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泡利的錯(cuò)誤 (下) - 盧昌海 - << 接中篇 現(xiàn)在我們來(lái)談?wù)勁堇牡诙五e(cuò)誤——有關(guān)宇稱(chēng)守恒的錯(cuò)誤[注一]。 1956 年 6 月， 泡利收到了來(lái)自李政道 (T. D. Lee) 和楊振寧 (C. N. Yang) 的一篇題為 “宇稱(chēng)在弱相互作用中守恒嗎？” (Is Parity Conserved in Weak Interactions?) 的文章。 這篇文章就是稍后發(fā)表于《物理評(píng)論》(The Physical Review) 雜志， 并為兩位作者贏得 1957 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的著名論文 “弱相互作用中的宇稱(chēng)守恒質(zhì)疑” (Question of Parity Conservation in Weak Interactions) 的預(yù)印本。 李政道和楊振寧在這篇文章中提出宇稱(chēng)守恒在強(qiáng)相互作用與電磁相互作用中均存在很強(qiáng)的證據(jù)， 在弱相互作用中卻只是一個(gè)未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的 “外推假設(shè)” (extrapolated hypothesis)。 不僅如此， 他們還提出當(dāng)時(shí)困擾物理學(xué)界的所謂 “θ-τ 之謎” (θ-τ puzzle)， 即因宇稱(chēng)不同而被視為不同粒子的 θ 和 τ 具有完全相同的質(zhì)量與壽命這一奇怪現(xiàn)象， 有可能正是宇稱(chēng)不守恒的證據(jù)， 因?yàn)?θ 和 τ 有可能實(shí)際上是同一粒子。 他們并且還提議了一些檢驗(yàn)弱相互作用中宇稱(chēng)是否守恒的實(shí)驗(yàn)。 但泡利對(duì)宇稱(chēng)守恒卻深信不疑， 對(duì)于檢驗(yàn)弱相互作用中宇稱(chēng)是否守恒的實(shí)驗(yàn)， 他在 1957 年 1 月 17 給奧地利裔美國(guó)物理學(xué)家韋斯科夫 (Victor Weisskopf) 的信中表示 (著重是原信就有的)： 我不相信上帝是一個(gè)弱左撇子， 我準(zhǔn)備押很高的賭注， 賭那些實(shí)驗(yàn)將會(huì)顯示……對(duì)稱(chēng)的角分布…… 這里所謂 “對(duì)稱(chēng)的角分布” 指的是宇稱(chēng)守恒的結(jié)果——也就是說(shuō)泡利期待的是宇稱(chēng)守恒的結(jié)果。 富有戲劇性的是， 比泡利的信早了兩天， 即 1957 年 1 月 15 日，《物理評(píng)論》雜志就已收到了吳健雄等人的論文 “貝塔衰變中宇稱(chēng)守恒的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)” (Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay)， 為宇稱(chēng)不守恒提供了實(shí)驗(yàn)證明； 比泡利的信早了一天， 即 1957 年 1 月 16 日， 消息靈通的《紐約時(shí)報(bào)》(The New York Times) 就已用 “物理學(xué)中的基本概念在實(shí)驗(yàn)中被推翻” (Basic Concept in Physics Is Reported Upset in Tests) 為標(biāo)題， 在頭版報(bào)道了被其稱(chēng)為 “中國(guó)革命” (Chinese Revolution) 的吳健雄等人的實(shí)驗(yàn)。 區(qū)區(qū)一兩天的消息滯后， 讓泡利不幸留下了 “白紙黑字” 的錯(cuò)誤。 但泡利的消息也并非完全不靈通， 在發(fā)出那封倒霉信件之后幾乎立刻， 他就也得知了吳健雄實(shí)驗(yàn)的結(jié)果； 到了第四天， 即 1957 年 1 月 21 日， 各路 “壞” 消息就一齊匯總到了他那里： 首先是上午， 收到了李政道和楊振寧等人的兩篇新論文， 外加瑞士物理學(xué)家維拉斯 (Felix Villars) 轉(zhuǎn)來(lái)的《紐約時(shí)報(bào)》的報(bào)道 (即那篇 1 月 16 日的報(bào)道)； 其次是下午， 收到了包括吳健雄實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的三組實(shí)驗(yàn)的論文。 這些結(jié)果使泡利感到 “很懊惱”， 唯一值得慶幸的是他沒(méi)有真的陷入賭局， 從而沒(méi)有因 “很高的賭注” 遭受錢(qián)財(cái)損失——他在給韋斯科夫的另一封信中表示， “我能承受一些名譽(yù)的損失， 但損失不起錢(qián)財(cái)”[注二]。 稍后， 在給玻爾的信中， 泡利的懊惱心情平復(fù)了下來(lái)， 以幽默的筆調(diào)為宇稱(chēng)守恒寫(xiě)了幾句訃文： 我們本著一種傷心的職責(zé)， 宣告我們多年來(lái)親愛(ài)的女性朋友——宇稱(chēng)——在經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)手術(shù)的短暫痛苦后， 于 1957 年 1 月 19 日平靜地去世了。 訃文的落款是當(dāng)時(shí)已知的三個(gè)參與弱相互作用的粒子： “e, μ, ν” (即電子、 μ 子、 中微子)[注三]。 1957 年 8 月 5 日， 泡利在給瑞士精神科醫(yī)生兼心理學(xué)家榮格 (Carl Jung) 的信中為自己的此次錯(cuò)誤作了小結(jié)： “現(xiàn)在已經(jīng)確定上帝仍然是——用我喜歡的表述來(lái)說(shuō)——弱左撇子”， “在今年 1 月之前， 我對(duì)這種可能性從未有過(guò)絲毫考慮”。 如果深挖 “歷史舊賬” 的話(huà)， 那么泡利對(duì)宇稱(chēng)守恒的深信不疑還使他在二十多年前的另一個(gè)場(chǎng)合下犯過(guò)錯(cuò)誤。 1929 年， 著名德國(guó)數(shù)學(xué)家外爾 (Hermann Weyl) 從數(shù)學(xué)上提出了一個(gè)二分量的量子力學(xué)方程式， 描述無(wú)質(zhì)量的自旋 1/2 粒子。 這個(gè)方程式的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是不具有宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)性。 1933 年， 泡利在被稱(chēng)為量子力學(xué) “新約” (New Testament) 的名著《量子力學(xué)的普遍原理》(General Principles of Quantum Mechanics) 中， 以不具有宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)性為由， 將這一方程式判定為了不具有現(xiàn)實(shí)意義。 在宇稱(chēng)守恒受到李政道和楊振寧的質(zhì)疑之后， 幾乎與實(shí)驗(yàn)證實(shí)同時(shí)， 李政道和楊振寧、 蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道、 巴基斯坦物理學(xué)家薩拉姆 (Abdus Salam) 等人都重新引入了不具有宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)性的二分量方程式， 用以描述此前不久才被發(fā)現(xiàn)， 與宇稱(chēng)不守恒有著密切關(guān)系的中微子 (neutrino)[注四]。 而泡利則在 1958 年再版自己的 “新約” 時(shí)針對(duì)這些進(jìn)展添加了注釋?zhuān)?成為 “新約” 中量子力學(xué)部分為數(shù)極少的修訂之一。 以上就是泡利第二次錯(cuò)誤的大致情形。 值得一提的是， 泡利的兩次錯(cuò)誤都未訴諸論文， 這跟愛(ài)因斯坦和玻爾的錯(cuò)誤相比， 無(wú)疑是情節(jié)輕微的表現(xiàn)。 此外， 與他在第一次錯(cuò)誤中實(shí)際起到了 “幕后推手” 作用， 且頗有可辯解之處相類(lèi)似， 泡利的第二次錯(cuò)誤不僅情節(jié)輕微——甚至沒(méi)有像第一次錯(cuò)誤那樣對(duì)別人產(chǎn)生過(guò)負(fù)面影響 (即便是 “歷史舊賬” 里的二分量方程式， 雖被他 “錯(cuò)劃為” 不具有現(xiàn)實(shí)意義， 但在中微子被發(fā)現(xiàn)之前原本也不具有 “現(xiàn)實(shí)意義”)， 而且同樣也起到了某種 “幕后推手” 作用， 并且也同樣有一些可辯解之處。 這可以算是泡利第二次錯(cuò)誤的幕后花絮。 我們?cè)?玻爾的錯(cuò)誤 一文中曾經(jīng)提到， 1929 年， 在試圖解決 β 衰變中的能量問(wèn)題時(shí)， 玻爾再次提出了能量不守恒的提議， 并遭到了泡利的反對(duì)[注五]。 但是， 比單純的反對(duì)更有建設(shè)性的是， 泡利于 1930 年提出了解決這一問(wèn)題的正確思路： 中微子假設(shè)——雖然 “中微子” 這一名稱(chēng)是意大利物理學(xué)家費(fèi)米 (Enrico Fermi) 而不是泡利所取的[注六]。 泡利不僅提出了中微子假設(shè)， 而且積極呼吁實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家去搜索它。 1930 年 12 月 4 日， 他給在德國(guó)圖賓根參加放射性研究會(huì)議的與會(huì)者們發(fā)去了一封措辭幽默的公開(kāi)信。 這封公開(kāi)信以 “親愛(ài)的放射性女士和先生們” 為稱(chēng)呼， 以表達(dá)因參加一個(gè)舞會(huì)而無(wú)法與會(huì)的 “歉意” 為結(jié)束， 內(nèi)容則是推介他的中微子假設(shè)。 泡利在信中表示自己 “迄今還不敢發(fā)表有關(guān)這一想法的任何東西”， 但由 β 衰變中的能量問(wèn)題所導(dǎo)致的 “局勢(shì)的嚴(yán)重性” 使他覺(jué)得 “不嘗試就不會(huì)有收獲”， “必須認(rèn)真討論挽救局勢(shì)的所有辦法”， 他因此呼吁對(duì)中微子假設(shè)進(jìn)行 “檢驗(yàn)和裁決”。 由于相互作用的極其微弱， 中微子直到 1956 年才由美國(guó)物理學(xué)家柯溫 (Clyde Cowan) 和萊因斯 (Frederick Reines) 等人在實(shí)驗(yàn)上找到[注七]。 這個(gè)由泡利提出并呼吁搜索的意在解決 β 衰變中的能量問(wèn)題的中微子不僅是弱相互作用的核心參與者之一， 而且其狀態(tài)及相互作用都直接破壞宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)性[注八]， 從而堪稱(chēng)是宇稱(chēng)不守恒的 “罪魁禍?zhǔn)住薄m然在吳健雄等人的實(shí)驗(yàn)中， 中微子并不是被直接探測(cè)的粒子。 從這個(gè)意義上講， 泡利對(duì)于宇稱(chēng)不守恒而言， 是起到了某種 “幕后推手” 作用的， 最低限度說(shuō)， 也是有著藕斷絲連的正面影響的， 這使他的第二次錯(cuò)誤也如第一次錯(cuò)誤那樣， 具有了獨(dú)特的戲劇性。 泡利自己對(duì)這種戲劇性也有過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)短描述： 在吳健雄實(shí)驗(yàn)成功后不久， 泡利在給這位被他贊許為 “無(wú)論作為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家還是聰慧而美麗的年輕中國(guó)女士” 都給他留下深刻印象的物理學(xué)家的祝賀信中寫(xiě)道： “中微子這個(gè)粒子——對(duì)其而言我并非局外人——還在為難我”[注九]。 泡利為什么對(duì)宇稱(chēng)守恒深信不疑呢？ 他后來(lái)在給吳健雄的信中解釋說(shuō)， 那是因?yàn)橛罘Q(chēng)在強(qiáng)相互作用下是守恒的， 而他不認(rèn)為守恒定律會(huì)跟相互作用的強(qiáng)度有關(guān)， 因此不相信宇稱(chēng)在弱相互作用下會(huì)不守恒。 不過(guò)， 這一理由雖適用于他 1957 年的觀點(diǎn)， 卻似乎不足以解釋他的 “歷史舊賬”， 即在 1933 年出版的量子力學(xué) “新約” 中以宇稱(chēng)不守恒為由將外爾的二分量中微子方程式視為不具有現(xiàn)實(shí)意義。 因?yàn)槟菚r(shí)強(qiáng)相互作用的概念才剛剛因中子的發(fā)現(xiàn) (1932 年) 而誕生， 參與強(qiáng)相互作用的重要粒子——介子——尚未被發(fā)現(xiàn)， 而介子的宇稱(chēng)更是遲至 1954 年才得到確立， 那時(shí)的宇稱(chēng)守恒哪怕在強(qiáng)相互作用下恐怕也算不上已被確立， 而只是有關(guān)對(duì)稱(chēng)性的普遍信念的一部分， 或是被美國(guó)物理學(xué)家溫伯格 (Steven Weinberg) 列為愛(ài)因斯坦的錯(cuò)誤之一的 以美學(xué)為動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單性 的一種體現(xiàn)。 也許， 對(duì)那種普遍信念的追求才是泡利此次錯(cuò)誤的真正——或最早——的根源。 關(guān)于泡利的第二次錯(cuò)誤， 也有一些可替他辯解的地方， 因?yàn)闊o(wú)論是有關(guān)對(duì)稱(chēng)性的普遍信念， 還是具體為對(duì)宇稱(chēng)守恒的深信不疑， 在當(dāng)時(shí)都絕非泡利的獨(dú)家觀點(diǎn)， 而在很大程度上可以算是主流看法。 雖然李政道和楊振寧的敏銳質(zhì)疑極是高明， 但在質(zhì)疑得到證實(shí)之前， 那種主流看法本身其實(shí)談不上錯(cuò)誤， 因?yàn)? 科學(xué)尋求的是對(duì)自然現(xiàn)象邏輯上最簡(jiǎn)單的描述， 而對(duì)稱(chēng)性正是一種強(qiáng)有力的簡(jiǎn)化描述的手段。 在被證實(shí)失效之前， 對(duì)那樣的手段予以信任、 堅(jiān)持、 乃至外推是很正常的， 也是多數(shù)物理學(xué)家的共同做法。 比如美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家拉姆齊 (Norman F. Ramsey, Jr.) 曾就是否該將宇稱(chēng)不守恒的可能性訴諸實(shí)驗(yàn)征詢(xún)費(fèi)曼 (Richard Feynman) 的看法， 費(fèi)曼表示他愿以 50:1 的比例賭那樣的實(shí)驗(yàn)不會(huì)發(fā)現(xiàn)任何東西。 這跟泡利的 “很高的賭注” 有著同樣的 “豪爽”。 可惜拉姆齊雖表示這賭約對(duì)他已足夠有利， 卻并未真正付諸實(shí)踐， 從而費(fèi)曼也跟泡利一樣在錢(qián)財(cái)上毫發(fā)無(wú)損。 又比如瑞士物理學(xué)家布洛赫 (Felix Bloch) 曾與斯坦福大學(xué)物理系的同事打賭， 如果宇稱(chēng)不守恒， 他愿吃掉自己的帽子——后來(lái)不得不狡辯說(shuō)幸虧自己沒(méi)有帽子[注十]！ 這些物理學(xué)家都不是無(wú)名之輩： 布洛赫是 1952 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主， 費(fèi)曼是 1965 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主， 拉姆齊是 1989 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。 最后還有一點(diǎn)值得提到， 那就是： 泡利從 1952 年就開(kāi)始研究場(chǎng)論中的離散對(duì)稱(chēng)性， 是對(duì)基本粒子理論中的對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行研究的先驅(qū)者和頂尖人物之一。 1954 年， 他與德國(guó)物理學(xué)家呂德斯 (Gerhart Lüders) 在能量有下界、 洛侖茲不變性 (Lorentz invariant) 等場(chǎng)論的最一般性質(zhì)的基礎(chǔ)上證明了所謂的 CPT 對(duì)稱(chēng)性——即由電荷共軛 (charge conjugation)、 宇稱(chēng)及時(shí)間反演 (time reversal) 組成的聯(lián)合對(duì)稱(chēng)性必須成立。 這個(gè)被稱(chēng)為呂德斯-泡利定理 (Lüders–Pauli theorem) 或 CPT 定理 (CPT theorem) 的著名結(jié)果在當(dāng)時(shí)似乎是多此一舉的， 因?yàn)槠渌婕暗碾姾晒曹棥?宇稱(chēng)及時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性被認(rèn)為分別都是成立的。 但隨著宇稱(chēng)不守恒的發(fā)現(xiàn)， 很多同類(lèi) (即離散) 的對(duì)稱(chēng)性——如電荷共軛對(duì)稱(chēng)性、 時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性、 電荷共軛及宇稱(chēng) (charge conjugatoin and parity， 簡(jiǎn)稱(chēng) CP) 聯(lián)合對(duì)稱(chēng)性等——相繼 “淪陷”， 唯有 CPT 對(duì)稱(chēng)性如激流中的磐石一般屹立不倒， 使 CPT 定理的重要性得到了極大的凸顯， 成為量子場(chǎng)論——尤其是公理化量子場(chǎng)論——中最基本的定理之一。 有關(guān)泡利的錯(cuò)誤就介紹到這里了。 泡利那廣為人知的尖刻和不留情面或許會(huì)給人一個(gè)剛愎自用、 不易相處的印象， 其實(shí)， 在真正熟悉泡利的人眼里， 與泡利共事不僅是一種殊榮， 也是一種愉快——就如克羅尼格所回憶的： 泡利不愿容忍粗疏的思考， 卻隨時(shí)準(zhǔn)備著給予別人應(yīng)得的榮譽(yù)， 并且隨時(shí)準(zhǔn)備著承認(rèn)自己的錯(cuò)誤——只要有人能提出有效的反駁。 他也很樂(lè)意以參加周日遠(yuǎn)足的方式讓你平衡他在蘇黎世湖 (Zürichsee) 上游泳的優(yōu)勢(shì)， 因?yàn)檫h(yuǎn)足對(duì)他要比對(duì)小塊頭的人來(lái)得困難。 這就是泡利——智慧、 坦誠(chéng)、 幽默， 甚至帶點(diǎn)體貼的泡利。 最后要說(shuō)明的是， 我們介紹泡利的錯(cuò)誤， 絕不是——哪怕借著 “六一” 的氣氛——拿泡利尋開(kāi)心， 而是與介紹 愛(ài)因斯坦的錯(cuò)誤 和 玻爾的錯(cuò)誤 有著相同的用意， 即試圖說(shuō)明無(wú)論聲譽(yù)多么崇高、 功力多么深厚、 思維多么敏銳的科學(xué)家都幾乎難免會(huì)犯錯(cuò)。 犯錯(cuò)無(wú)損于他們的偉大， 也無(wú)損于科學(xué)的偉大。 事實(shí)上， 科學(xué)一直是犯著錯(cuò)誤， 不斷糾正著錯(cuò)誤才走到今天的， 永遠(yuǎn)正確絕不是科學(xué)的特征——相反， 假如有什么東西標(biāo)榜自己永遠(yuǎn)正確， 那倒是最鮮明不過(guò)的指標(biāo)， 表明它絕不是科學(xué)。
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