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科學(xué)家丨人生危機(jī)催生中微子假說(shuō) ──紀(jì)念物理大師泡利

稿源:南方人物周刊 | 作者: 施郁 日期: 2019-04-26

中微子是繼光子,、正電子之后第3個(gè)從理論上被預(yù)言的粒子,。用泡利自己的話說(shuō),中微子“是我人生危機(jī)的傻孩子”,。楊振寧先生認(rèn)為,,可能是正電子的發(fā)現(xiàn)給了泡利勇氣,對(duì)中微子假說(shuō)不再猶疑。但是事實(shí)上,,泡利當(dāng)時(shí)還沒(méi)認(rèn)可預(yù)言正電子的狄拉克理論,,雖然它基于“泡利不相容原理”

學(xué)過(guò)中學(xué)化學(xué)或者初步的量子力學(xué)的人,都知道有個(gè)泡利不相容原理,,它是解釋元素周期表的關(guān)鍵,。這是沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli)24歲時(shí)提出的,他是量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一,。1945年,,經(jīng)愛(ài)因斯坦提名,泡利因不相容原理獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。

泡利1900年4月25日生于維也納,。1958年12月15日,他在蘇黎世羅特科魯茲(Rotkreuz)醫(yī)院的137號(hào)病房去世,。1/137是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的近似值,,這個(gè)常數(shù)是他敬愛(ài)的導(dǎo)師索末菲(Arnold Sommerfeld)1916年引入的,表征電磁相互作用強(qiáng)度,,泡利一生為之困惑。 ?

作為20世紀(jì)物理學(xué)的天才大師,,泡利在58年的一生中對(duì)物理學(xué)作出了很多貢獻(xiàn),。為了紀(jì)念他去世60周年和誕生119年,我們?cè)谶@里追憶和探究他提出中微子假說(shuō)的過(guò)程和前因后果,。一方面,,這是物理學(xué)的一個(gè)重要事件,另一方面,,這段時(shí)期也是泡利人生中的一段非常時(shí)期,。

中微子是一種微觀粒子,在粒子物理中非常重要,,有關(guān)中微子的研究成果已經(jīng)獲得過(guò)好幾次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。以前曾經(jīng)認(rèn)為中微子沒(méi)有質(zhì)量,后來(lái)發(fā)現(xiàn)它們具有非常小的質(zhì)量,,大概只有電子質(zhì)量的幾千分之一,。中微子又非常難探測(cè),所以常被稱為“幽靈粒子”,。

泡利去世兩個(gè)月前,,給德?tīng)柌紖慰耍∕ax Delbrück)寫了一封信,回憶了很多事情,,其中提到,,中微子是“我人生危機(jī)(1930-1931)的傻孩子”。德?tīng)柌紖慰耸?929年哥廷根大學(xué)理論物理博士,后來(lái)轉(zhuǎn)向生物學(xué),,1969年因病毒的復(fù)制機(jī)制和遺傳結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)分享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),。

為了理解泡利所言,我們需要從β衰變說(shuō)起,。

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β衰變疑難與泡利假說(shuō)

1896年,,貝克勒爾(Henri Becquerel)發(fā)現(xiàn),鈾鹽能發(fā)出射線,,使包在黑紙中的照相底片感光,,這叫作放射性。兩年后,,盧瑟福(Ernest Rutherford)將當(dāng)時(shí)所知的兩種放射性射線稱為α和β,。同年,居里夫人指出,,放射性來(lái)自原子,。 1900年,人們知道了β射線就是湯姆遜(J. J. Thomson)于1897年發(fā)現(xiàn)的電子,。1910年,,盧瑟福提出原子由原子核和電子組成。1913年,,玻爾提出β射線來(lái)自原子核里的電子,。1914年,盧瑟福提出原子核由質(zhì)子和電子組成,。 ??

1926年,,克羅尼格(Ralph Kronig)發(fā)現(xiàn),這個(gè)質(zhì)子加電子的原子核模型有問(wèn)題,。首先,,如果原子核內(nèi)有電子,那么磁矩會(huì)很大,,與原子核外的電子之間就會(huì)有很強(qiáng)的磁力,,導(dǎo)致超精細(xì)結(jié)構(gòu)大得離奇,而這與事實(shí)不符,。

兩年后克羅尼格又發(fā)現(xiàn),,如果原子核內(nèi)部既有質(zhì)子也有電子,原子核的總自旋也與實(shí)驗(yàn)不符,。次年,,拉塞蒂(F. Rasetti)發(fā)現(xiàn),這個(gè)模型還使得原子核的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)不符,。量子粒子的自旋總是某個(gè)常數(shù)的半整數(shù)倍或者整數(shù)倍,,倍數(shù)為半整數(shù)的粒子叫作費(fèi)米子,,倍數(shù)為整數(shù)的粒子叫做玻色子,奇數(shù)個(gè)費(fèi)米子組成的復(fù)合粒子仍然是一個(gè)費(fèi)米子,,而偶數(shù)個(gè)費(fèi)米子則組成玻色子,。同一種費(fèi)米子不能具有相同的狀態(tài),同一種玻色子可以具有相同的狀態(tài),,這叫統(tǒng)計(jì)性質(zhì),。 ??

還有一個(gè)疑難更為著名,就是β衰變的連續(xù)能量譜,。在β衰變中,,一個(gè)原子核衰變?yōu)榱硪粋€(gè)原子核,放出一個(gè)電子,。因?yàn)樗プ兦昂竽芰亢蛣?dòng)量(質(zhì)量乘以速度)都守恒,,所以電子的能量應(yīng)該是唯一確定的。但是,,1914年,,查德威克(J. Chadwick)首先發(fā)現(xiàn),電子能量在一定范圍內(nèi),,各種大小都有可能,,所以叫作連續(xù)能量譜。1920年代,,艾利斯(C. D. Ellis)和伍斯特(B. A. Wooster)確定了這個(gè)現(xiàn)象,,梅特納(L. Meitner)等人也有貢獻(xiàn)。

為了解釋這些疑難,,1929年到1936年,,玻爾主張,,需要一個(gè)新的物理定律,,能量守恒定律只在平均意義上成立,類似于他以前與克拉默斯(H. A. Kramers)和斯萊特(J. C. Slater)的失敗理論,,那個(gè)理論試圖調(diào)和原子分立能級(jí)和光子概念與經(jīng)典電磁學(xué),。

1929年2月,泡利在給克萊因(O. Klein)的一封信中指出:“玻爾考慮能量守恒定律的違背,,是在完全錯(cuò)誤的道路上,。”

泡利自己解決β衰變疑難的方法記載于他1930年12月4日通過(guò)梅特納給一個(gè)放射學(xué)家會(huì)議的信,。這封信信息量很大,,在此翻譯如下:

“親愛(ài)的放射性女士先生們:

關(guān)于氮(N)和鋰(Li)6(譯注:6是原子核的質(zhì)量數(shù),現(xiàn)在我們知道是質(zhì)子數(shù)加上中子數(shù),,中子與質(zhì)子質(zhì)量差不多,,當(dāng)時(shí)只知道是質(zhì)子質(zhì)量的倍數(shù))原子核的“錯(cuò)誤”的統(tǒng)計(jì)定律和連續(xù)β譜,,我想到一個(gè)絕望的補(bǔ)救方法,能夠挽救統(tǒng)計(jì)定律以及能量守恒定律,。這就是,,原子核中可能存在一個(gè)電中性的粒子,我稱它為中子,,它的自旋是1/2,,滿足不相容原理,而且與光量子不同,,它不以光速運(yùn)動(dòng),。中子的質(zhì)量應(yīng)該與電子同一數(shù)量級(jí),而且肯定不大于質(zhì)子質(zhì)量的0.01倍,。假設(shè)β衰變時(shí),,1個(gè)中子和1個(gè)電子同時(shí)放出,它們的能量之和是常數(shù),,這就可以理解連續(xù)β譜,。

還有一個(gè)問(wèn)題,中子受到什么力,?在波動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上……中子最可能的模型似乎是,,靜止的中子是個(gè)磁矩為μ的磁偶極矩。實(shí)驗(yàn)似乎要求中子的電離效應(yīng)不能大于γ射線,,因此μ不能大于e×10-13cm,。

目前我不敢就此想法發(fā)表任何東西,所以私下詢問(wèn)你們,,親愛(ài)的放射性朋友,,如何在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)這個(gè)中子,如果它的穿透能力等于或者十倍于γ射線,。

我承認(rèn)從先驗(yàn)的角度,,我的方案不大可能,因?yàn)槿绻鼈兇嬖?,早就?yīng)該被看到,。但是敢拼才能贏,我的前任得拜(P. Debye)先生最近在布魯塞爾向我表達(dá)了連續(xù)譜問(wèn)題的嚴(yán)重性:‘哦,,就像新的稅一樣,,最好完全不去想它?!虼诵枰J(rèn)真討論每條拯救的道路,。——因此,,親愛(ài)的放射性朋友,,請(qǐng)檢查并判斷,。——不幸的是,,我不能親臨圖賓根,,因?yàn)?2月6日晚至7日有個(gè)舞會(huì),我必須參加……你們謙卑的侍者,,沃爾夫?qū)づ堇?。?/p>

1930年12月1日,,量子力學(xué)創(chuàng)始人之一海森堡(W. Heisenberg)給泡利的信中提到“你的中子”,,說(shuō)明泡利當(dāng)時(shí)已經(jīng)與海森堡討論過(guò)關(guān)于“中子”的想法。

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“我比狄拉克聰明,,我不會(huì)發(fā)表它”

但是泡利從來(lái)沒(méi)有就他的“中子”(即后來(lái)的中微子)假說(shuō)正式發(fā)表論文,。事實(shí)上,他在給放射學(xué)家會(huì)議的信發(fā)出幾天后,,12月12日給克萊因的信中又說(shuō),,因?yàn)椤爸凶印辟|(zhì)量與電子接近,而又必須通過(guò)磁矩與電磁場(chǎng)耦合留在原子核內(nèi),,所以它的磁矩與電子應(yīng)該大小相仿,,他寫道:“照理云霧室照片上有很多中子的痕跡……所以我不是太相信中子?!?/p>

1931年6月,,美國(guó)物理學(xué)會(huì)和科學(xué)促進(jìn)會(huì)在加州理工學(xué)院所在的帕薩迪納(Pasadena)召開(kāi)關(guān)于超精細(xì)結(jié)構(gòu)的研討會(huì),泡利就他的“中子”假說(shuō)作了演講,。他后來(lái)回憶:“這是我首次公開(kāi)報(bào)告我關(guān)于這個(gè)穿透力很強(qiáng)的中性粒子……但是似乎還不能肯定,,我沒(méi)有準(zhǔn)備將報(bào)告出版?!辈痪弥?,泡利又在密西根大學(xué)所在的安阿伯(Ann Arbor)的暑期學(xué)校上講了他的新粒子。

1938年,,泡利(左)與狄拉克?? 圖/CERN

10月,,在羅馬,,古德斯密特(Samuel Goudsmit)在其報(bào)告中提到泡利的假說(shuō),。古德斯密特正在作報(bào)告時(shí),泡利到達(dá)會(huì)場(chǎng),。泡利后來(lái)回憶:“費(fèi)米要我講我的新想法,,但是我仍然小心,沒(méi)有公開(kāi)講……只是私下講了,?!?/p>

12月,,泡利在紐約告訴拉比:“我認(rèn)為我比狄拉克聰明,我不會(huì)發(fā)表它,?!?個(gè)月前,就在泡利為中微子假說(shuō)猶疑期間,,狄拉克(P. Dirac)提出了正電子假說(shuō),。

1928年初,狄拉克從相對(duì)論性的量子力學(xué)方程(也就是他的狄拉克方程)中解出負(fù)能量解,,他先是認(rèn)為不符合物理,,直接拋棄。然后克萊因和仁科芳雄(Y. Nishina)的工作表明負(fù)能量解丟不得,。1929年底,,狄拉克又提出負(fù)能量海的概念,將其中的空穴解釋為質(zhì)子,。然而質(zhì)子質(zhì)量是電子的兩千倍,。狄拉克當(dāng)然知道空穴質(zhì)量應(yīng)該與電子一樣,但是他寄希望于電磁相互作用可能改變這一點(diǎn),。對(duì)此,,狄拉克后來(lái)說(shuō):“那時(shí)每個(gè)人都覺(jué)得電子和質(zhì)子是自然界僅有的基本粒子?!?/p>

1931年5月,,狄拉克終于在一篇文章中提出,負(fù)能量海的空穴是電子的反粒子——正電子,。1932年9月,,安德森(C. D. Anderson)發(fā)現(xiàn)了正電子,證實(shí)了狄拉克的預(yù)言,。

后來(lái)的人們,,對(duì)于粒子物理學(xué)家利用各種守恒定律預(yù)言新粒子習(xí)以為常。類似地,,凝聚態(tài)物理學(xué)家樂(lè)于預(yù)言各種新物態(tài),。但在當(dāng)時(shí),預(yù)言新粒子是非常具有革命性,、需要勇氣的,。除了質(zhì)子和電子,人們只知道愛(ài)因斯坦在早期量子論階段預(yù)言的光子,。

與泡利和狄拉克的躊躇相比,,愛(ài)因斯坦預(yù)言光子時(shí)的膽大心細(xì)顯現(xiàn)出他的特別。那個(gè)時(shí)候,,玻爾寧愿犧牲能量守恒原理,,也想不出可能存在新粒子,。難怪泡利將他的中微子假說(shuō)稱為“絕望的補(bǔ)救方法”。威格納(E. Wigner)也認(rèn)為這是瘋狂而有勇氣的,。

不過(guò),,即使正電子由安德森發(fā)現(xiàn)了,泡利還是不能接受狄拉克的理論,,他在給狄拉克的信中說(shuō):“即使反電子被證明,,我也不相信你的空穴理論?!币粋€(gè)月后,,又在給海森堡的信中說(shuō):“我不相信空穴理論,因?yàn)槲覍幵缸匀灰?guī)律在正負(fù)電之間不對(duì)稱,,而空穴理論將經(jīng)驗(yàn)上確定的不對(duì)稱轉(zhuǎn)移成初始狀態(tài)的不對(duì)稱,。”

1936年,,面對(duì)狄拉克理論的成功,,泡利接受現(xiàn)實(shí)但是仍然不服氣:“似乎成功站在狄拉克一邊,而不是邏輯一邊,?!?/p>

早在1931年夏天的密歇根暑期學(xué)校上,泡利就公然反對(duì)狄拉克,。當(dāng)時(shí),,奧本海默正在介紹狄拉克方程,泡利走到講臺(tái)上,,宣稱:“這都是錯(cuò)的,。” 奧本海默后來(lái)成為“原子彈之父”,,泡利只比他大4歲,,卻是一言九鼎的元老。這位少年天才,,25歲就提出不相容原理,,而且海森堡的很多工作還是在和他的討論中進(jìn)行的。

泡利不喜歡狄拉克理論的基本假設(shè)(真空狀態(tài)下,,電子填滿了無(wú)限多的負(fù)能量狀態(tài),,正電子是其中一個(gè)電子跳到正能量狀態(tài)后留下的空位),而且電子與電磁場(chǎng)相互作用還導(dǎo)致理論計(jì)算中出現(xiàn)的無(wú)窮大,。后來(lái)量子場(chǎng)論揚(yáng)棄了狄拉克的負(fù)能量海假說(shuō),,將正反粒子平等對(duì)待,,而重正化方法則處理了計(jì)算中的無(wú)窮大,。這些后來(lái)的發(fā)展反襯出泡利反對(duì)意見(jiàn)中的深刻,。

1927年,比利時(shí)布魯塞爾,,第五屆索爾維會(huì)議合影匯聚了物理學(xué) 的“全明星”,。 后排左起:皮卡爾德、亨利厄特,、埃倫費(fèi)斯特,、赫爾岑、德唐德,、薛定諤,、費(fèi)爾夏費(fèi)爾德、泡利,、海森堡,、富勒、布里淵,; 中排左起:德拜,、克努森、布拉格,、克萊默,、狄拉克、康普頓,、德布羅意,、波恩、玻爾,; 前排左起:朗繆爾,、普朗克、居里夫人,、洛倫茲,、愛(ài)因斯坦、朗之萬(wàn),、古伊,、威爾遜、里查森

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誠(chéng)實(shí)的保守者與批評(píng)者

1932年1月,,查德威克發(fā)現(xiàn)了我們現(xiàn)在所說(shuō)的與質(zhì)子質(zhì)量相近的中子,。值得注意的是,泡利最初為了同時(shí)解決β衰變的諸種疑難而提出他的“中子”時(shí),,認(rèn)為它與質(zhì)子和電子同為原子核的組成部分,,在原子核發(fā)生β衰變時(shí)和電子一起發(fā)出。而查德威克在發(fā)現(xiàn)中子之前就一直也用這個(gè)名詞。他和盧瑟福找了它12年,,他們認(rèn)為它是原子核的組分,,但是是質(zhì)子和電子的復(fù)合體。

所以作為原子核的組分,,泡利假設(shè)的“中子”和查德威克發(fā)現(xiàn)的中子是一致的,,雖然二者的質(zhì)量有天壤之別。難道原子核里除了查德威克的中子,,還有泡利的“中子”,?二者有何關(guān)系?這些問(wèn)題直到1934年才被費(fèi)米的β衰變理論解決,。他告訴人們?cè)雍藘?nèi)原來(lái)沒(méi)有中微子,,而當(dāng)查德威克的中子衰變時(shí),變?yōu)橘|(zhì)子,、電子和中微子,。這是費(fèi)米對(duì)物理學(xué)最大的理論貢獻(xiàn)。

1932年7月,,費(fèi)米(E. Fermi)在巴黎的一個(gè)會(huì)議上介紹了泡利的假說(shuō),。

1933年4月開(kāi)始,泡利采納費(fèi)米的建議,,改稱他預(yù)言的“中子”為“中微子”,。

1933年5月,艾利斯和莫特(N.F.Mott)提出β衰變能譜的上限是衰變前后原子核的能量差,。

1933年10月,,在第7屆索爾維會(huì)議上,艾利斯介紹了他和莫特的工作,。此時(shí)泡利公開(kāi)堅(jiān)定地介紹了中微子假說(shuō),,而且作了修改,放棄了關(guān)于它的磁矩的假設(shè),,也不再提它是原子核的組分,。關(guān)于泡利的這個(gè)演講的記錄,楊振寧曾經(jīng)評(píng)論說(shuō),,從現(xiàn)在來(lái)看,,每一點(diǎn)都是正確的。

楊振寧先生曾認(rèn)為:“一年前正電子的發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了狄拉克不可思議的空穴理論,,這也許給了泡利勇氣:畢竟空穴理論很大膽,,而且基于泡利的不相容原理?!钡俏覀兛吹?,泡利沒(méi)有因?yàn)榭昭ɡ碚摶谂堇幌嗳菰矶绊憣?duì)它的質(zhì)疑,而且這與中微子假說(shuō)無(wú)關(guān)。筆者認(rèn)為,,艾利斯和莫特的實(shí)驗(yàn)工作才是泡利不再猶疑的原因,。

不過(guò),即使在1933年10月的索爾維會(huì)議上堅(jiān)定了中微子假說(shuō)后,,泡利仍然始終沒(méi)有正式發(fā)表論文,。泡利一生中對(duì)種種新理論都非??量?,這也包括他自己的理論。我們還可以再舉三個(gè)例子,,一個(gè)關(guān)于別人的理論,,一個(gè)是關(guān)于他自己的理論嘗試,另一個(gè)是與別人的合作,。

自旋是量子粒子的一個(gè)重要性質(zhì),,導(dǎo)致原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。這是1925年兩個(gè)荷蘭青年烏倫貝克(George Uhlenbeck)和古德斯米特提出的,。比他們?cè)绱蟀肽?,克勒尼希曾?jīng)有過(guò)同樣的想法,但是沒(méi)有發(fā)表,,因?yàn)槭紫仍獾搅伺堇磳?duì)(后來(lái)玻爾,、海森堡和克拉默斯也表示反對(duì))。據(jù)說(shuō)因?yàn)檫@個(gè)原因,,電子自旋的概念提出沒(méi)有得到諾貝爾獎(jiǎng),。兩位青年物理學(xué)家因?yàn)檫@個(gè)成就獲得密歇根大學(xué)的教職,創(chuàng)立了上述密歇根暑期學(xué)校,。泡利等人的反對(duì)也是有原因的,,因?yàn)楫?dāng)時(shí)都將自旋當(dāng)作自轉(zhuǎn),于是為了解釋實(shí)驗(yàn),,這個(gè)自轉(zhuǎn)的速度必須超過(guò)光速,,而這是違反相對(duì)論的。

第二個(gè)例子關(guān)乎泡利自己的研究工作,。楊振寧先生認(rèn)為,,他對(duì)物理學(xué)最大的貢獻(xiàn)是“楊-米爾斯理論”,也叫非阿貝爾規(guī)范理論,,這是他和米爾斯1954年提出的,,將外爾(Hermann Weyl)1929年關(guān)于電磁學(xué)的阿貝爾規(guī)范理論做了推廣,提供一個(gè)描述關(guān)于質(zhì)子和中子的強(qiáng)核力的理論框架,。其實(shí)1953年,,泡利做過(guò)類似的嘗試,但是他自己旋即又放棄了這個(gè)理論,因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)這個(gè)理論中,,傳遞強(qiáng)核力的媒介粒子必須如光子一樣沒(méi)有質(zhì)量,,意味著強(qiáng)核力可以長(zhǎng)距離傳遞,而這與事實(shí)不符,。1954年,,楊振寧做了一個(gè)學(xué)術(shù)報(bào)告,介紹楊-米爾斯理論,,泡利在聽(tīng)眾中,,他表示了對(duì)這個(gè)理論的反對(duì)。但是楊振寧不顧泡利的反對(duì),,出于理論的美,,發(fā)表了這個(gè)當(dāng)時(shí)有問(wèn)題的理論。后來(lái)峰回路轉(zhuǎn),,經(jīng)過(guò)許多其他物理學(xué)家作的很多努力,,加入了其他思想元素(所謂的自發(fā)對(duì)稱破缺和漸進(jìn)自由),楊-米爾斯理論成了分別描述強(qiáng)相互作用和電弱相互作用(統(tǒng)一了電磁與弱作用)的理論框架,。

第三個(gè)例子是泡利與海森堡最后的合作,,泡利正確地發(fā)現(xiàn)這個(gè)理論是錯(cuò)的。1955年,,海森堡開(kāi)始研究一種非線性場(chǎng)論,,試圖統(tǒng)一所有的基本粒子和相互作用。泡利一直拒絕海森堡的合作邀請(qǐng),,但是1957年加入了合作,,到了年底,泡利對(duì)這個(gè)理論也充滿了熱情,。1958年1月,,他從瑞士來(lái)美國(guó)訪問(wèn)半年。在吳健雄的安排下,,泡利在哥倫比亞大學(xué)做了一個(gè)演講,,聽(tīng)眾中的年輕一代包括李政道、派斯(Abraham Pais),、楊振寧等,,他們覺(jué)得這個(gè)理論是荒謬的,泡利自己說(shuō)這可能是個(gè)瘋狂的理論,,在場(chǎng)的玻爾說(shuō)可能還不夠瘋狂,。4月份的時(shí)候,他在伯克利向海森堡表示退出合作,,并給同行們寫信說(shuō)明,。6月份在日內(nèi)瓦的一個(gè)國(guó)際會(huì)議上,,海森堡作報(bào)告時(shí),泡利提出了尖銳的批評(píng),。后來(lái)泡利還畫了個(gè)空白的長(zhǎng)方形寄給海森堡,,并寫道:“這是向全世界展示,我能畫得像……那么好,,只是缺少細(xì)節(jié),。”

歷史地看,,泡利對(duì)新理論的批評(píng)是有道理的,,反映了他的誠(chéng)實(shí)、保守和強(qiáng)大的功力,。但是有些他反對(duì)的新理論后來(lái)找到辦法繞過(guò)他當(dāng)時(shí)的反對(duì)理由,。另一方面,,雖然這些理論生存下來(lái)或者后來(lái)復(fù)活,,但也不能改變泡利當(dāng)初批評(píng)的合理性。

日本超級(jí)神岡中微子探測(cè)器,,盛有5萬(wàn)噸100%超純水,,用來(lái)探測(cè)宇宙中的中微子和質(zhì)子衰變。它建于地下1000米,,以避免宇宙射線干擾

泡利批評(píng)別人是不留情面的,,他對(duì)非常錯(cuò)誤的東西的說(shuō)法是“錯(cuò)都算不上(not even wrong)”,這是非常尖刻的,。泡利的前妻1974年作過(guò)一個(gè)生動(dòng)有趣的描述:

“泡利和我在蘇黎世結(jié)婚時(shí),,他總是告訴我他在世界物理學(xué)界真是非常重要。他經(jīng)常像一頭籠中的獅子在屋里走動(dòng),,將他給別人的回答用最諷刺而機(jī)智的方式表達(dá)出來(lái),。這給了他極大的滿足?!?/p>

但泡利的批評(píng)是真誠(chéng)的,,如果發(fā)現(xiàn)自己批評(píng)錯(cuò)了,就率直地承認(rèn),。比如,,1929年,外爾用量子論將他10年前的規(guī)范理論修改為正確的規(guī)范理論,,先發(fā)表了一個(gè)概要,,又發(fā)表了一篇詳細(xì)的論文。泡利見(jiàn)到概要后,,寫了篇諷刺的信給外爾,,但是看到后者后,,寫信給外爾致歉。而且泡利成了規(guī)范理論的主要倡導(dǎo)者,,后來(lái)又曾嘗試將其推廣為非阿貝爾規(guī)范理論,。

泡利擁有一絲不茍的求真態(tài)度、強(qiáng)大的能力,、對(duì)物理學(xué)的全盤掌握和深邃的眼光,,這減少了記在他名下的成就。他自己的有些研究工作,,因?yàn)樗吹煤苓h(yuǎn),、看到缺點(diǎn),在完成或發(fā)表之前就放棄了,,然后被其他人再發(fā)現(xiàn),。

1946年,泡利曾經(jīng)跟派斯談起自己找研究題目的困難,,然后說(shuō):“也許因?yàn)槲抑赖锰嗔?。?958年,,他又對(duì)物理學(xué)史家梅拉(J. Mehra)說(shuō):“我年輕時(shí)覺(jué)得自己是最好的形式主義者,,是個(gè)革命者,當(dāng)大問(wèn)題來(lái)時(shí),,我會(huì)解決它們發(fā)表出來(lái),。然后大問(wèn)題來(lái)了,過(guò)去了,,被其他人解決了發(fā)表了,。我是個(gè)保守者,不是革命者,?!?/p>

這樣的自我評(píng)價(jià)或許過(guò)于悲觀了,“保守者”的說(shuō)法恰恰佐證了他的這種批評(píng)眼光,。公正地說(shuō),,泡利對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)超出明確記在他名下的成果,還體現(xiàn)在他的批評(píng)中,。

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最初勇氣的來(lái)源

泡利作出中微子假說(shuō)這種革命性舉措,,可以說(shuō)與他通常的風(fēng)格很不一致,那么什么因素促使他終究還是作出了中微子假說(shuō),?“人生危機(jī)(1930-1931)的傻孩子”指的是什么,?

做出中微子假說(shuō)的3年前,泡利的母親于1927年11月15日自殺,,這導(dǎo)致他停止去教堂,。而在給放射學(xué)會(huì)議的信發(fā)出前幾天,,1930年11月26日,泡利剛剛結(jié)束短暫而不幸的婚姻,。它僅持續(xù)了11個(gè)月,,泡利在婚后寫給克萊因的信中稱它是“松散”的 。這給了他很大的打擊,,導(dǎo)致他酗酒,、抽煙。 泡利在給放射學(xué)會(huì)議的信中說(shuō)他不能參加會(huì)議,,因?yàn)橐獏⒓右粋€(gè)舞會(huì),。這是當(dāng)時(shí)蘇黎世的一個(gè)大型舞會(huì),正好反映了他要主動(dòng)走出幾天前離婚的痛苦,。

1954年瑞典隆德物理研究所的落成典禮上,,泡利(左)和玻爾在玩陀螺圖/American Institute of Physics

泡利在父親的建議下,開(kāi)始見(jiàn)精神分析師榮格(Gustav Jung),,閱讀他的著作,。1932年1月開(kāi)始,在榮格的安排下,,泡利經(jīng)常寫信描述自己的夢(mèng)境,,也傾訴很多個(gè)人信息,,先是給榮格的一個(gè)學(xué)生,,幾個(gè)月后給榮格本人,一直持續(xù)到1934年10月,,當(dāng)時(shí)泡利已再婚半年,。榮格認(rèn)為分析是成功的,曾經(jīng)在幾個(gè)演講和作品中匿名討論泡利的情況,,包括泡利的夢(mèng)境,。在某個(gè)演講中,榮格說(shuō):

“我有個(gè)案例,,關(guān)于一個(gè)大學(xué)教授,,一個(gè)單面性的知識(shí)分子。他的下意識(shí)出了麻煩,,被激發(fā)了,;所以它指向了貌似他的敵人的人,他覺(jué)得非常孤獨(dú)……然后他開(kāi)始酗酒……但是他非常易怒……有一次被趕出餐館還被揍……他找我尋求建議……在那次會(huì)面中,,我得到非常清晰的印象:我看到他充滿了古舊的東西,,我對(duì)我自己說(shuō):‘我要做一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn),不用我的影響就將他的東西變得絕對(duì)純凈……’所以我將他介紹給一位女醫(yī)生,,她是個(gè)新手,,對(duì)原始材料了解并不多……他告訴她觀測(cè)自己的夢(mèng),,他將它們仔細(xì)記錄下來(lái)……我現(xiàn)在有他113個(gè)夢(mèng)的記錄……他還畫下夢(mèng)中所見(jiàn)……他與那位醫(yī)生交流了五個(gè)月,然后三個(gè)月自己做這些事,,繼續(xù)仔細(xì)觀察自己的下意識(shí)……后來(lái)兩年中,,見(jiàn)了我?guī)状巍詈笏闪送耆:秃侠淼娜恕,!?/p>

榮格對(duì)泡利的精神分析結(jié)束時(shí),,泡利說(shuō)這結(jié)束了他的前半生。他在給榮格的信中說(shuō):“在我的前半生中,,我對(duì)別人來(lái)說(shuō),,是個(gè)諷刺者、冷酷的魔鬼以及狂熱的無(wú)神論者和知識(shí)導(dǎo)師,?!?/p>

在后半生中,泡利早餐時(shí)給妻子講述他的夢(mèng),,然后寫下來(lái),。但是他妻子覺(jué)得這些夢(mèng)被潤(rùn)色了,銷毀了這些記述,,除了寄給榮格的,。

看來(lái)人生的危機(jī)有時(shí)也能刺激出創(chuàng)造力的迸發(fā),特別是對(duì)于泡利這種為物理創(chuàng)造而生的人,。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論,、引力波預(yù)言、量子電磁輻射理論等成就也誕生于人生危機(jī)中,。

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(本文作者為復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授,;參考文獻(xiàn): Pais A《Inward Bound》;Yang C N《Fermi’s β decay theory》,;Enz C《No Time to be Brief》)

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南方人物周刊 2025 第836期 總第836期
出版時(shí)間:2025年06月30日
 
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