默里·盖尔曼

美国物理学家、“夸克之父”

默里·盖尔曼

默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann,1929年-2019年)[1],美国籍著名的理论物理学家,[0]基本粒子物理学重要奠基人,是“夸克模型”提出者、[8][9]诺贝尔物理学奖获得者。[10]盖尔曼于1929年9月15日出生于美国纽约城,1944年,15岁的盖尔曼被耶鲁大学物理学专业录取,并于19岁取得物理学学士学位。[11]1948年,在物理学教授维克托·韦斯科普夫的邀请下去了麻省理工学院物理研究生院,并于1951年博士毕业。[3][12]后来盖尔曼博士毕业后在普林斯顿大学担任了一年博士后研究员。次年,盖尔曼在伊利诺斯大学担任教授,并在此期间提出了盖尔曼-劳定理和奇异数守恒定律。1954年至1955年期间,他担任哥伦比亚大学教授和芝加哥大学副教授,之后转到加州理工学院,直至1993年退休。[0]1958年,盖尔曼与理查德·菲利普斯·费曼合作,并提出了理论。[13][14]1961年,盖尔曼在奇异数守恒定律的基础上,提出了的对称性,次年,又提出“八重态”方法,并按照这一方法,又建立了九个重子共振态模型,并将得到的三个基本态参数命名为夸克。1964年,盖尔曼正式提出夸克模型,它认为质子之类的粒子并不是基本粒子,而是由更基本的夸克组成,夸克与所有已知的亚原子粒子不同,它们带有分数电荷。[15][9]1972年,盖尔曼与哈拉尔德·弗里奇引入了新的守恒量子数,取名为“颜色荷”,[16]紧接着又同汉里奇·劳意特维勒提出了新术语“量子色动力学”,夸克理论成为量子色动力学的一个组成部分。[17][18]盖尔曼不仅是物理学家,还是一名环境专家,他在1993年从加利福尼亚理工大学退休以后,成为圣菲研究院的创建人之一,并代表麦克阿瑟基金会担任过世界环境与资源委员会主席。[19]2019年5月24日,高能物理界巨人盖尔曼辞世,享年89岁。[20][1][21]

默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann,1929年-2019年)[2],美国籍著名的理论物理学家,[1]基本粒子物理学重要奠基人,是“夸克模型”提出者、[9][10]诺贝尔物理学奖获得者[11]

盖尔曼于1929年9月15日出生于美国纽约城,1944年,15岁的盖尔曼被耶鲁大学物理学专业录取,并于19岁取得物理学学士学位[12]1948年,在物理学教授维克托·韦斯科普夫的邀请下去了麻省理工学院物理研究生院,并于1951年博士毕业。[4][13]后来盖尔曼博士毕业后在普林斯顿大学担任了一年博士后研究员。次年,盖尔曼在伊利诺斯大学担任教授,并在此期间提出了盖尔曼-劳定理和奇异数守恒定律。1954年至1955年期间,他担任哥伦比亚大学教授和芝加哥大学副教授,之后转到加州理工学院,直至1993年退休。[1]1958年,盖尔曼与理查德·菲利普斯·费曼合作,并提出了理论。[14][15]1961年,盖尔曼在奇异数守恒定律的基础上,提出了的对称性,次年,又提出“八重态”方法,并按照这一方法,又建立了九个重子共振态模型,并将得到的三个基本态参数命名为夸克。1964年,盖尔曼正式提出夸克模型,它认为质子之类的粒子并不是基本粒子,而是由更基本的夸克组成,夸克与所有已知的亚原子粒子不同,它们带有分数电荷。[16][10]1972年,盖尔曼与哈拉尔德·弗里奇引入了新的守恒量子数,取名为“颜色荷”,[17]紧接着又同汉里奇·劳意特维勒提出了新术语“量子色动力学”,夸克理论成为量子色动力学的一个组成部分。[18][19]盖尔曼不仅是物理学家,还是一名环境专家,他在1993年从加利福尼亚理工大学退休以后,成为圣菲研究院的创建人之一,并代表麦克阿瑟基金会担任过世界环境与资源委员会主席。[20]2019年5月24日,高能物理界巨人盖尔曼辞世,享年89岁。[21][2][22]

盖尔曼一生获得过很多荣誉,如先后获得丹尼·海涅曼数学物理奖,劳伦斯物理学奖,富兰克林奖章美国国家科学院的卡蒂奖章以及诺贝尔物理学奖。其次盖尔曼也是一个富有有传奇色彩的人,有很多论著,其中在物理学中他的代表专著有《粒子物理学》,奠定现代物理学的一个重要里程碑的论文《重子和介子的一个简略模型》;其次,盖尔曼还是语言学家和环境专家,他与语言学家合著了《人类语言的进化》,并且还担任过世界环境与资源委员会主席。后世为了纪念盖尔曼,将圣塔菲研究所的新主楼以他的名字命名。[2][20][23]

早年经历

默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)1929年9月15日出生于美国纽约城,[1]他的母亲叫泡琳·莱西施坦因(Pauline Reichstein),他的父亲阿瑟·伊斯多勒·盖尔曼(Arthur Isidore Gell-Mann)是奥地利移民,经营一家语言学校,[6]并且通晓数学,天文学考古学,因此对盖尔曼产生了一定影响。[17]

幼年时期,盖尔曼便经历了1929年的美国经济大危机,在经济萧条和新移民锐减的情况之下,他的父亲停止了经营,随后整个家庭只能从格拉梅西公园的富人区搬到布朗克斯动物园附近的穷人区,直至盖尔曼8岁时才搬回繁华的曼哈顿[24]盖尔曼天资聪慧,7岁便自学微积分,因此从小就有“会走的百科全书”的称号。[25]1936年,盖尔曼在哥伦比亚语法预备学校读书,并且在十二年级时决定申请可以提供全额奖学金的耶鲁大学。然而,填申请表格的专业志愿时盖尔曼认为自己被耶鲁大学录取的可能性很低。[4]

教育经历

1944年,15岁的盖尔曼如愿的被耶鲁大学物理学专业录取。[12]1948年,盖尔曼在耶鲁大学取得了物理学学士学位,并计划在秋季进入该校物理研究生院。但是后来耶鲁大学录取盖尔曼的专业并非物理学,常春藤盟校普林斯顿大学申请也未通过,虽然被哈佛大学录取但是不提供奖学金,到最后在物理学教授维克托·韦斯科普夫(Victor Weisskopf)的邀请下去了麻省理工学院物理研究生院,并担任助教。[4]

1951年,22岁的盖尔曼由于阅读课外读物而导致未能按时完成博士论文,后来在维克托·韦斯科普夫教授的指导下完成了博士毕业论文《耦合力度与核相互作用》(Coupling strength and nuclear reactions),并在麻省理工学院取得博士学位。[4][13]

早期职业生活

1951年,盖尔曼博士毕业后在普林斯顿大学高等研究院担任博士后研究员。次年,盖尔曼成为芝加哥大学核研究所(后来改名为费米研究所)的讲师,盖尔曼深为以费米为中心所形成的学术气氛的激励。1952年至1953年,盖尔曼在伊利诺斯大学担任教授,并在此期间与弗朗西斯·尤金·洛(Francis Eugene Low)合作提出了盖尔曼-劳定理,这是量子场论中的重要定理,它说明了有相互作用的多体系统的基态与相应的无相互作用多体系统之间的关系,并提出了奇异数守恒定律[15]1954年,25岁的盖尔曼成为了芝加哥大学副教授,同时也担任了哥伦比亚大学的教授。[1][26][18][27]

在芝加哥大学任教期间的盖尔曼
在芝加哥大学任教期间的盖尔曼

第一职业——物理学家

1955年,盖尔曼在两年前提出的奇异数守恒定律的理论基础上又提出了协同产生理论,这一模型理论对长寿命作出了解释:奇异数在弱相互作用衰变时不守恒。盖尔曼用这一规则将介子、核子(中子质子)和超子分类,并预言有一种所谓的克西零超子存在,果然后来得到了实验的证明。[28]同年9月,盖尔曼接受了加利福尼亚理工学院物理学副教授的位置。次年,盖尔曼升为教授,[1][18][29][15]并与英国考古学学生J.玛格丽特·道(J.Margaret Dow)结婚,生育了一儿一女,尼古拉斯·韦伯斯特(Nicolas Webster)与伊丽莎白·莎拉(Elizabeth Sarah)。[5]

1958年,盖尔曼与理查德·菲利普斯·费曼(Richard Phillips Feynman)合作,并提出了理论(矢量减轴理论),并发现了物理弱相互作用的普适形式。[14][15]

盖尔曼(左)与费曼
盖尔曼(左)与费曼

1961年,盖尔曼在奇异数守恒定律的基础上,又提出了的对称性,并尝试把具有相同自旋宇称对称性但奇异数不同的粒子放在一起作为同一粒子的超多重态。次年,盖尔曼提出“八重态”的分类方法,并按照这一方法,把当时已知的九个重子共振态排列成对称的图形。出于对对称性的考虑,将其中缺少的一个粒子命名为,并于三年后发现了这个失踪的粒子——粒子。[16][10]

盖尔曼提出的“八重态”模型与九个重子共振态模型
盖尔曼提出的“八重态”模型与九个重子共振态模型

1962年,盖尔曼提出了电中性粒子“胶子”的存在可能性。[2]两年后,盖尔曼正式提出夸克模型,它认为质子之类的粒子并不是基本粒子,而是由更基本的夸克组成,夸克与所有已知的亚原子粒子不同,它们带有分数电荷,这就是著名的夸克模型。按照夸克模型,原来纷繁杂乱的粒子集合开始变得有序,夸克的不同组合构成了其上的数目繁多的重子和介子,形成了粒子的“元素周期表”,这是现代物理学的一个重要里程碑,它非常简洁地阐述了夸克模型。[16][10][19]

20世纪60年代,盖尔曼引入了现代代数,将其作为一种在缺乏可靠动力学理论的情况下系统地利用对称性从夸克模型中提取预测的方法。该方法产生了经实验证实的与模型无关的求和规则,并为标准模型(SM)(广泛接受的基本粒子理论)的发展提供了基础。[30]

1967年,盖尔曼成为了加州理工学院密立根理论物理学教授,并长期在该院从事粒子物理学研究。1972年,盖尔曼与哈拉尔德·弗里奇(德语:Harald Fritzsch)引入了新的守恒量子数,取名为“颜色荷”,[17]紧接着又同汉里奇·劳意特维勒(Heinrich Leutwyler)提出了新术语“量子色动力学”,夸克理论成为量子色动力学的一个组成部分。[18][19]

20世纪80年代初,盖尔曼研究了复杂系统相关的“有效复杂度”,他认为任何事物都是规则性和随机性的组合。[31]1981年,他的妻子玛格丽特去世,从此留下他孤单一人。1992年,盖尔曼又娶了诗人兼英语教授的玛西娅·索斯威克(Marcia Southwick)[5]

第二职业——环境专家

1993年,盖尔曼在加利福尼亚理工大学退休以后,成为圣菲研究院的创建人之一。在这个研究院里,学者们对各种各样的问题(从量子力学世界人口增长带来的结果)进行理论研究。盖尔-曼早年对动物和鸟类观察的兴趣使他对技术给环境带来的影响问题十分敏感。他曾代表麦克阿瑟基金会担任过世界环境与资源委员会主席,他因促进技术进步与环境保护之间的平衡而获得林德伯格奖。[20]

盖尔曼在森林实践
盖尔曼在森林实践

晚年病逝

2019年5月24日,高能物理界巨人盖尔曼辞世,享年89岁。[21]

晚年的盖尔曼
晚年的盖尔曼

理论概念

夸克模型

1964年,盖尔曼在坂田模型的基础上更进一步提出:所有强子强相互作用粒子的简称)都是由更基本的粒子组成。盖尔曼称该粒子为夸克,这一称谓据说来源于乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》中的词,小说中“夸克”只是模仿一种海鸟的叫声,盖尔曼用它为粒子命名。[32]

盖尔曼认为质子之类的粒子并不是基本粒子,而是由更基本的夸克组成,夸克与所有有已知的亚原子粒子不同,它们带有分数电荷,例如,或。夸克都是两两成对、或三三成群,永远不可能单独地被观涢到,它们之间的结合是靠交换胶子,这就是著名的夸克模型[28]

盖尔曼还对夸克模型进行了分类,上夸克()、下夸克()和奇异夸克()。他主张允许电荷为非整数值,以便构建更为简洁、完美的理论模型。具体一点就是上夸克带个电荷,而下夸克和奇夸克所带电荷数分别为和。质子由两个上夸克加一个下夸克组成,中子的构成则为一个上夸克和两个下夸克。至于坂田模型的难题,他得出介子由一正一反两夸克组成、重子由个夸克组成的结论,夸克的重子数为。[32]

夸克模型
夸克模型

量子色动力学理论

盖尔曼提出了量子色动力学理论(QCD),这一理论阐明了夸克与反夸克之间通过“胶子”这种媒介粒子而相互作用。量子色动力学(QCD)在某些方面与量子电动力学类似,对于“强作用力”使原子粒子紧密结合在一起的作用过程,QCD最终给出了一个几乎完美的阐述。到1994年,盖尔曼写到:20世纪40年代以来观测到的核粒子碰撞“现在都可以用夸克、反夸克和胶子的合成来解释。夸克体系,在量子色动力学这一明确理论中得到了具体的表达,因而揭露出了隐藏在一个显然极其复杂情形下的简易性。[33]

理论

1956年,盖尔曼发现宇称不守恒,反映在中微子的自旋上就是左和右不对称(中微子只有左旋的,它的反粒子是右旋的),确定了轻子流必须写成满足宇称不守恒条件的形式,理论上称作形式,而且强子流与轻子流形式完全相同。[34]

奇异量子数

1952年初,盖尔-曼开始研究奇异粒子问题,并试图用质子中子的“同位旋”(也称“对称性”)概念来解释粒子奇异性。盖尔曼指出,在强相互作用过程中,奇异数是守恒的,所以奇异粒子具有协同产生的特点,而且它的衰变不能由强作用而只能由弱作用引起。[35]

八重法理论

1961年,盖尔-曼利用群论数学提出了一个描述亚原子粒子的新方法,盖尔曼指出,所有性质相似的强子属于一个族。八重法的目的是把一些多重态结合成所谓的趋多重态的粒子群。每一个趋多重态是由几个多重态组成的,这些多重态的个量子数重子数核素角动量和宇称性)的值是相同的。群论指出,每个超多重态只可能由、、或个粒子构成的群来组成。盖尔-曼提出,质子中子是一个八重态的一部分,即每个都有单位的核素总角动量的八个重子群的一部分。[36]

定理公式

盖尔曼一劳定理

说明了有相互作用的多体系统的基态与相应的无相互作用多体系统之间的关系,对于基态,右矢和左矢分别为,。[37]

盖尔曼-西岛关系

对重子和介子族,盖尔曼和西岛(K.Nishijma)等人曾总结出一个有名的经验公式,称为盖尔曼--西岛关系,也叫盖尔曼一西岛法则。设为重子数,为奇异数,为粲数,为同位旋的第三分量,则电荷可以一般地表为:。[38]

盖尔曼-大久保公式

1962年,盖尔曼和大久保(S.Okubo)由群论分析导出了强子一多重态中质量分裂公式,称为盖尔曼一大久保公式,即:。[39]

数学

盖尔曼矩阵

量子色动力学认为,在颜色空间的转动下,夸克场量,作为颜色空间的三行一列矩阵,其变化为:,,是任意参数,是矩阵,依次为:,,,,,,,,,,这些矩阵称为盖尔曼矩阵。[40]

主要著作

时间名称所属领域1962年《八重法》《Eight fold method》物理1964年《八重道》《Eight fold path》物理1971年《破缺的尺度不变性以及光锥》《Broken scale invariance and light cone》物理1994年《夸克与美洲豹:简单性和复杂性的奇遇》《he Adventures of Simplicity and Complexity: Quaks and the Leopard》物理-《人类语言的演化》《The Evolution of Human Language》语言学2002年《秩序与随机性》《The Regular and the Random》人类学2005年《粒子物理学》《Particle Physics》物理2009年《不可思议的奇迹发生:弗兰克·奥本海默和他的惊人探索馆》《Something Incredibly Wonderful Happens: Frank Oppenheimer and His Astonishing Exploratorium》鸟类学参考资料:[2][41][42][43]

主要论文

时间名称所属领域1924年耦合力度与核相互作用Coupling strength and nuclear reactions物理-不可外延熵:学科间的应用Nonextensive Entropy: Interdisciplinary Applications物理1956年作为位移荷多重态的新粒子的解释Explanation of new particles as displacement charge multiple states物理1958年费米相互作用理论Fermi interaction theory物理1961年八重法:一个强作用对称性的理论The Eight fold Method: A Theory of Strong Interaction Symmetry物理1962年重子和介子的对称性Symmetry of baryons and mesons物理1964年重子和介子的一个简略模型A Simplified Model of Baryons and Mesons物理参考资料:[2][44][13]

社会职务

任职时间任职身份任职机构
1948年助教麻省理工学院
1951年博士后研究员普林斯顿大学高等研究院
1952年讲师芝加哥大学
1953年助理教授芝加哥大学
1954年副教授芝加哥大学
1955年副教授加州理工学院
1956年教授加州理工学院
1956年科学顾问加利福尼亚圣莫尼卡兰德有限公司、新墨西哥州洛斯阿拉莫斯科学实验室
1967年理论物理学教授密歇根
1961年顾问弗吉尼亚州阿林顿国防部研究室
1964年物理专家美国宇航局
1966年研究员英国剑桥丘吉尔学院
1969年总统科学顾问委员会成员总统科学顾问委员会
1970年研究员兼主席美国艺术与科学学院西部中心
参考资料:[1][27]

奖项与荣誉

时间荣誉1959年获得丹尼·海涅曼数学物理奖1959年至1960年法国法兰西学院、巴黎大学客座教授1962年获得美国成就学院金盘奖1963年麻省理工学院客座教授1964年当选美国艺术与科学院院士1966年获得劳伦斯物理学奖1967年获得富兰克林奖章1968年获美国国家科学院的卡蒂奖章,该奖也称为卡蒂科学进步奖1969年获得诺贝尔物理学奖1988年联合国环境规划署环境成就荣誉榜(全球500强)1993年获得林德伯格奖1993年当选美国哲学会会员2005年获得阿尔伯特·爱因斯坦奖章2005年美国人文主义者协会年度人文主义者2014年柏林-勃兰登堡科学与人文学院亥姆霍兹奖章参考资料:[11][20][45][18][46][47][48][49][50]

1969年盖尔曼获得诺贝尔物理学奖
1969年盖尔曼获得诺贝尔物理学奖

人物关系

关系姓名简介哥哥本尼迪克·盖尔曼(BenedictGell-Mann)报刊的摄影记者朋友费曼(Feynman)费曼是1965年诺贝尔物理奖获得者,他与盖尔曼常常与风趣的费曼针锋相对,成为战友和“敌人”。费曼和盖尔曼两人多年来只合作发表过一篇学术论文,即1958年1月在《物理评论》杂志发表的一篇关于弱相互作用V-A理论的文章“费米相互作用的理论”,成为标准弱相互作用理论的经典论文之一朋友皮埃尔·拉蒙德(Pierre Ramond)佛罗里达大学杰出物理学教授。他开创了超弦理论的发展,与盖尔曼一起提出了中微子质量的跷跷板理论朋友理查德·斯兰斯基(Richard C. Slansky)美国理论物理学家,同样与盖尔曼一起提出了中微子质量的跷跷板理论参考资料:[18][51][52][53][54]

学术评价

1965年诺贝尔物理奖获得者费曼对他的评价是:“要是少了有盖尔曼冠名的事物,我们的基础物理学知识里将找不出任何成果累累的点子”;圣塔菲研究所前所长杰弗里·韦斯特就认为盖尔曼是伟大的博学者和二十世纪文艺复兴式的人物;遗传运算法则创始人约翰·赫兰(麦克阿瑟天才奖获得者)称他是“真正的天才”;1977年诺贝尔物理学奖获得者菲利普·沃伦·安德森曾评价他“现存的在广泛的领域里拥有最深刻学问的人”;1979年诺贝尔物理学奖获得者斯蒂文·温伯格说他“从考古到仙人掌再到非洲约鲁巴人的传说再到发酵学,他懂得都比你多”。[22]

粒子物理传奇

默里·盖尔曼就是其中极富传奇色彩的人物之一,他是一位粒子物理学界的奇才和天才,做出了许多奠基性的工作,曾经主宰粒子物理的走向长达20年。盖尔曼一直是粒子物理学的开路先锋,他在24岁发现了基本粒子的新量子数-奇异数;32岁提出了强子分类的八重法(相当于介子和重子的门捷列夫周期表);35岁创立了夸克模型;40岁荣获诺贝尔物理学奖。盖尔曼做出的杰出的科学成就,使他成为一名当之无愧的粒子物理学的权威人物。盖尔曼在奇异性、重整化群量子色动力学等方面都有重大建树,他对基本粒子物理学的重要贡献极大地加深了人类对微观世界的了解,有人甚至认为他是爱因斯坦的继承人之一。[55]

“交换律”想法

青年时期的盖尔曼认为去当时物理系并不强的麻省理工学院学物理是一个很掉身价的事情,因为没有更好的选择,他为此曾考虑过自杀。后来,他意识到自杀和去麻省理工读书这两件事情的先后顺序不满足交换律,如果先自杀了就不能再去读书了,于是选择先去读书,等以后再决定还要不要自杀。这就是“去MIT读书与自杀不可交换顺序”(attending MIT and killing himself didn't commute)的典故。[56][57]

奇异人生

盖尔曼在学术思想上也是一位标新立异之人,性格怪异、特立独行,对传统科学思想和研究范式做出种种“反叛”。做客日本讲学,不顾客人的礼貌,毫不客气地讽刺日本同事“教条主义态度”“完全不可理喻”,丝毫不讲情面,按照现在的说法可谓“情商超低”。他给自己的理论起了一些古怪的名字,如奇异数、八重法、夸克、小牛肉和野鸡等。[55]

博学多才

他是一个百科全书式的学者,通晓的学科极广,除数理类的学科外,对考古学、动物分类学、语言学等学科也非常精通,是20世纪后期学术界少见的通才,人们说他有“五个大脑”。他兴趣广泛,博学多才,能讲六七种语言。[55]

性格缺陷

同样个性鲜明的他也有重大性格缺陷,例如他的特立独行会让人不舒服而不愿意与他打交道。盖尔曼以爱炫耀自己的博学和看不起应用研究而闻名,他甚至用英文谐音词称固体物理学为“肮脏状态物理学”。他也很轻视别人的贡献,不愿意提及别人的成绩,这让人感觉他的自大和狂妄。例如,在参加学术研讨会时就极其容易表现出傲慢的一面,如果他认为在他面前作报告的人所讲的东西不重要,他会公然拿出一份报纸然后埋头看报,表示自己的不屑。[55]

后世纪念

1984年,盖尔曼与另外两位诺贝尔奖获得者安德森(Anderson)和阿罗(Arrow)发起组建,建立了能吸引顶尖人才的新兴研究所,并将其命名为“圣达菲研究所”。[58]后来,为了纪念盖尔曼的贡献,圣塔菲研究所的新主楼以他的名字命名。[23]

圣塔菲研究所的新主楼
圣塔菲研究所的新主楼

名言

理论物理学家用纸、笔和废纸篓作为研究工具,其中最重要的就是废纸篓。[27]理论物理学家们的工作就是一场令人愉悦的游戏。[27]单凭几条简洁的公式,怎么可能预测大自然的普遍规律。[27]作为一个出色的物理学家,想象力很重要,一定要想象、假设。也许事实并不是这样,但是这样可以使你接着往前研究,创造力是最为重要的一个方面,这样你才可以有新的角度去观察事物。[27]成功来自好奇心,所以我们不能扼杀孩子的好奇心。[27]

参考资料 58

  1. 参考 1
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. 参考 5
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  37. 参考 37
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  47. Murray Gell-Mann — www.amacad.org
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  49. Press Release, 10–2014, from Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften — americanhumanist.org
  50. Murray Gell-Mann – Biographical — www.nobelprize.org
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  58. Conception to birth: A gleam in one scientist’s eye — Santa Fe Institute
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