參加各項活動。此外，他還對美國的教育、科學和宗教、科學與藝術、日益增長的人口問題以及日益惡化的自然環境等方面發表過自己獨到的見解。

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早期重要研究

蓋爾曼的主要科學貢獻之一是關于奇異量子數的研究。20世紀40年代末到50年代初，人們首先是從宇宙線實驗，隨后是在加速器實驗中，發現了一批行為“奇特”的粒子(奇異粒子)。這些粒子的奇特之處在于它們通過強作用產生，卻通過弱作用衰變，這按當時的理滄是無法解釋的。如何解釋奇異粒子的這種大的產生截面和長的衰變壽命這一矛盾現象呢?1952年，A·佩斯提出了協同產生的假設。他認為奇異粒子只能成對地通過強相互作用產生或消失。但這一假設看起來更像一條經驗法則，而不是一個“解釋”。

1952年初，剛到芝加哥大學的蓋爾曼也開始研究奇異粒子問題。由于他對同位旋一直很感興趣，所以他開始考慮是否同位旋可以用來解釋奇異粒子行為，并試圖用同位旋 I =5/2去描述奇異粒子。大約在該年5月，他在普林斯頓高級研究院做了一次報告。在報告中，他想說明同位旋為5/2假設時，卻錯誤地說成1，這使蓋爾曼開始思考他的這一口誤，并很快產生了奇異數的想法。同年8月，他發表了有關奇異數的重要論文“同位旋和新的不穩定粒子”。

后來，在1954年7月的格拉斯哥會議上，他與A·佩斯聯名提交了有關奇異數方面的論文，并從實驗中總結出在弱相互作用中Δ/= 1/2的選擇定則。蓋爾曼又于1956年發表了題為“作為位移荷多重態的新粒子的解釋”的論文，進一步詳細地論述了他的奇異量子數概念，并提出了蓋爾曼-西島法則(日本物理學家K·西島和彥于1955年獨立地提出了奇異量子數方案。當時西島和彥稱奇異數為η 荷)。關于“奇異”一詞，蓋爾曼最初采用了“好奇”(Curious)，后來改用“奇異’(Strange)。這一詞來自F·培根的詞句“在比例中不具有某種奇異性是不會成為至美的”。

奇異數方案的基本思想是：當時有些強子可劃分為同位旋的多重態，如質子和中子可作為同位旋的二重態。人們曾嘗試將具有奇異數的粒子進行類似的劃分，但都沒成功。蓋爾曼研究發現，奇異粒子多重態的荷電中心與核子二重態的荷電中心+1/2是有偏離的。他想，這一位移可能表示奇異粒子的一個基本量，因而他假定一個粒子的奇異數等于該粒子多重態的荷電中心與+1/2之差的2倍。規定非奇異粒子(質子、中子)的奇異數S為0，而奇異粒子的奇異數S不等于0，如Λ，K0，K-的S為-1，K+，K0為+1。他還指出，在強作用中，奇異數是守恒的，這解釋了為什么奇異粒子的衰變不能由強作用引起以及在非奇異粒子的碰撞中奇異粒子為什么會成對產生。他還證明，電磁作用中奇異數也是守恒的，而在弱作用中奇異數不守恒。

奇異數方案的提出，不僅解釋了奇異粒子的行為，而且還預言了一些新的奇異粒子，這些粒子后來陸續為實驗所證實。它不僅建立了基本粒子與相互作用之間的一個邏輯、簡明的關系，而且為后來強子分類的研究工作奠定了基礎。奇異數守恒已成為粒子物理學中的一個基本原則。

50年代初，蓋爾曼在研究奇異量子數的同時，還從事了許多其它重要課題的研究。1953年，他與M·戈德伯格合作，試圖從定域場論中推導出盡可能多的一般結果。1954年，為了能夠從強作用理論中得到一些準確的結論，以便于實驗檢驗，他們提出了色散關系，這是50年代研究強相互作用的重要嘗試之一。色散關系從1955年至1959年也一直是蓋爾曼的一個研究課題，同時他對S-矩陣理論的發展起到了重要作用。1953年夏，他與好友F·洛還研究了后來稱為重正化群的理論。這一工作已成為有關理論的標準文獻。他們的工作經過進一步的發展，對70年代發展起來的量子色動力學等規范理論起著重要的作用。

1956年，李政道和楊振寧關于弱作用宇稱不守恒的提出，導致了粒子物理學家對弱作用本質的研究。從1957年春天到夏天，蓋爾曼同A·羅森費爾德開始研究弱作用，蓋爾曼得出了普適的費米作用具有V-A形式的假設。隨后，他與R·P·費曼于1958年發表了“費米相互作用理論”的論文。這一理論給出了弱作用的普適形式(與此同時，G·蘇達香和R·馬夏克也提出了類似的想法)。這是經過20多年曲折發展以后達到的關于弱作用的正確的唯象理論。該文還提出了弱作用由中間矢量玻色子傳遞的思想，為弱電統一理論的發展開辟了道路。同時，論文中他們首先將流的概念應用到弱作用，并發展成流代數。蓋爾曼所提出和發展的流代數是60年代強作用唯象理論研究的主流之一。人們曾利用流代數得出矢量守恒(CVC)、軸矢流部分守恒(PCAC)、阿德勒-韋斯伯格求和規則和其他一些低能定理。同時它對蓋爾曼研究八重法和夸克模型都起到了重要作用。

1959年至1960年期問，蓋爾曼應邀來到法國，在法蘭西學院及巴黎的其他研究機構作為期一年的訪問研究。在那里，他同M·利維合作繼續研究他與費曼已開始的關于戈德伯格-特里曼(Goldberger-Treiman)關系式的推導，這導致了軸矢流的散度與π場成正比的想法。于是他同M·利維等人得出部分軸矢流守恒定理(中國物理學家周光召也在同年(1960)獨立地發表了這一理論)。

1960年3月，美國的S·L·格拉肖也來到法國進行學術報告。在這里，他與蓋爾曼對弱電統一規范理論進行了討論，而且蓋爾曼還鼓勵格拉肖發表了他的關于弱電統一理論的論文(1961年)。這篇重要的論文使格拉肖與溫伯格、薩拉姆共同分享了1979年度諾貝爾物理學獎。蓋爾曼之所以對格拉肖的工作感興趣，原因是自1958年提出V-A理論后，他也在思考用楊-米爾斯規范理論來統一描述弱作用和電磁作用的問題。1960年秋季，格拉肖應蓋爾曼之邀，來到加州理工學院做一年的訪問研究。這期間，蓋爾曼同格拉肖一起進一步研究了如何將楊-米爾斯理論應用到弱電作用和強作用中。正是此時，蓋爾曼了解到了李代數，這促使他提出了著名的八重法理論。

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八重法理論

蓋爾曼的另一杰出工作是八重法理論。到60年代初，人們已在實驗中發現大量的強子，對這些粒子進行有秩序，有規律的描述乃是粒子物理學家所追求的目標之一。早在1949年，費米和楊振寧曾提出π介子是由核子-反核子組成的假說，認為核子是更基本的粒子，以解釋其他一些粒子的組成。但該理論不能解釋奇異粒子的組成。1956年，日本物理學家坂田昌一進一步提出了下一層次的基本粒子為p，n，Λ(Λ的奇異數為-1)。坂田模型可以很好地解釋各種介子的組成，但在解釋重子組成時遇到了困難，如不能排除自然界中不存在的pnΛ粒子(S=-1)。

1959年，日本的小川修三在坂田模型的基礎上提出了SU(3)對稱性理論。50年代末，蓋爾曼開始試圖對日益增多的強子進行分類。1958年至1959年，他曾按坂田模型的方案對強子進行了研究，但他對這一方案并不喜歡。1959年早期，他決定用楊-米爾斯理論來描述強相互作用，隨后他研究了楊-米爾斯理論的可能推廣。由于他當時對群論并不熟悉，致使他沒有取得重大進展。

1960年12月的一次偶然的機會，他從本院的數學助理教授R·布洛克那里了解到了李群，并且馬上意識到他所研究的八個生成元相應于SU(3)群。這使他很快提出了“八重法理論”。我們知道，SU(3)群的基礎表示為3維，坂田曾用這個表示來代表三個粒子(p，n，Λ)。蓋爾曼通過研究并不相信這三個粒子是基本的，但他也不能確定這個基礎表示應當是什么。這使蓋爾曼有些失望，但他又不愿放棄SU(3)對稱性。別無選擇，他只有簡單地跳過這個基礎表示，而轉向下一個表示，即8維表示。他發現自旋為1/2，宇稱為正的8個重子正好適合他的八重法方案。然而，當他考慮下一個表示，即10維表示時，由于當時只有4種相應的自旋和宇稱的重子適合于十重態，因此蓋爾曼認為考慮十重態是很危險的。這樣他暫時不過多地討論十重態，而是堅持八重態。

1961年新年伊始，蓋爾曼按照他的八重態理論，對大量粒子進行了分類。由于每八個粒子能填人SU(3)群的8維表示中，因而他命名他的方案為“八重法”，這是依據佛教關于八種正確的生活方式能免遭痛苦的勸說而命名的。據此曾有人將八重法與東方神秘主義相聯系，這是蓋爾曼所不愿意的，因為他并不相信神秘主義，只是借用一下術語而已。同年，蓋爾曼將他的八重法方案寫成報告：“八重法：一個強作用對稱性的理論”，并于1962年正式發表了“重子和介子的對稱性”這篇重要論文，進一步討論了八重法方案(與此同時，以色列的Y·尼曼也獨立地提出了八重法理論)。

八重法理論正如元素周期表一樣，將大量已知的粒子進行了有規則的劃分，并且根據某一族八重態中尚且空余的位置來預言新的粒子的存在及其性質。為了使人們發現這些粒子，蓋爾曼曾建議建造較高能量的加速器。蓋爾曼在提出SU(3)八重法分類的同時，還根據對稱性破缺的思想，提出了一個質量公式。如果SU(3)對稱性是精確的，那么一個超多重態中粒子應具有相同的質量，然而事實并非如此。按照“質量公式”，超多重態中的粒子質量并不是無規則的，而是服從一個相當簡單的關系式。由于日本的S·大久保也于1962年獨立地給出這一關系式，故人們常稱其為蓋爾曼-大久保質量公式。

使八重法理論取得重大勝利的事件是Ω-粒子的發現。1962年元月，在歐洲核子研究中心召開的一次會議上，一些實驗工作者報告了他們的實驗數據。這些數據與坂田模型是矛盾的，而與八重法方案是吻合的。同時，一些實驗工作者還公布了他們新近發現的兩類新粒子，即Σ*和Ξ*粒子。蓋爾曼也參加了這次會議，他立刻意識到這兩種粒子正適合于SU(3)十重態表示，并且果斷地預言了該十重態的最后一個粒子Ω-。同時，他還促成了布魯克海汶國家實驗室進行尋找Ω-粒子的實驗。果然，1964年2月，這個實驗室的N·P·薩莫斯等人宣布了他們已證實了Ω-粒子的存在。不像其他大多數偶然發現的粒子，Ω-粒子的發現具有十分重要的意義，它不僅有力地支持了SU(3)八重法方案，而且顯示了粒子物理理論預言的重要性同年，蓋爾曼與Y·尼曼共同編輯了《八重法》。

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夸克模型

1964年是使蓋爾曼在粒子物理學中的地位愈加突出的一年。這一年，W-粒子的發現證實了八重法的理論預言;也是在這一年，蓋爾曼進一步提出了夸克模型，由此開辟了人們對物質結構認識的新篇章。1961年，當蓋爾曼提出他的八重法理論時，他并不滿足，原因是這個理論不能回答大多數物理學家所關心的問題：難道所有的強子均是基本的嗎?

另外，他在提出SU(3)八重法理論時，跳過了基礎表示3，這使他感到很不安。因為它是推導其他表示的基礎表示，它應當有物理意義。對基礎表示最邏輯的解釋是它應當相應于一種基本粒子的三重態，而其他粒子均可由它構造出來。但蓋爾曼當時找不到已知的粒子來填補它。這個問題一直伴隨著蓋爾曼。

1963年早期，他來到麻省理工學院講學。在準備他的報告時，他試圖尋找最小的基本強子以填充基礎表示。他發現，如果堅持整數電荷的觀念，那么最小的一組粒子應為4個。他討論了各種四個基本粒子的方案，但均不能令人滿意。1963年3月，他到哥倫比亞大學訪問。在午餐期問，他同哥倫比亞大學的R·塞伯等人討論了有關八重法理論。進而塞伯問蓋爾曼為什么沒有考慮最重要的基礎表示3?這激發蓋爾曼再次思考夸克的思想。蓋爾曼當時向塞伯解釋了沒有考慮3的原因是它需要分數電荷 2/3和 -1/3。

蓋爾曼經過當天以及第二天的思考，意識到如果靴帶方法是正確的話，那么任何基本的強子都將是不可觀察的;如果這些粒子是不可觀察的，那么它們就可能具有分數電荷。這使蓋爾曼開始嚴肅對待分數電荷的思想他認為，分數電荷是可能存在的。為了避免實驗上沒有觀察到分數電荷的問題，蓋爾曼假定它們限制在粒子內部。這樣，他就提出了夸克模型，并于1964年2月在歐洲《物理快報》上發表了關于夸克模型的論文“重子和介子的一個簡略模型”。

該文雖然只有兩頁長和很少的公式，但卻是現代物理學的一個重要里程碑。它非常簡潔地闡述了夸克模型。蓋爾曼在文中開頭寫道：“如果我們假設破缺的八重法理論能正確描述重子和介子的強作用，那么我們試圖尋找這種情況的基本解釋。”他進而指出，“如果我們允許電荷為非整數值，那么可以構造一個簡單而優美的方案”。他指出SU(3)基本表示的三重態應為三種夸克：上夸克u(up)、下夸克d(down)和奇異夸克s(strange)，且電荷分別為2/3，-1/3，-1/3。并指出，重子由三個夸克組成，介子由一個夸克和一個反夸克組成。

夸克模型解釋了八重法理論為什么成功地對粒子進行了分類，給出了SU(3)對稱性的物理基礎，同時使奇異數和同位旋有了更深刻的意義，如一個粒子的奇異數就是包含在它內部的奇異夸克s的數目。

關于“夸克”一詞，蓋爾曼取自J·喬埃斯的小說《芬尼根徹夜祭》的詞句“為馬克檢閱者王，三聲夸克”。夸克在該書中具有多種含義，其中之一是一種海鳥的叫聲。蓋爾曼認為，這適合他最初想給這些奇怪的分數荷亞單位一個奇特的發音的想法。同時，他也指出，這只是一個笑話，這是對矯飾的科學語言的反抗。

蓋爾曼在文中最后還指出，尋找穩定的電荷為-1/3和2/3的夸克，將使我們進一步確信真實夸克是不存在的。這使許多人認為蓋爾曼并不相信夸克是真實的。對這點蓋爾曼后來解釋到，“我這里的意思是說，它們(分數荷夸克)將永久地禁閉在強子內部”。同時，他并不關心本體論問題。他所說的真實粒子是指實驗上能觀察到的粒子。

對夸克模型，人們最初的反映是冷淡的。當蓋爾曼在電話中告訴在大洋彼岸的歐洲核子研究中心工作的V·韋斯柯夫關于他的夸克模型時，這位老師的回答是，“這是跨越大西洋的電話，是花費錢財的，我們不要討論這種無聊的事情”。部分物理學家甚至到70年代初仍對夸克的存在表示懷疑，原因是自夸克模型提出后，物理學家一直沒有發現自由夸克的存在。(與此同時，美國的G·茲韋格也獨立地提出了夸克模型，他稱這些基本的分數荷粒子為“王牌”。另外，值得指出的是，相應于夸克模型，我國物理工作者于1965年至1966年，提出并深入研究了強子結構的“層子模型”。)

自70年代，隨著高能物理實驗的進行，特別是J/ψ 粒子的發現(1974年)以及弱電統一規范理論的成功，使人們確信了夸克的存在。現在人們認識到夸克有六味三色，除了u，d，s三味夸克外，還有粲夸克c(charm)、底夸克b(bottom)和頂夸克t(top)(1995年3月美國費米實驗室宣布已從實驗上證實了最后一種夸克——頂夸克的存在。至此，六種夸克的存在已全部被實驗證實)。每種夸克具有三種顏色(紅、黃、綠)的自由度。現今人們已確信夸克和輕子層次是目前人們達到的一個基本物質結構層次，這無疑顯示了蓋爾曼夸克模型的重要地位。

70年代早期，蓋爾曼和H·弗里茲進一步推廣了流代數理論，發展了光錐代數，這是一種理解標度無關性的場論方法。1972年，蓋爾曼和弗里茲還發展了夸克的“顏色”量子數概念。這是繼Y·南部和韓提出夸克具有另外荷思想的重要發展。蓋爾曼對倡導和發展量子色動力學理論也作出了許多必要的工作。量子色動力學(簡稱QCD)的命名就是出自蓋爾曼。

蓋爾曼于1969年“因關于基本粒子的分類及其相互作用方面的貢獻和發現”獲得了諾貝爾物理學獎。瑞典皇家科學院的I·沃勒教授在授獎儀式上，高度評價了蓋爾曼的科學工作，并指出“十幾年來蓋爾曼在粒子物理學中一直扮演著重要的角色”;他所引進的方法是“進一步研究粒子物理學的最強有力的手段之一”。整個國際物理學界對蓋爾曼獲得此項殊榮都表示了熱情的接受。

蓋爾曼做出的杰出的科學成就，使他成為一名當之無愧的粒子物理學的權威人物。有人甚至認為他是愛因斯坦的繼承人之一。他在粒子物理學中的重要地位，從下面一件事可以看出。1966年在伯克利召開的國際高能物理會議上，會議組織者準備請幾位專家分別作各個方面的進展報告。當對請誰來作報告而產生爭議時，有人提出了一個令人鼓舞的建議：讓蓋爾曼一個人將所有的事全包下來。由于蓋爾曼在這一領域的幾乎所有方面都做過工作，在90分鐘的講演中，他權威地對整個領域作了評述。

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