从物理学大师的失误中我们能获得的感悟和启迪是什么?

赵松年,于允贤

(1. 中国科学院大气物理研究所,北京 100029;2. 国家地震局减灾中心,北京 100029)

名人的重大或关键失误,对于受儒教文化熏陶的国人来说,往往认为是尊者之讳,很少分析、讨论和谈论;对于西方人士而言,一般认为是个人隐私,在利益的驱使下,自然也不愿意谈论.即使在科学史中,谈论这类问题,往往担心被看作是个人矛盾或利益冲突,也只是轻描淡写,一提而过,少有深刻详尽的分析;散见于期刊杂志上的文章,大都是以名人轶事的方式出现,客观而有见地的分析很少,即是想阅读这些资料,也很难搜集和全面了解.

量子力学创立之后,一批年轻的学者,竞相研究,激烈竞争,你追我赶,与经典力学大不相同的新观点大量涌现,不同学派和团体之间,彼此之间既有争论,也有交流;分布在欧洲几个大城市(如柏林,苏黎世,哥廷根,哥本哈根)的大学中,学习物理学的也就二三十个年轻人(比现在的物理研究所的规模小多了,当时,就连爱因斯坦的量子论文的阅读量也不超过20),就是在这样的大背景下,天赐良机,由黑体辐射公式催生的量子论不断发展,造就了一批量子精英,他们除了具有创新的巨大热情外,基础知识并不扎实,也不全面,更谈不上数学水平有多高;但是,随着量子论发展到量子力学,这批年轻精英也逐渐成长为被后人誉为大师级的物理学家,所有这些精英都获得了诺贝尔物理学奖,这是一个不可复制的特殊年代.发生在这个年代的科学事件,自然引人注目,也是科学历史长久不衰的论题.

本文正是从这一时期的量子力学大师的著名失误,来思考我们能从中得到什么启迪,获得什么教义和经验?这当然是一孔之见,管中窥豹,难免有失偏颇,既如此,本文的意义何在?

在众多的赞美之词中,很难看到对大师们失误的论及,即使有也只是轻描淡写,本文与此不同之处在于,没有把这些“失误”完全看成是通常意义下的失误,而是看成宝贵的科学遗产,更是当作科学家吸取教训的遗产,进而学习和从中获得宝贵的教训.本文选择不同时期、不同类型和有不同代表性的事例,根据失误的表现方式和个人性格特点,分成尖刻型(泡利)、武断型(朗道)和粗暴型(惠灵顿)三类,展开分析和讨论,同时介绍一些相关的物理知识,利于阅读和理解,并与读者共享这些大师的逸闻趣事.

尽管有些事例散见于不同年代的期刊杂志,读者现在已经很难搜集在一起阅读,为此,本文提供了比较有代表性的事例,方便读者阅读、比较和思考;此外,还顺便提到了引力波问题中,爱因斯坦的傲慢态度和罗伯逊的君子风度之间的碰撞,也许,读者能从中多少了解一些伟人的另一面.

1 电子自旋实验:机遇和挑战

量子力学初创之后,有一个非常重要的实验,就是施特恩-盖拉赫实验[1,2]：将光源置于强磁场中,光谱线会发生分裂(1896年塞曼发现的效应),那么,其它原子束若通过强磁场,会发生什么现象?1922,德国的施特恩和盖拉赫进行了一个重要实验(SG实验),如图1所示[3],高温炉K中被加热的银原子汽化,从炉壁开口射出,经过准直器和形状特殊的磁铁N-S形成的不均匀磁场(方向沿着z轴),银原子束在磁场中分裂成只有向上或向下偏转的射束,最后在特殊的玻璃板(胶片)P上形成向上、下方向偏转的、如图1下方所示的眼形线斑.由于空间是均匀和各向同性的,当磁场方向沿着x轴时(SGx),银原子束的偏转方向是前和后(见图中坐标系指向),当磁场方向与y轴一致时(SGy),其偏转方向则是左和右(或东和西).在这个实验的基础上,继续进行的S-G级联实验,如图2所示.

图1 施泰恩-盖拉赫实验(SG实验)示意图

图2 S-G装置的级联实验

然而,实验观测到,在磁场B中会产生一个磁矩μB,根据S-G实验,在z方向(即在磁场B的方向)的投影是:±ћ/2,这将会使沿y方向的银原子束,在z方向上偏移(图1),在玻璃胶片上形成上下分开的眼形线斑,至于磁矩μB是如何产生的,银原子束为什么会出现上下分裂,在玻璃胶片上呈现出上下相隔的2个线斑图,这是经典力学和量子论均无法解释的现象.

在该实验之后的3年中,科隆尼克和埃伦费斯特的研究生乌隆贝克、古兹米特(莱顿大学),在分析光谱线精细结构,也就是正常光谱线再分裂的现象时(如:塞曼光谱线),可能想到了S-G实验,如果电子有自旋,在银原子束中,自然各有50%的正向旋转,50%的反向旋转,自然会形成磁矩μs=MB,如果假定电子有自旋角动量S,在z方向的投影记为Sz,Sz=±ћ/2,则计算结果与此完全符合,自旋磁矩与自旋角动量二者之比是

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正好抵消了多出的因子2,泡利和海森伯也放弃了原来的反对意见,就这样,电子自旋这一极为重要的概念正式诞生了(而科隆尼克只好遗憾地与此失之交臂)[4].计算电子在自旋情况下的旋转速度,似乎很神秘,其实只是一些很简单的乘除运算,那为什么泡利、海森伯和洛伦兹想到了,而科隆尼,乌隆贝克、古兹米特却没有想到呢?这当然是很奇怪的事.当时,地球绕太阳转,而又自转是大众的科普知识,他们不可能不知道,如果电子有自旋,问一下自旋的速度是多少,那再自然不过了,可为什么这个情况没有出现呢?我们不知道.以上的近似计算结果显示,电子自旋的速度远超过光速,说明设想电子具有自旋角动量是不合理的,但是,S-G实验却有力地支持电子具有自旋特性,二者矛盾的症结是什么?在计算电子速度时,将电子在磁场中的势能看成与质能公式E=mec2相当,这样处理,似乎并不合适,这是将经典力学用相对论来处理的结果(只有狄拉克相对论场方程才能正确解释电子的自旋特性),电子自旋到底是什么样的运动,目前,在理论上和实验上,都没有更清楚的了解,已有的解释只能算作是初步的,它包括两方面:物理解释和数学描述.对于电子、正电子、质子、中子、中微子、μ子、超子,它们的自旋量子数s都是±1/2;光子的自旋量子数s是1;π介子、K介子、η介子的自旋量子数s是0.既然自旋是一种旋转运动方式,它的上旋与下旋2个状态,不妨看成右手坐标系与左手坐标系的交替(在均匀和各向同性的空间中,各个取向,从绝对意义上是不可分辨的,因而,自旋在任何方向上都只有彼此相反的2个状态),至于如何引起这种交替,自然和不均匀磁场有关,是否可以看成是粒子内禀空间属性的纠缠态,因为粒子内部空间属性目前并不清楚,单就它的取向而言,与磁场有关是显然的,这未尝不能看作是一种解释呢?

纵观上述,自旋角动量无非是双态的波函数,它的本征值是msћ,而态矢量是|s,ms〉.其实,无论是主量子数、角量子数、磁量子数,还是自旋量子数,都是从本征方程衍化而来,就是由它们确定各自相应的本征值.值得强调的是,如果自旋是内部空间的特性,那么,它必将成为描述波函数的一个重要的空间参变数.

双态波函数的态矢量表示式为:|ψ〉=α|+〉+β|-〉或者|ψ〉=α|↑〉+β|↓〉,也可以利用无限小转动算符表示,由于波函数可以看作是态空间中的态矢量,计入自旋角动量之后,完整地描述就是在坐标空间r(x,y,z)和自旋空间S(s,ms)中表示.

2 正电子:概念的冲突

1925年,狄拉克提出他的相对论场方程,其中两个解给出了电子的±1/2自旋态,另外两个解对应于正负电子.由于出现正电子,在当时的物理圈子(这里不用物理学界一词,实在是因为人数太少,说圈子比较符合当时的情况)引起轩然大波,遭到玻尔、泡利、朗道等人的强烈反对,狄拉克是一个不拘言笑、沉默寡言的人,也是一个无名的年轻人,在几年中狄拉克都未能让反对者信服,但是,他相信一个物理定律必须具有数学美,审视他的方程,简单、和谐和美的统一跃然于纸上,使人感受到一股巨大的冲击,方程很自然地得出自旋的结果,就说明它是正确的,能够获得时间的考验[5]：果然,实验最后起了作用,1932年安德森(C. D. Anderson)用云室观察宇宙线时发现了正电子,不久P. M. S.布莱克特又在云室中发现电子与正电子的产生和湮灭,这才使反对者改变态度接受狄拉克的反物质理论.那么,这里要问一句,反对者之中不乏认定物理方程的美学价值的人,也在各处大谈这个观点,狄拉克方程的简单与和谐之美显然可见,那为什么他们起劲地反对呢?只能说是此一时彼一时吧!

既是狄拉克成名之后,爱因斯坦也从未向诺贝尔奖委员会推荐过他[3,6],但是却多次推荐了其他量子精英,这是为什么?

3 孤独的钱德拉塞卡,被撕碎的讲稿飘落在会议大厅中

1930年,19岁的印度青年学生钱德拉塞卡,因成绩优异获得政府奖学金,只身乘船前往英国剑桥求学.他对星体的结构和演化非常入迷,当时天文学界认为白矮星是一切恒星演化过程的最终阶段,在十几天漫长的航行途中无事可做,他就对这一问题进行思考,经过仔细计算,得出一个初步结果,表明当恒星质量超过某一上限,也就是太阳质量的1.44倍时,它的最终归宿将不会是白矮星,而是塌缩成中子星、在成为超新星之后成为黑洞,这个1.44倍的太阳质量就是钱德拉塞卡极限.

来到英国,钱德拉塞卡师从爱丁顿(Arthur Stanley Eddington),继续在星体结构和演化方面深造,那时的爱丁顿已是剑桥大学天文学和实验物理学终身教授,剑桥大学天文台台长,英国皇家学会会员,声誉正隆.经过在剑桥的学习,钱德拉塞卡逐步完善了自己的发现,而爱丁顿建议他在1935年皇家天文学会的会议上宣读自己论文,报告自己的研究结果;时年24岁的青年钱德拉塞卡感激导师爱丁顿的关爱,给与他如此难得的机会,终于得到宣读自己论文的机会.

当钱德拉塞卡在会上宣读完自己的论文后,看到导师爱丁顿走上讲台,自然热切希望能得到导师、当时天体物理学界的权威的赞扬.爱丁顿要过钱德拉塞卡的讲稿,不是赞扬,而当众把讲稿撕成两半,宣称其理论全盘皆错,原因是他得出了一个“非常古怪的结论”. 会场哗然,接着听众顿时爆发出笑声.会议主席甚至没有给钱德拉塞卡答辩的机会,情况如此激烈地反转,使这位24岁的青年不知所措,不知如何应对在大庭广众面前被羞辱的尴尬、难堪场面.在这之后的几年里,没有一个权威科学家愿意站出来支持钱德拉塞卡.最后,他终于明白:不仅应该完全放弃这个研究课题,而且也无法继续留在剑桥大学.在1937年转到芝加哥大学以后不久,他把自己的理论写进了一本书里,就不再去理会它.

现在,说一说爱丁顿,他在1938年担任了国际天文学联合会主席,直到去世.他在晚年仍然激烈地反对钱德拉塞卡提出的关于白矮星的最大质量限界理论,钱德拉塞卡是他的学生,不知为什么会如此念念不忘,竭力反对;其实,原因可能很简单,一旦存在1.44倍太阳的质量极限被证实,超过这个界限,恒星的坍塌会形成中子星,那么,爱丁顿的理论就不再有价值,恐惧和嫉妒充斥着他的头脑和支配了他的情绪.

由于第一次世界大战结束后,爱丁顿作为英国的科学家带领观测队到西非普林西比岛,观测1919年5月29日的日全食时光线经过太阳引力场时的弯曲,以便证实交战国德国科学家爱因斯坦的预言,爱丁顿的观测证实了爱因斯坦的理论,立即被全世界的媒体报道,已经誉满天下,当时有一个传说:有记者问爱丁顿,全世界是否只有3个人真正懂得相对论,爱丁顿回答“谁是第3个人?”,可见已经非常自大,他又写了大量科学普及读物,如《膨胀中的宇宙》,介绍爱因斯坦的广义相对论,使它传播到了讲英语的国家之中.他的《相对论的数学原理》 受到爱因斯坦的称赞,认为这本书是“在所有语言中表达这个主题最好的版本”.这样,他的声誉如日中天,没有必要与钱德拉塞卡过不去,1935年皇家天文学大会对自己的学生粗暴无礼,已经有失皇家大科学家的身份和人格,现在变本加厉,如此何为?

钱德拉塞卡移居美国芝加哥大学,成为艾默瑞特斯教授,非常敬业,据说有一次他往返200英里去为他的学生上课,可是由于暴风雪,当他赶到教室的时候发现,只有2名学生在等待他的出现,这两名学生正是于1957年获得诺贝尔物理学奖的李政道和杨振宁. 差不多30年后,这个后来被称为“钱德拉塞卡极限”的发现得到了天体物理学界的公认. 然后又过了20年,钱德拉塞卡获得了诺贝尔奖,从被羞辱到1983年,几乎半个世纪过去了,当他从瑞典国王手中接过诺贝尔奖章时,已是两鬓斑白的垂暮老人.

回顾年轻时所受的挫折、羞辱和坎坷不平的求学之路,钱德拉塞卡已经完全理智地感悟到,“假定当时爱丁顿同意自然界有黑洞……这种结局对天文学是有益处的”(对科学的好处).“但我不认为对我个人有益.爱丁顿的赞美之词将使我那时在科学界的地位有根本的改变……但我的确不知道,在那种诱惑的魔力面前我会怎么样”(对个人的利弊).当然,如果爱丁顿很早就接受了钱德拉塞卡的理论,二人合作,那对天文物理学的发展将有不可估量的贡献,何至于等待半个世纪呢!钱德拉塞卡不无感慨地说道,这些成功的人,例如爱因斯坦,“对大自然逐渐产生了一种傲慢的态度”,这些人以为自己有一种看待科学的特殊方法,并且这种方法一定是正确的.但实际上,“作为大自然基础的各种真理,比最聪明的科学家更加强大和有力”.当爱因斯坦说“上帝不掷骰子”时,玻尔立刻反驳说“不要指挥上帝”,二者表达的意思是一样的.

图3 爱丁顿与爱因斯坦的会面

值得一提的是,这并不是一个孤例,19世纪末至20世纪初,数学界的代数数论名家,柏林和巴黎科学院院士L. 克罗内克和他的学生,集合论创始人G. 康托尔的情况更甚,L. 克罗内克利用他的行政高位反对G. 康托尔的创新的集合论,禁止当时德国的一切杂志刊登G. 康托尔的文章,几乎将G. 康托尔的逼疯,但是,并没能阻止集合论的蓬勃发展,正是野火烧不尽,春风吹又生,学术界的专断造成的危害值得科学名家警惕啊!

4 引力波是否存在?傲慢态度与君子风度的碰撞

事情是这样的, 1936年爱因斯坦与助手罗森(N. Rosen)合写了一篇论文“引力波存在吗?”,提出引力波不存在的结论,否定了1916年根据广义相对论预言的引力波,得出这个结论的原因主要有两点,其一是数学方面,如果一个电荷在空间来回移动,也就是震荡,自然会产生电波;如果一块石头在池塘中来回移动,同样会形成涟漪的水波向远处散开,据此,爱因斯坦和罗森计算了类似于水波涟漪的平面波,由于坐标系的选择不适合,遇到奇点,表示这类解不存在;其二是物理学方面,根据广义相对论的引力方程:

左边是空间曲率张量,右边是物质张量(即:应力、动量、能量张量),正像爱因斯坦的朋友,物理学家惠勒(J. A. Wheeler)生动形象地说明,物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动.爱因斯坦认为物质产生时空弯曲的效果非常微小,物质运动形成空间弯曲的变化更是可以忽略,由此,他们得出引力波不存在的结论.这篇文章投递到美国的著名期刊《Physical Review》(物理评论),那时爱因斯坦为了躲避希特勒对犹太科学家的迫害,移居美国普林斯顿高等研究院已经3年了,仍然不知道学术期刊的同行评审制度,该期刊将爱因斯坦和罗森的论文交给著名的宇宙天文学家罗伯逊(H. P. Robertson)审稿,评审人极为认真地阅读和评审了这篇论文,写了足有10页的意见,编辑部以匿名的方式将这份评审意见转交给爱因斯坦,看过评审信,爱因斯坦大为光火,不顾著名科学家应有的风范,很不客气地给编辑部写了一封回信:“我们(罗森先生和我)把文章发给你是用来发表的,并没有授权你在出版之前给其他专家看.我觉得没有必要回复匿名专家的这些意见--无论如何都是错误的. 基于此,我将在别的地方发表这篇文章”,爱因斯坦将原文转投到《富兰克林研究所杂志》,幸运的是,这位评审人罗伯逊具有君子风度和认真负责的高贵品质,他辗转找到熟悉爱因斯坦的朋友、波兰物理学家因费尔德(与爱因斯坦合作写过一本《物理学的进化》),详细、友好而善意地解释了那篇文章中的错误与如何消除这些错误的方法,请因费尔德以匿名评审人的方式转告爱因斯坦,因费尔德将这些意见转告了爱因斯坦,可以确信,这些评审意见起了作用,沿着评审意见思考之后,爱因斯坦发现自己的确错了,在临出版前从《富兰克林研究所杂志》撤回了论文,修改后以“关于引力波”的题目再次投稿,正是采用了罗伯逊建议的改变坐标系的办法,消除了奇点造成的平面波无穷大,在文章最后的致谢中向不具名的朋友表示感谢[7]. 罗伯逊的评审与后续的恰当处理,使爱因斯坦避免了一个重大的错误[8]. 不难看出,爱因斯坦出名之后,显然表现出名人具有的傲慢态度.正像泡利在1955年新版的《相对论》序言中写道:“我认为相对论可以作为一个例子,用来证明一个科学发现,尽管有时还要遭受到它的创始者的阻力,也会沿着它本身自发的途径,而进一步得到蓬勃的发展”,经过媒体、科学史家、名人传记与各类记者在报章杂志上的大量扩大宣传,爱因斯坦成了冉冉升起的世纪之星,他也难以抵挡无止尽的渲染,不自觉的成为创新思想的阻力,他不相信核能能够利用,不相信宇宙中的黑洞,也与当时蓬勃发展的量子力学形成隔离,也不看好狄拉克在相对论与量子力学结合方面做出的突出贡献,从未向诺贝尔奖委员会推荐过狄拉克,而是多次推荐过薛定谔、玻恩、德布罗意、泡利和海森堡,傲慢与偏见成了他的一种处世常态.深厚的儒家文化已经总结出成大事者,除了超强的创新欲望和睿智的头脑,还必需具有天时、地利与人和的重要条件,如果爱因斯坦不是生在德国,早5年或者晚5年出生,那自然就是另一番情景了,处于不同层次、不同领域的各级名人如果理解这一点,就可以避免成为发展中的阻力.

5 沙皮罗的论文:被抛弃的宝石

朗道[列夫·达维多维奇·朗道(Lev Davidovich Landau,1908—1968年)自称是20世纪最后一位全才的物理学家,由他策划、撰写的《朗道物理十卷》更是享誉世界物理学界和高等教育界的精品,朗道多次获得各种最高奖章和荣誉称号,在他50岁生日时,苏联理论物理研究所赠送给他用大理石雕刻的朗道十诫,记录了他的科学贡献:1) 引入了量子力学中的密度矩阵概念(1927);2) 金属的电子抗磁性的量子理论(1930);3) 二级相变理论(1936—1937);4) 铁磁体的磁畴结构和反铁磁性的解释(1935);5) 超导电性混合态理论(1943);6) 原子核的统计理论(1937);7) 液态氦Ⅱ超流动性的量子理论(1940—1941);8) 真空对电荷的屏蔽效应理论(1954);9) 费密液体的量子理论(1956);10) 弱相互作用的复合反演理论(1957).

朗道曾经抱怨自己没有出生于上世纪20年代,没能赶上物理学史上黄金时代的淘金行动,没有机会与海森伯、薛定谔、索末菲和狄拉克等幸运者一起建立量子力学,对于自己没能赶上量子力学的创建,感到极度惋惜,那时,三流的物理学家可以做出一流的结果,后来,一流的物理学家只能做三流的工作.朗道慨叹生不逢时,言外之意就是,他要是赶上本世纪初物理学的革命时期,也就是相对论的创立、量子论的诞生,以他的聪明才智,对物理知识的领悟和创新能力,使他跻身于爱因斯坦、玻尔这样的世界级大师之列也并非是幻想.一般而言,如此自负、如此高傲、科学声望如日中天的朗道,生活在苏联时期,自然会养成特殊的优越感,行事作风武断专横,越来越难于和其他科学家共事,就连他的学生栗弗席兹,合著完成了9大卷理论物理学教程,也难免被朗道下逐客令,变得与栗弗席兹势不两立,不许在他面前提起栗弗席兹的名字(尽管与他当时出了车祸,受其夫人的挑唆有关,不过这是很次要的因素)[9].

在个人的工作作风方面,朗道的那种自以为是的表现就往往显得有些弊大于利了.他常常凭着自己智力上的强大优越感,对自己缺乏克制能力,往往是固执己见,很难商量,这种缺乏开放的强硬态度,不但给同事留下了强烈的不良印象,也使他自己犯下了一系列不应该犯下的失误.我们仅以朗道对英国物理学家狄拉克的态度为例:本世纪20年代,狄拉克通过自己的独立研究提出了重要的粒子空穴概念,得到了物理学界的好评.而朗道对这一重要理论的评价却只有两个字:“废话”.与此同时,他还把他所不喜欢的别人的研究理论,统统称之为“病态”.他和前苏联理论物理学家伊凡宁柯本来是很好的科研伙伴,2人曾合作发表过5篇论文,但后来却主要由于朗道的个人性格缺陷而使这一友谊演变成了“病态”的关系.由于和伊凡宁柯的分裂,在选编朗道论文集时,他坚决反对把他与伊凡宁柯合作的论文纳入其中,也决不允许伊凡宁柯再参加他的研究讨论会.心胸狭窄的朗道甚至发展到谁要是在他面前提到伊凡宁柯的任何著作,露出赞赏的神情,谁就会招来朗道无名的怒火.如果仅仅是和某一两个科学家合不来倒也情有可原,但朗道的这种自以为是的工作作风随着其科学地位的不断上升也愈演愈烈,最终导致朗道犯下不可饶恕的失误.

本文在这里强调的是,1956年,那时的苏联物理学家沙皮罗(I. S. Shapiro)通过对介子衰变的研究,提出介子衰变中宇称不守恒的新看法.当沙皮罗把他的这一重要发现写成论文,交给朗道审阅时,过于自负的朗道只是冷冷地一笑,就随手把它扔到了一边,这本来是一项极其重大的科学发现,但是朗道对于沙皮罗的发现却认为没有意义,并认为宇称不可能不守恒.他哪里知道,此时被他扔掉的不仅仅是沙皮罗的一篇论文,而是一项诺贝尔奖级的成果.我们没有见到沙皮罗的原始论文,那时没有负责人或者导师的同意,论文是不能投寄到科学期刊的,编辑部要求所属研究机构的证明文件,这就极大地限制了研究者个人的能动范围,也是酿成个人悲剧的原因.与朗道这样的高层霸道的科学家争论,除了毫无效果,还会引火烧身,自讨无尽麻烦.

朗道虽然在科学上取得了空前的成功,但是他的声名则主要限制在学术圈内.由于朗道的“学阀”作风,有些被他“枪毙”掉的论文,后来被证明是极重要的,朗道留下了太多的遗憾,让后人为他惋惜,朗道的才华和成就使他过于自负．对自己的智慧和直觉产生了太大的自信,开始目空四海,在他眼里世界上没有几个他看得起的物理学家.他当了苏联科学院物理学部的主任后,科学研究中更加固执、武断,缺乏民主精神.人们常常把他和泡利相提并论,但是,在不留情面和语言的尖刻方面,郎道甚至比泡利有过之而无不及.

图4 朗道正在看文献

6 宇称不守恒:凯旋时刻的华夏巾帼英雄

1957年1月30日,在美国纽约的一个大旅馆的告大厅里,通过注册参加会议的就有3000多人,水泄不通,真是盛况空前,来听报告的人是一票难求,宇称不守恒的消息传遍世界各地,就连当时比较封闭的中国,也罕见地通过无线电广播传布了这一消息:美籍华人女科学家吴健雄的实验证明宇称不守恒,美籍华人科学家杨振宁、李政道获得了诺贝尔物理学奖,国人为之振奋.

事情的起因是1956年,杨振宁和李政道合写了一篇论文“在弱相互作用中宇称守恒的问题”(发表在当年10月1日的《The Physical Review》上),深刻论述了核子物理学中宇称不守恒的问题,也就是物理实验中出现的(θ-τ)之谜,主要是说θ介子和τ介子各自的衰变反应,并不相同,它们由于粒子之间的碰撞迅速产生,但衰减过程很慢,观察到它们成对产生过程相同,衰减过程相异:θ→π+π+π,τ→π+π,如果θ和τ是不同的粒子,就没有什么奇怪可言;碰巧它们是相同的粒子,各种实验都没有发现二者有何不同之处,直观地比喻:如果τ是原像,θ是τ的镜像,就会出现二者不对称,直白的意思就是在θ-τ作为镜面时,原像是π+π,镜像是π+π+π,左右不对称.这在当时可以说是违反了人们亘古以来的常识,镜面对称的思想对任何人、当然包括物理学家在内,已是根深蒂固,神圣不可侵犯的金科玉律,一旦有人否定,就如痴人说梦,不可思议,(θ-τ)之谜的起因大致如此[4,5,10].

当时的物理学界,有各种不同的观点,杨振宁和李政道并没有因为文章的发表受到多大舆论压力,文章本身是以问题的方式提出,并没有断言宇称不守恒,观点的交流与碰撞,也仅是限于一个很小的圈子中,大众并不知晓,文章建议了5个可能的实验,验证宇称在弱相互作用(就是原子核的衰变反应)是否守,但是将(θ-τ) 通俗解释为镜像不对称或左右不对称,就在核物理专业以外的物理学界引起轰动,大众等待实验结果.当时,没有一个实验物理学家愿意做这个实验,因此,在听说吴健雄愿意做这个实验时,物理学界则是一片哗然,一大批获得诺贝尔奖的、著名的物理学家群体,包括泡利、朗道、赛格雷、费曼等都反对她进行这种毫无意义,浪费时间的无聊实验,赛格雷还是吴健雄的老师,很早就获得了诺贝尔物理奖,这样一大批名家,各个用不同的方式表示他们的反对意见,更有甚者,如泡利、费曼等,认为上帝不可能是个左撇子,他们与别人设了1000:1胜出的赌约;还有的人说,如果宇称不守恒,他就吃掉自己的帽子,如此等等,不一而足,可想而知,吴健雄承受的来自用诺贝尔奖串起的一大群物理学界名家的压力,退缩还是前进,吴健雄选择了顶住压力,逆势而上的大无畏精神,展示出无比的勇气和自信,为什么能如此,主要还是她对弱相互作用有深入研究,独具慧眼,看出这个实验具有改变基础概念的革命意义,是天赐良机,吴健雄采用钴60在低温下极化(例如南北方向)衰变,空间是均匀各向同性的,如果宇称不守恒,就会在极化的南北方向放射出数目不同的电子;如果守恒,两个方向释放的电子数目自然相同,1957年1月4日,一则科学消息迅速传遍世界,宇称不守恒,上帝是个左撇子,吴健雄胜利了,她的勇气、自信和世界上一流的实验专业水平,赢得了幸运女神的深情眷顾.然而,诺贝尔奖却没有颁发给吴建雄,正如链式核反应的发现者莱斯·梅特娜,也同样遭到这种性别与种族歧视,包括爱因斯坦在内的上百名著名科学家在10年中的呼吁也未能奏效,为了消除不公正产生的负面影响,弥补两位女科学家的损失,她们都获得了著名的沃尔夫物理学奖,以便彰显她们对物理学做出的巨大贡献.

图6 泡利和吴健雄

7 规范场方程的提出:科学美的震撼

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1954年,当杨振宁和米尔斯提出他们的方程时,实验已经证实,只有电磁场是通过光量子传递长程作用,因为光量子无质量,电磁场是规范不变的;天然放射性衰变、原子的核力,都是短程相互作用,如果杨-米尔斯方程合理地描述了短程相互作用,那传递该作用的量子一定具有质量,使得按照量子场论,进行对称性检验的结果,该场将失去对称性,场不再具有规范不变性.因此,泡利质问当时在普林斯顿高等研究院作学术报告的杨振宁,传递相互作用的量子的质量是多少(也就是Bμ场的规范粒子的质量)?根据上述,无质量不对,有质量也不对,尽管杨振宁处于两难境地,但是,他与米尔斯经过反复思考,认为整个研究合理,具有前瞻性,更重要的是这个方程具有科学美,正像狄拉克所说,“一个物理学定律必须具有数学美”,而“美即真”,这个方程表达的理论应当是合理的,杨振宁和米尔斯决定发表,将质量问题在论文最后一节作了详细论述,成为此后研究的前沿课题.当年,杨振宁32岁,米尔斯27岁,还是研究生,而泡利已经54岁,已是誉满物理学界的大师级人物,享有科学界的良心和上帝的鞭子的称号,面对泡利这样人物的严厉质疑,可以想象压力是多么巨大,可是杨振宁和米尔斯没有退缩,而是经过整体和细节孰轻孰重的判断,得出如果从整体的简单、和谐和科学美来判断,那么,质量问题就属于细节问题,一定会有一个解决办法,20年后,通过自发对称破缺机制完美地解决了.从此,规范场成了物理学的理论基础.

8 结语

到此,我们已经对物理学特别是量子力学中的几个典型事例,叙述了它的来龙去脉,它们都是科学中的顶级科学家涉及的重大理论问题,量子力学那黄金白银时期的淘宝之路,已经走完,时光已经转入21世纪.当今,读者可能想知道我们从中能得到什么教益,学到什么有价值的知识?答案是:那些能够亲自面对大师的评议、反对或是否定,实在是一种难得的机遇和良机,今日是可望而不可求了.

本文对大师级科学家给出了一个分类,像泡利这类尖刻型的评论者,是非常难得的良师益友,可遇而不可求,科学史记录了许多感人的事迹,哥本哈根学派的大掌门人玻尔,从内心里敬重泡利,把他当作可信赖的科学顾问,如果泡利在场,玻尔首要的事便是听取泡利的意见,如果不在场,他就要问事前泡利是怎么说的?其他科学家以能听到泡利对自己工作的批评为荣,玻尔称赞泡利是物理学的良心,众人认为他是上帝的鞭子.面对这样的伟大评论家,你可以仔细研究他的评议,但是不要束缚自己的思想,轻易放弃已经得出的结果,就是对杨振宁进行了严厉的质疑,还不忘提醒杨振宁去阅读薛定谔的一篇重要的文献,而正是这篇文献对杨振宁很有启发.现在,这样的评论家已经没有了,有了重大疑问去问谁?

如果恰巧碰上了武断的反对者和粗暴的评议,应当仔细分析其中的合理性,尽量避免情绪化地直接拒绝这样的评议;但是,也不要轻易放弃自己的研究结果,粗暴的评议,有可能正好说明你的研究是有价值的,可以继续深入思考,完善已有的结果.属于基础科学研究的课题,要有自信心,应当从物理概念的自洽性,数学表达的合理性和实验结果的可靠性,进行分析判断.如果一项研究,受到众多反对者,那这项研究一定涉及很多方面和很多部门,需要仔细认真考虑,万不可沽名钓誉,以一己私利,损害国家利益.

其实,科学史已经表明,从一个年轻的科研人员成长为一位著名的科学家,经历了多年的历练,所处环境的改变,自身地位的升迁,媒体的渲染,使得他明显地或潜意识地主动或被动地逐渐适应这种变化,养成一种所谓大师级人物必须具有的“风范”,正像钱德拉塞卡指出的那样:这些成功的人“对大自然逐渐产生了一种傲慢的态度”.这些人以为自己有一种看待科学的特殊方法,并且这种方法一定是正确的.但实际上,“作为大自然基础的各种真理,比最聪明的科学家更加强大和有力”.

无论是科学家还是青年科学人员,需要共同努力,营造一个和谐平等的学术氛围,才有可能在研究工作中取得进展[11].

以上就是我们从大师级科学家失误中能得到的感悟和启迪.