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本文发表于《现代物理知识》2015 年第 1 期 (中国科学院高能物理研究所)

泡利的错误 (下)

- 卢昌海 -

<< 接中篇

四. 泡利的第二次错误: 宇称守恒

现在我们来谈谈泡利的第二次错误——有关宇称守恒的错误[注一]

1956 年 6 月, 泡利收到了来自李政道 (T. D. Lee) 和杨振宁 (C. N. Yang) 的一篇题为 “宇称在弱相互作用中守恒吗?” (Is Parity Conserved in Weak Interactions?) 的文章。 这篇文章就是稍后发表于《物理评论》(The Physical Review) 杂志, 并为两位作者赢得 1957 年诺贝尔物理学奖的著名论文 “弱相互作用中的宇称守恒质疑” (Question of Parity Conservation in Weak Interactions) 的预印本。 李政道和杨振宁在这篇文章中提出宇称守恒在强相互作用与电磁相互作用中均存在很强的证据, 在弱相互作用中却只是一个未被实验证实的 “外推假设” (extrapolated hypothesis)。 不仅如此, 他们还提出当时困扰物理学界的所谓 “θ-τ 之谜” (θ-τ puzzle), 即因宇称不同而被视为不同粒子的 θ 和 τ 具有完全相同的质量与寿命这一奇怪现象, 有可能正是宇称不守恒的证据, 因为 θ 和 τ 有可能实际上是同一粒子。 他们并且还提议了一些检验弱相互作用中宇称是否守恒的实验。

但泡利对宇称守恒却深信不疑, 对于检验弱相互作用中宇称是否守恒的实验, 他在 1957 年 1 月 17 给奥地利裔美国物理学家韦斯科夫 (Victor Weisskopf) 的信中表示 (着重是原信就有的):

相信上帝是一个弱左撇子, 我准备押很高的赌注, 赌那些实验将会显示……对称的角分布……

这里所谓 “对称的角分布” 指的是宇称守恒的结果——也就是说泡利期待的是宇称守恒的结果。

富有戏剧性的是, 比泡利的信早了两天, 即 1957 年 1 月 15 日,《物理评论》杂志就已收到了吴健雄等人的论文 “贝塔衰变中宇称守恒的实验检验” (Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay), 为宇称不守恒提供了实验证明; 比泡利的信早了一天, 即 1957 年 1 月 16 日, 消息灵通的《纽约时报》(The New York Times) 就已用 “物理学中的基本概念在实验中被推翻” (Basic Concept in Physics Is Reported Upset in Tests) 为标题, 在头版报道了被其称为 “中国革命” (Chinese Revolution) 的吴健雄等人的实验。

区区一两天的消息滞后, 让泡利不幸留下了 “白纸黑字” 的错误。

但泡利的消息也并非完全不灵通, 在发出那封倒霉信件之后几乎立刻, 他就也得知了吴健雄实验的结果; 到了第四天, 即 1957 年 1 月 21 日, 各路 “坏” 消息就一齐汇总到了他那里: 首先是上午, 收到了李政道和杨振宁等人的两篇新论文, 外加瑞士物理学家维拉斯 (Felix Villars) 转来的《纽约时报》的报道 (即那篇 1 月 16 日的报道); 其次是下午, 收到了包括吴健雄实验在内的三组实验的论文。 这些结果使泡利感到 “很懊恼”, 唯一值得庆幸的是他没有真的陷入赌局, 从而没有因 “很高的赌注” 遭受钱财损失——他在给韦斯科夫的另一封信中表示, “我能承受一些名誉的损失, 但损失不起钱财”[注二]。 稍后, 在给玻尔的信中, 泡利的懊恼心情平复了下来, 以幽默的笔调为宇称守恒写了几句讣文:

我们本着一种伤心的职责, 宣告我们多年来亲爱的女性朋友——宇称——在经历了实验手术的短暂痛苦后, 于 1957 年 1 月 19 日平静地去世了。

讣文的落款是当时已知的三个参与弱相互作用的粒子: “e, μ, ν” (即电子、 μ 子、 中微子)[注三]

1957 年 8 月 5 日, 泡利在给瑞士精神科医生兼心理学家荣格 (Carl Jung) 的信中为自己的此次错误作了小结: “现在已经确定上帝仍然是——用我喜欢的表述来说——弱左撇子”, “在今年 1 月之前, 我对这种可能性从未有过丝毫考虑”。

如果深挖 “历史旧账” 的话, 那么泡利对宇称守恒的深信不疑还使他在二十多年前的另一个场合下犯过错误。 1929 年, 著名德国数学家外尔 (Hermann Weyl) 从数学上提出了一个二分量的量子力学方程式, 描述无质量的自旋 1/2 粒子。 这个方程式的一个显著特点就是不具有宇称对称性。 1933 年, 泡利在被称为量子力学 “新约” (New Testament) 的名著《量子力学的普遍原理》(General Principles of Quantum Mechanics) 中, 以不具有宇称对称性为由, 将这一方程式判定为了不具有现实意义。 在宇称守恒受到李政道和杨振宁的质疑之后, 几乎与实验证实同时, 李政道和杨振宁、 苏联物理学家朗道、 巴基斯坦物理学家萨拉姆 (Abdus Salam) 等人都重新引入了不具有宇称对称性的二分量方程式, 用以描述此前不久才被发现, 与宇称不守恒有着密切关系的中微子 (neutrino)[注四]。 而泡利则在 1958 年再版自己的 “新约” 时针对这些进展添加了注释, 成为 “新约” 中量子力学部分为数极少的修订之一。

五. 第二次错误的幕后花絮

以上就是泡利第二次错误的大致情形。 值得一提的是, 泡利的两次错误都未诉诸论文, 这跟爱因斯坦和玻尔的错误相比, 无疑是情节轻微的表现。 此外, 与他在第一次错误中实际起到了 “幕后推手” 作用, 且颇有可辩解之处相类似, 泡利的第二次错误不仅情节轻微——甚至没有像第一次错误那样对别人产生过负面影响 (即便是 “历史旧账” 里的二分量方程式, 虽被他 “错划为” 不具有现实意义, 但在中微子被发现之前原本也不具有 “现实意义”), 而且同样也起到了某种 “幕后推手” 作用, 并且也同样有一些可辩解之处。 这可以算是泡利第二次错误的幕后花絮。

我们在 玻尔的错误 一文中曾经提到, 1929 年, 在试图解决 β 衰变中的能量问题时, 玻尔再次提出了能量不守恒的提议, 并遭到了泡利的反对[注五]。 但是, 比单纯的反对更有建设性的是, 泡利于 1930 年提出了解决这一问题的正确思路: 中微子假设——虽然 “中微子” 这一名称是意大利物理学家费米 (Enrico Fermi) 而不是泡利所取的[注六]

泡利不仅提出了中微子假设, 而且积极呼吁实验物理学家去搜索它。 1930 年 12 月 4 日, 他给在德国图宾根参加放射性研究会议的与会者们发去了一封措辞幽默的公开信。 这封公开信以 “亲爱的放射性女士和先生们” 为称呼, 以表达因参加一个舞会而无法与会的 “歉意” 为结束, 内容则是推介他的中微子假设。 泡利在信中表示自己 “迄今还不敢发表有关这一想法的任何东西”, 但由 β 衰变中的能量问题所导致的 “局势的严重性” 使他觉得 “不尝试就不会有收获”, “必须认真讨论挽救局势的所有办法”, 他因此呼吁对中微子假设进行 “检验和裁决”。

由于相互作用的极其微弱, 中微子直到 1956 年才由美国物理学家柯温 (Clyde Cowan) 和莱因斯 (Frederick Reines) 等人在实验上找到[注七]。 这个由泡利提出并呼吁搜索的意在解决 β 衰变中的能量问题的中微子不仅是弱相互作用的核心参与者之一, 而且其状态及相互作用都直接破坏宇称对称性[注八], 从而堪称是宇称不守恒的 “罪魁祸首”——虽然在吴健雄等人的实验中, 中微子并不是被直接探测的粒子。 从这个意义上讲, 泡利对于宇称不守恒而言, 是起到了某种 “幕后推手” 作用的, 最低限度说, 也是有着藕断丝连的正面影响的, 这使他的第二次错误也如第一次错误那样, 具有了独特的戏剧性。 泡利自己对这种戏剧性也有过一个简短描述: 在吴健雄实验成功后不久, 泡利在给这位被他赞许为 “无论作为实验物理学家还是聪慧而美丽的年轻中国女士” 都给他留下深刻印象的物理学家的祝贺信中写道: “中微子这个粒子——对其而言我并非局外人——还在为难我”[注九]

泡利为什么对宇称守恒深信不疑呢? 他后来在给吴健雄的信中解释说, 那是因为宇称在强相互作用下是守恒的, 而他不认为守恒定律会跟相互作用的强度有关, 因此不相信宇称在弱相互作用下会不守恒。 不过, 这一理由虽适用于他 1957 年的观点, 却似乎不足以解释他的 “历史旧账”, 即在 1933 年出版的量子力学 “新约” 中以宇称不守恒为由将外尔的二分量中微子方程式视为不具有现实意义。 因为那时强相互作用的概念才刚刚因中子的发现 (1932 年) 而诞生, 参与强相互作用的重要粒子——介子——尚未被发现, 而介子的宇称更是迟至 1954 年才得到确立, 那时的宇称守恒哪怕在强相互作用下恐怕也算不上已被确立, 而只是有关对称性的普遍信念的一部分, 或是被美国物理学家温伯格 (Steven Weinberg) 列为爱因斯坦的错误之一的 以美学为动机的简单性 的一种体现。 也许, 对那种普遍信念的追求才是泡利此次错误的真正——或最早——的根源。

关于泡利的第二次错误, 也有一些可替他辩解的地方, 因为无论是有关对称性的普遍信念, 还是具体为对宇称守恒的深信不疑, 在当时都绝非泡利的独家观点, 而在很大程度上可以算是主流看法。 虽然李政道和杨振宁的敏锐质疑极是高明, 但在质疑得到证实之前, 那种主流看法本身其实谈不上错误, 因为 科学寻求的是对自然现象逻辑上最简单的描述, 而对称性正是一种强有力的简化描述的手段。 在被证实失效之前, 对那样的手段予以信任、 坚持、 乃至外推是很正常的, 也是多数物理学家的共同做法。 比如美国实验物理学家拉姆齐 (Norman F. Ramsey, Jr.) 曾就是否该将宇称不守恒的可能性诉诸实验征询费曼 (Richard Feynman) 的看法, 费曼表示他愿以 50:1 的比例赌那样的实验不会发现任何东西。 这跟泡利的 “很高的赌注” 有着同样的 “豪爽”。 可惜拉姆齐虽表示这赌约对他已足够有利, 却并未真正付诸实践, 从而费曼也跟泡利一样在钱财上毫发无损。 又比如瑞士物理学家布洛赫 (Felix Bloch) 曾与斯坦福大学物理系的同事打赌, 如果宇称不守恒, 他愿吃掉自己的帽子——后来不得不狡辩说幸亏自己没有帽子[注十]! 这些物理学家都不是无名之辈: 布洛赫是 1952 年诺贝尔物理学奖得主, 费曼是 1965 年诺贝尔物理学奖得主, 拉姆齐是 1989 年诺贝尔物理学奖得主。

最后还有一点值得提到, 那就是: 泡利从 1952 年就开始研究场论中的离散对称性, 是对基本粒子理论中的对称性进行研究的先驱者和顶尖人物之一。 1954 年, 他与德国物理学家吕德斯 (Gerhart Lüders) 在能量有下界、 洛仑兹不变性 (Lorentz invariant) 等场论的最一般性质的基础上证明了所谓的 CPT 对称性——即由电荷共轭 (charge conjugation)、 宇称及时间反演 (time reversal) 组成的联合对称性必须成立。 这个被称为吕德斯-泡利定理 (Lüders–Pauli theorem) 或 CPT 定理 (CPT theorem) 的著名结果在当时似乎是多此一举的, 因为其所涉及的电荷共轭、 宇称及时间反演对称性被认为分别都是成立的。 但随着宇称不守恒的发现, 很多同类 (即离散) 的对称性——如电荷共轭对称性、 时间反演对称性、 电荷共轭及宇称 (charge conjugatoin and parity, 简称 CP) 联合对称性等——相继 “沦陷”, 唯有 CPT 对称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极大的凸显, 成为量子场论——尤其是公理化量子场论——中最基本的定理之一。

六. 结语

有关泡利的错误就介绍到这里了。 泡利那广为人知的尖刻和不留情面或许会给人一个刚愎自用、 不易相处的印象, 其实, 在真正熟悉泡利的人眼里, 与泡利共事不仅是一种殊荣, 也是一种愉快——就如克罗尼格所回忆的:

泡利不愿容忍粗疏的思考, 却随时准备着给予别人应得的荣誉, 并且随时准备着承认自己的错误——只要有人能提出有效的反驳。 他也很乐意以参加周日远足的方式让你平衡他在苏黎世湖 (Zürichsee) 上游泳的优势, 因为远足对他要比对小块头的人来得困难。

这就是泡利——智慧、 坦诚、 幽默, 甚至带点体贴的泡利。

最后要说明的是, 我们介绍泡利的错误, 绝不是——哪怕借着 “六一” 的气氛——拿泡利寻开心, 而是与介绍 爱因斯坦的错误玻尔的错误 有着相同的用意, 即试图说明无论声誉多么崇高、 功力多么深厚、 思维多么敏锐的科学家都难免会犯错。 犯错无损于他们的伟大, 也无损于科学的伟大。 事实上, 科学一直是犯着错误, 不断纠正着错误才走到今天的, 永远正确绝不是科学的特征——相反, 假如有什么东西标榜自己永远正确, 那倒是最鲜明不过的指标, 表明它绝不是科学。

注释

  1. 宇称守恒, 或者说宇称对称性, 是指物理定律在坐标反演 (r → -r) 下不变。 在三维空间中, 通过旋转对称性, 坐标反演可以约化为镜面反射, 从而宇称守恒常被通俗地表述为: 从镜子里看世界, 物理定律依然成立。
  2. 对此, 韦斯科夫在自传中不无自豪地表示是自己心中的 “善” 占了上风, 才没有在回复泡利 1 月 17 日的信件时答应跟泡利赌 1000 美元!
  3. 细心的读者也许注意到了, 泡利把宇称 “去世” 的日期搞错了几天, 不知这是否意味着心情尚未完全平复?
  4. 当然, 外尔的二分量方程式是针对无质量粒子的, 在中微子有质量的情形下并不完全适用, 不过这跟泡利的反对理由是两码事。 另外值得一提的是, 萨拉姆有关中微子方程式的文章在发表前曾给泡利看过, 泡利通过维拉斯转达的评价是: “请向我的朋友萨拉姆问好, 并告诉他思考点更好的东西。”
  5. 顺便介绍一下泡利的反对理由——主要有两条: 一条是: 电荷守恒, 能量动量有什么理由不守恒? 另一条是: β 衰变在表观上总是损失能量, 若能量果真不守恒, 有什么理由总是损失能量, 而从不增加能量?
  6. 泡利给中微子所取的名字是 “中子” (neutron), 这个名字不久之后被我们如今称为 “中子” 的粒子所 “占有”。 另外值得一提的是, 泡利所假设的中微子在具体参数上跟真实的中微子存在很大差异, 比如其质量被假定为与电子相当, 磁矩的上限被大大高估, 穿透能力则被大大低估。 但这些都是可以理解的, 在那样早期的阶段, 定性远比定量重要, 而中微子所具有的质量轻、 穿透性高、 磁矩小等性质在定性上基本都被涵盖了。
  7. 不过早在 1953 年, 中微子存在的早期证据就传到了泡利所在的苏黎世。 泡利兴奋地携几位同事登上了苏黎世附近的玉特利山 (Üetliberg), 并喝了不少红酒。 据一位同事回忆, 在下山途中, 泡利说了一句令他终生铭记的话: “记住, 所有好事都垂青于有耐心的人”。 不过, 中微子的发现直到 1995 年才获颁诺贝尔物理学奖, 已风烛残年但侥幸健在的莱因斯算是 “有耐心” 地等到了, 柯温却很遗憾地在 21 年前就去世了。
  8. 在粒子物理标准模型中, 中微子原本只存在左手 (left-handed) 态, 从而直接、 并且最大化地破坏了宇称对称性——被称为 “宇称的最大破坏” (maximal violation of parity)。 中微子被发现有质量之后, 情势复杂化了, 目前尚无扩展标准模型的唯一方案, 宇称的破坏有可能不再是最大化的, 但中微子的状态及相互作用依然是直接破坏宇称对称性的。
  9. 泡利与吴健雄相识于 1941 年泡利访问加州大学伯克利分校 (University of California at Berkeley) 期间, 对吴健雄的这一评价来自泡利 1957 年 8 月 5 日给荣格的信。 作为比较, 另两位有幸 (或不幸?) 与泡利交往过的华人物理学家——周培源和胡宁——从他那儿得到的评价就乏善可陈了: 周培源 1929 年在泡利处工作过, 泡利在接受普林斯顿高等研究院的询问 (因周于 1936 年申请到该院工作) 时表示: “我对他的科学才能没有太好的印象”; 胡宁 1944 年在泡利处工作过, 泡利在给朋友的信里表示: “胡只在数值计算上有用, 我很想把他赶走, 但不太知道能赶他去哪里”。
  10. 这件逸闻是李政道在给美国科罗拉多大学的科学史学家富兰克林 (Allan Franklin) 的信件中讲述的。

参考文献

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  3. N. Bohr, Collected Works (vol 9), (North-Holland Physics Publishing, 1986).
  4. C. P. Enz, No Time to be Brief: A Scientific Biography of Wolfgang Pauli, (Oxford University Press, 2002).
  5. M. Fierz and V. F. Weisskopf (eds), Theoretical Physics in the Twentieth Century, (Interscience Publishers Inc., 1960).
  6. R, P. Feynman, Surely You're Joking, Mr. Feynman!, (W. W. Norton & Company, 1997).
  7. A. Franklin, The Neglect of Experiment, (Cambridge University Press, 1986).
  8. G. Fraser, Cosmic Anger: Abdus Salam - The First Muslim Nobel Scientist, (Oxford University Press, 2008).
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  10. J. Mehra and H. Rechenberg, The Historical Development of Quantum Theory (vol 1 part 2), (Springer, 1982).
  11. J. Mehra and H. Rechenberg, The Historical Development of Quantum Theory (vol 3), (Springer, 1982).
  12. J. Mehra and H. Rechenberg, The Historical Development of Quantum Theory (vol 6 part 1), (Springer, 2000).
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  18. C. N. Yang, Selected Papers with Commentary (1945–1980), (W. H. Freeman and Company, 1983).
  19. 季承、 柳懷祖、 滕麗 (編), 《宇稱不守恆發現之爭論解謎》, (天地圖書, 2004).

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网友讨论选录

  • 网友: 王连涛   (发表于 2014-07-26)

    昌海的 Pauli 的错误写得很精彩。 我这里也来画蛇添足一下。

    首先, 涉及到瑞士理论物理学家 Ernst Carl Gerlach Stueckelberg (也许我们可以以后另外谈谈他的主要贡献)。 在 1935 年, 他提出如果有一个质量为电子 280 倍的粒子传播核力, 则可以解释为什么核力是短程力。 这其实就是我们现在熟知的 pi 介子, 和电子的质量比是 260 多。 接下来的故事我们可以猜到。 他和 Pauli 去讨论, 他的理论被称为是 “我所见过的最愚蠢的东西”, 并被警告说 “如果把这个理论拿去发表, 我对你的尊重就会消失”。 于是他就没有发表这个理论。 这个理论被 Hideki Yukawa (汤川秀树) 独立地重新发现。 汤川因此获得了 1949 年的 Nobel 奖。

    另一个 “险遭毒手” 的是 Bhabha, 不过经过有所不同。 Bhabha 本来是 Cambridge 的学生, 后来被导师送到 Pauli 那里学习。 不过 Pauli 一直认为他没有希望, 不理他。 正是在这段时间里, Bhabha 写出了后来被列入每一本教科书的被称为是 Bhabha 散射的文章。 当 Bhabha 把文章拿给 Pauli 时, Pauli 的答覆是 “如果这是你做的, 我就没兴趣看”。 后来, 绝望的 Bhabha 找到了 University of Zurich 的 Gregor Wentzel。 Wentzel 看了文章, 立刻认识到了其重要性。 于是他就拿了文章去找 Pauli。 Pauli 听说是 Bhabha 的东西, 还是不想听。 Wentzel 劝 Pauli 暂时假装认为文章是 Wentzel 写的, 这才说服 Pauli。

    看到 Pauli 的这些故事, 我有时觉得为什么那些人不直接忽视他的意见而发表文章。 我想原因肯定是尽管 Pauli 有不少著名的错误, 但是他对的时候更多。 只是这些对的事例很少被记录下来就是了。 这种 “总是对的” 的名望可能对那些直接在欧洲在他的鼎盛时期和他有过近距离相处的人来说更加刻骨铭心。 这也许是为什么他的反对对李和杨没能起那么强的作用的原因。

    另外, 我觉得创造性的工作在开始的时候往往看上去不一定很有希望。 这时候, 甚至需要有一种愚蠢的坚持和盲目的乐观去支持才能继续下去。 Pauli 的成就不如 Heisenberg、 Dirac、 Schrödinger 等等。 这里面当然有很多机缘巧合, 但是我想他的个性也有一定的关系。

    既然说到 Pauli, 在多掰几句。 Pauli 其实是一个很复杂的人。 比如, 他和 Jung (荣格) 一起研究梦的组成, 一起提出过量子力学的统计性和超自然力有关。 他们甚至一起研究了 Pauli 效应 和超自然力的关系。 这当然说不上一定是什么错误。 只能说 Pauli 不仅仅是物理学的良心那么简单, 也是复杂的, 也是一个人。

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