從物理學大師的失誤中我們能獲得的感悟和啟迪是什么?

趙松年,于允賢

(1. 中國科學院大氣物理研究所,北京 100029;2. 國家地震局減災中心,北京 100029)

名人的重大或關鍵失誤,對于受儒教文化熏陶的國人來說,往往認為是尊者之諱,很少分析、討論和談論;對于西方人士而言,一般認為是個人隱私,在利益的驅使下,自然也不愿意談論.即使在科學史中,談論這類問題,往往擔心被看作是個人矛盾或利益沖突,也只是輕描淡寫,一提而過,少有深刻詳盡的分析;散見于期刊雜志上的文章,大都是以名人軼事的方式出現,客觀而有見地的分析很少,即是想閱讀這些資料,也很難搜集和全面了解.

量子力學創立之后,一批年輕的學者,競相研究,激烈競爭,你追我趕,與經典力學大不相同的新觀點大量涌現,不同學派和團體之間,彼此之間既有爭論,也有交流;分布在歐洲幾個大城市(如柏林,蘇黎世,哥廷根,哥本哈根)的大學中,學習物理學的也就二三十個年輕人(比現在的物理研究所的規模小多了,當時,就連愛因斯坦的量子論文的閱讀量也不超過20),就是在這樣的大背景下,天賜良機,由黑體輻射公式催生的量子論不斷發展,造就了一批量子精英,他們除了具有創新的巨大熱情外,基礎知識并不扎實,也不全面,更談不上數學水平有多高;但是,隨著量子論發展到量子力學,這批年輕精英也逐漸成長為被后人譽為大師級的物理學家,所有這些精英都獲得了諾貝爾物理學獎,這是一個不可復制的特殊年代.發生在這個年代的科學事件,自然引人注目,也是科學歷史長久不衰的論題.

本文正是從這一時期的量子力學大師的著名失誤,來思考我們能從中得到什么啟迪,獲得什么教義和經驗?這當然是一孔之見,管中窺豹,難免有失偏頗,既如此,本文的意義何在?

在眾多的贊美之詞中,很難看到對大師們失誤的論及,即使有也只是輕描淡寫,本文與此不同之處在于,沒有把這些“失誤”完全看成是通常意義下的失誤,而是看成寶貴的科學遺產,更是當作科學家吸取教訓的遺產,進而學習和從中獲得寶貴的教訓.本文選擇不同時期、不同類型和有不同代表性的事例,根據失誤的表現方式和個人性格特點,分成尖刻型(泡利)、武斷型(朗道)和粗暴型(惠靈頓)三類,展開分析和討論,同時介紹一些相關的物理知識,利于閱讀和理解,并與讀者共享這些大師的逸聞趣事.

盡管有些事例散見于不同年代的期刊雜志,讀者現在已經很難搜集在一起閱讀,為此,本文提供了比較有代表性的事例,方便讀者閱讀、比較和思考;此外,還順便提到了引力波問題中,愛因斯坦的傲慢態度和羅伯遜的君子風度之間的碰撞,也許,讀者能從中多少了解一些偉人的另一面.

1 電子自旋實驗:機遇和挑戰

量子力學初創之后,有一個非常重要的實驗,就是施特恩-蓋拉赫實驗[1,2]：將光源置于強磁場中,光譜線會發生分裂(1896年塞曼發現的效應),那么,其它原子束若通過強磁場,會發生什么現象?1922,德國的施特恩和蓋拉赫進行了一個重要實驗(SG實驗),如圖1所示[3],高溫爐K中被加熱的銀原子汽化,從爐壁開口射出,經過準直器和形狀特殊的磁鐵N-S形成的不均勻磁場(方向沿著z軸),銀原子束在磁場中分裂成只有向上或向下偏轉的射束,最后在特殊的玻璃板(膠片)P上形成向上、下方向偏轉的、如圖1下方所示的眼形線斑.由于空間是均勻和各向同性的,當磁場方向沿著x軸時(SGx),銀原子束的偏轉方向是前和后(見圖中坐標系指向),當磁場方向與y軸一致時(SGy),其偏轉方向則是左和右(或東和西).在這個實驗的基礎上,繼續進行的S-G級聯實驗,如圖2所示.

圖1 施泰恩-蓋拉赫實驗(SG實驗)示意圖

圖2 S-G裝置的級聯實驗

然而,實驗觀測到,在磁場B中會產生一個磁矩μB,根據S-G實驗,在z方向(即在磁場B的方向)的投影是:±?/2,這將會使沿y方向的銀原子束,在z方向上偏移(圖1),在玻璃膠片上形成上下分開的眼形線斑,至于磁矩μB是如何產生的,銀原子束為什么會出現上下分裂,在玻璃膠片上呈現出上下相隔的2個線斑圖,這是經典力學和量子論均無法解釋的現象.

在該實驗之后的3年中,科隆尼克和埃倫費斯特的研究生烏隆貝克、古茲米特(萊頓大學),在分析光譜線精細結構,也就是正常光譜線再分裂的現象時(如:塞曼光譜線),可能想到了S-G實驗,如果電子有自旋,在銀原子束中,自然各有50%的正向旋轉,50%的反向旋轉,自然會形成磁矩μs=MB,如果假定電子有自旋角動量S,在z方向的投影記為Sz,Sz=±?/2,則計算結果與此完全符合,自旋磁矩與自旋角動量二者之比是

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正好抵消了多出的因子2,泡利和海森伯也放棄了原來的反對意見,就這樣,電子自旋這一極為重要的概念正式誕生了(而科隆尼克只好遺憾地與此失之交臂)[4].計算電子在自旋情況下的旋轉速度,似乎很神秘,其實只是一些很簡單的乘除運算,那為什么泡利、海森伯和洛倫茲想到了,而科隆尼,烏隆貝克、古茲米特卻沒有想到呢?這當然是很奇怪的事.當時,地球繞太陽轉,而又自轉是大眾的科普知識,他們不可能不知道,如果電子有自旋,問一下自旋的速度是多少,那再自然不過了,可為什么這個情況沒有出現呢?我們不知道.以上的近似計算結果顯示,電子自旋的速度遠超過光速,說明設想電子具有自旋角動量是不合理的,但是,S-G實驗卻有力地支持電子具有自旋特性,二者矛盾的癥結是什么?在計算電子速度時,將電子在磁場中的勢能看成與質能公式E=mec2相當,這樣處理,似乎并不合適,這是將經典力學用相對論來處理的結果(只有狄拉克相對論場方程才能正確解釋電子的自旋特性),電子自旋到底是什么樣的運動,目前,在理論上和實驗上,都沒有更清楚的了解,已有的解釋只能算作是初步的,它包括兩方面:物理解釋和數學描述.對于電子、正電子、質子、中子、中微子、μ子、超子,它們的自旋量子數s都是±1/2;光子的自旋量子數s是1;π介子、K介子、η介子的自旋量子數s是0.既然自旋是一種旋轉運動方式,它的上旋與下旋2個狀態,不妨看成右手坐標系與左手坐標系的交替(在均勻和各向同性的空間中,各個取向,從絕對意義上是不可分辨的,因而,自旋在任何方向上都只有彼此相反的2個狀態),至于如何引起這種交替,自然和不均勻磁場有關,是否可以看成是粒子內稟空間屬性的糾纏態,因為粒子內部空間屬性目前并不清楚,單就它的取向而言,與磁場有關是顯然的,這未嘗不能看作是一種解釋呢?

縱觀上述,自旋角動量無非是雙態的波函數,它的本征值是ms?,而態矢量是|s,ms〉.其實,無論是主量子數、角量子數、磁量子數,還是自旋量子數,都是從本征方程衍化而來,就是由它們確定各自相應的本征值.值得強調的是,如果自旋是內部空間的特性,那么,它必將成為描述波函數的一個重要的空間參變數.

雙態波函數的態矢量表示式為:|ψ〉=α|+〉+β|-〉或者|ψ〉=α|↑〉+β|↓〉,也可以利用無限小轉動算符表示,由于波函數可以看作是態空間中的態矢量,計入自旋角動量之后,完整地描述就是在坐標空間r(x,y,z)和自旋空間S(s,ms)中表示.

2 正電子:概念的沖突

1925年,狄拉克提出他的相對論場方程,其中兩個解給出了電子的±1/2自旋態,另外兩個解對應于正負電子.由于出現正電子,在當時的物理圈子(這里不用物理學界一詞,實在是因為人數太少,說圈子比較符合當時的情況)引起軒然大波,遭到玻爾、泡利、朗道等人的強烈反對,狄拉克是一個不拘言笑、沉默寡言的人,也是一個無名的年輕人,在幾年中狄拉克都未能讓反對者信服,但是,他相信一個物理定律必須具有數學美,審視他的方程,簡單、和諧和美的統一躍然于紙上,使人感受到一股巨大的沖擊,方程很自然地得出自旋的結果,就說明它是正確的,能夠獲得時間的考驗[5]：果然,實驗最后起了作用,1932年安德森(C. D. Anderson)用云室觀察宇宙線時發現了正電子,不久P. M. S.布萊克特又在云室中發現電子與正電子的產生和湮滅,這才使反對者改變態度接受狄拉克的反物質理論.那么,這里要問一句,反對者之中不乏認定物理方程的美學價值的人,也在各處大談這個觀點,狄拉克方程的簡單與和諧之美顯然可見,那為什么他們起勁地反對呢?只能說是此一時彼一時吧!

既是狄拉克成名之后,愛因斯坦也從未向諾貝爾獎委員會推薦過他[3,6],但是卻多次推薦了其他量子精英,這是為什么?

3 孤獨的錢德拉塞卡,被撕碎的講稿飄落在會議大廳中

1930年,19歲的印度青年學生錢德拉塞卡,因成績優異獲得政府獎學金,只身乘船前往英國劍橋求學.他對星體的結構和演化非常入迷,當時天文學界認為白矮星是一切恒星演化過程的最終階段,在十幾天漫長的航行途中無事可做,他就對這一問題進行思考,經過仔細計算,得出一個初步結果,表明當恒星質量超過某一上限,也就是太陽質量的1.44倍時,它的最終歸宿將不會是白矮星,而是塌縮成中子星、在成為超新星之后成為黑洞,這個1.44倍的太陽質量就是錢德拉塞卡極限.

來到英國,錢德拉塞卡師從愛丁頓(Arthur Stanley Eddington),繼續在星體結構和演化方面深造,那時的愛丁頓已是劍橋大學天文學和實驗物理學終身教授,劍橋大學天文臺臺長,英國皇家學會會員,聲譽正隆.經過在劍橋的學習,錢德拉塞卡逐步完善了自己的發現,而愛丁頓建議他在1935年皇家天文學會的會議上宣讀自己論文,報告自己的研究結果;時年24歲的青年錢德拉塞卡感激導師愛丁頓的關愛,給與他如此難得的機會,終于得到宣讀自己論文的機會.

當錢德拉塞卡在會上宣讀完自己的論文后,看到導師愛丁頓走上講臺,自然熱切希望能得到導師、當時天體物理學界的權威的贊揚.愛丁頓要過錢德拉塞卡的講稿,不是贊揚,而當眾把講稿撕成兩半,宣稱其理論全盤皆錯,原因是他得出了一個“非常古怪的結論”. 會場嘩然,接著聽眾頓時爆發出笑聲.會議主席甚至沒有給錢德拉塞卡答辯的機會,情況如此激烈地反轉,使這位24歲的青年不知所措,不知如何應對在大庭廣眾面前被羞辱的尷尬、難堪場面.在這之后的幾年里,沒有一個權威科學家愿意站出來支持錢德拉塞卡.最后,他終于明白:不僅應該完全放棄這個研究課題,而且也無法繼續留在劍橋大學.在1937年轉到芝加哥大學以后不久,他把自己的理論寫進了一本書里,就不再去理會它.

現在,說一說愛丁頓,他在1938年擔任了國際天文學聯合會主席,直到去世.他在晚年仍然激烈地反對錢德拉塞卡提出的關于白矮星的最大質量限界理論,錢德拉塞卡是他的學生,不知為什么會如此念念不忘,竭力反對;其實,原因可能很簡單,一旦存在1.44倍太陽的質量極限被證實,超過這個界限,恒星的坍塌會形成中子星,那么,愛丁頓的理論就不再有價值,恐懼和嫉妒充斥著他的頭腦和支配了他的情緒.

由于第一次世界大戰結束后,愛丁頓作為英國的科學家帶領觀測隊到西非普林西比島,觀測1919年5月29日的日全食時光線經過太陽引力場時的彎曲,以便證實交戰國德國科學家愛因斯坦的預言,愛丁頓的觀測證實了愛因斯坦的理論,立即被全世界的媒體報道,已經譽滿天下,當時有一個傳說:有記者問愛丁頓,全世界是否只有3個人真正懂得相對論,愛丁頓回答“誰是第3個人?”,可見已經非常自大,他又寫了大量科學普及讀物,如《膨脹中的宇宙》,介紹愛因斯坦的廣義相對論,使它傳播到了講英語的國家之中.他的《相對論的數學原理》 受到愛因斯坦的稱贊,認為這本書是“在所有語言中表達這個主題最好的版本”.這樣,他的聲譽如日中天,沒有必要與錢德拉塞卡過不去,1935年皇家天文學大會對自己的學生粗暴無禮,已經有失皇家大科學家的身份和人格,現在變本加厲,如此何為?

錢德拉塞卡移居美國芝加哥大學,成為艾默瑞特斯教授,非常敬業,據說有一次他往返200英里去為他的學生上課,可是由于暴風雪,當他趕到教室的時候發現,只有2名學生在等待他的出現,這兩名學生正是于1957年獲得諾貝爾物理學獎的李政道和楊振寧. 差不多30年后,這個后來被稱為“錢德拉塞卡極限”的發現得到了天體物理學界的公認. 然后又過了20年,錢德拉塞卡獲得了諾貝爾獎,從被羞辱到1983年,幾乎半個世紀過去了,當他從瑞典國王手中接過諾貝爾獎章時,已是兩鬢斑白的垂暮老人.

回顧年輕時所受的挫折、羞辱和坎坷不平的求學之路,錢德拉塞卡已經完全理智地感悟到,“假定當時愛丁頓同意自然界有黑洞……這種結局對天文學是有益處的”(對科學的好處).“但我不認為對我個人有益.愛丁頓的贊美之詞將使我那時在科學界的地位有根本的改變……但我的確不知道,在那種誘惑的魔力面前我會怎么樣”(對個人的利弊).當然,如果愛丁頓很早就接受了錢德拉塞卡的理論,二人合作,那對天文物理學的發展將有不可估量的貢獻,何至于等待半個世紀呢!錢德拉塞卡不無感慨地說道,這些成功的人,例如愛因斯坦,“對大自然逐漸產生了一種傲慢的態度”,這些人以為自己有一種看待科學的特殊方法,并且這種方法一定是正確的.但實際上,“作為大自然基礎的各種真理,比最聰明的科學家更加強大和有力”.當愛因斯坦說“上帝不擲骰子”時,玻爾立刻反駁說“不要指揮上帝”,二者表達的意思是一樣的.

圖3 愛丁頓與愛因斯坦的會面

值得一提的是,這并不是一個孤例,19世紀末至20世紀初,數學界的代數數論名家,柏林和巴黎科學院院士L. 克羅內克和他的學生,集合論創始人G. 康托爾的情況更甚,L. 克羅內克利用他的行政高位反對G. 康托爾的創新的集合論,禁止當時德國的一切雜志刊登G. 康托爾的文章,幾乎將G. 康托爾的逼瘋,但是,并沒能阻止集合論的蓬勃發展,正是野火燒不盡,春風吹又生,學術界的專斷造成的危害值得科學名家警惕啊!

4 引力波是否存在?傲慢態度與君子風度的碰撞

事情是這樣的, 1936年愛因斯坦與助手羅森(N. Rosen)合寫了一篇論文“引力波存在嗎?”,提出引力波不存在的結論,否定了1916年根據廣義相對論預言的引力波,得出這個結論的原因主要有兩點,其一是數學方面,如果一個電荷在空間來回移動,也就是震蕩,自然會產生電波;如果一塊石頭在池塘中來回移動,同樣會形成漣漪的水波向遠處散開,據此,愛因斯坦和羅森計算了類似于水波漣漪的平面波,由于坐標系的選擇不適合,遇到奇點,表示這類解不存在;其二是物理學方面,根據廣義相對論的引力方程:

左邊是空間曲率張量,右邊是物質張量(即:應力、動量、能量張量),正像愛因斯坦的朋友,物理學家惠勒(J. A. Wheeler)生動形象地說明,物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動.愛因斯坦認為物質產生時空彎曲的效果非常微小,物質運動形成空間彎曲的變化更是可以忽略,由此,他們得出引力波不存在的結論.這篇文章投遞到美國的著名期刊《Physical Review》(物理評論),那時愛因斯坦為了躲避希特勒對猶太科學家的迫害,移居美國普林斯頓高等研究院已經3年了,仍然不知道學術期刊的同行評審制度,該期刊將愛因斯坦和羅森的論文交給著名的宇宙天文學家羅伯遜(H. P. Robertson)審稿,評審人極為認真地閱讀和評審了這篇論文,寫了足有10頁的意見,編輯部以匿名的方式將這份評審意見轉交給愛因斯坦,看過評審信,愛因斯坦大為光火,不顧著名科學家應有的風范,很不客氣地給編輯部寫了一封回信:“我們(羅森先生和我)把文章發給你是用來發表的,并沒有授權你在出版之前給其他專家看.我覺得沒有必要回復匿名專家的這些意見--無論如何都是錯誤的. 基于此,我將在別的地方發表這篇文章”,愛因斯坦將原文轉投到《富蘭克林研究所雜志》,幸運的是,這位評審人羅伯遜具有君子風度和認真負責的高貴品質,他輾轉找到熟悉愛因斯坦的朋友、波蘭物理學家因費爾德(與愛因斯坦合作寫過一本《物理學的進化》),詳細、友好而善意地解釋了那篇文章中的錯誤與如何消除這些錯誤的方法,請因費爾德以匿名評審人的方式轉告愛因斯坦,因費爾德將這些意見轉告了愛因斯坦,可以確信,這些評審意見起了作用,沿著評審意見思考之后,愛因斯坦發現自己的確錯了,在臨出版前從《富蘭克林研究所雜志》撤回了論文,修改后以“關于引力波”的題目再次投稿,正是采用了羅伯遜建議的改變坐標系的辦法,消除了奇點造成的平面波無窮大,在文章最后的致謝中向不具名的朋友表示感謝[7]. 羅伯遜的評審與后續的恰當處理,使愛因斯坦避免了一個重大的錯誤[8]. 不難看出,愛因斯坦出名之后,顯然表現出名人具有的傲慢態度.正像泡利在1955年新版的《相對論》序言中寫道:“我認為相對論可以作為一個例子,用來證明一個科學發現,盡管有時還要遭受到它的創始者的阻力,也會沿著它本身自發的途徑,而進一步得到蓬勃的發展”,經過媒體、科學史家、名人傳記與各類記者在報章雜志上的大量擴大宣傳,愛因斯坦成了冉冉升起的世紀之星,他也難以抵擋無止盡的渲染,不自覺的成為創新思想的阻力,他不相信核能能夠利用,不相信宇宙中的黑洞,也與當時蓬勃發展的量子力學形成隔離,也不看好狄拉克在相對論與量子力學結合方面做出的突出貢獻,從未向諾貝爾獎委員會推薦過狄拉克,而是多次推薦過薛定諤、玻恩、德布羅意、泡利和海森堡,傲慢與偏見成了他的一種處世常態.深厚的儒家文化已經總結出成大事者,除了超強的創新欲望和睿智的頭腦,還必需具有天時、地利與人和的重要條件,如果愛因斯坦不是生在德國,早5年或者晚5年出生,那自然就是另一番情景了,處于不同層次、不同領域的各級名人如果理解這一點,就可以避免成為發展中的阻力.

5 沙皮羅的論文:被拋棄的寶石

朗道[列夫·達維多維奇·朗道(Lev Davidovich Landau,1908—1968年)自稱是20世紀最后一位全才的物理學家,由他策劃、撰寫的《朗道物理十卷》更是享譽世界物理學界和高等教育界的精品,朗道多次獲得各種最高獎章和榮譽稱號,在他50歲生日時,蘇聯理論物理研究所贈送給他用大理石雕刻的朗道十誡,記錄了他的科學貢獻:1) 引入了量子力學中的密度矩陣概念(1927);2) 金屬的電子抗磁性的量子理論(1930);3) 二級相變理論(1936—1937);4) 鐵磁體的磁疇結構和反鐵磁性的解釋(1935);5) 超導電性混合態理論(1943);6) 原子核的統計理論(1937);7) 液態氦Ⅱ超流動性的量子理論(1940—1941);8) 真空對電荷的屏蔽效應理論(1954);9) 費密液體的量子理論(1956);10) 弱相互作用的復合反演理論(1957).

朗道曾經抱怨自己沒有出生于上世紀20年代,沒能趕上物理學史上黃金時代的淘金行動,沒有機會與海森伯、薛定諤、索末菲和狄拉克等幸運者一起建立量子力學,對于自己沒能趕上量子力學的創建,感到極度惋惜,那時,三流的物理學家可以做出一流的結果,后來,一流的物理學家只能做三流的工作.朗道慨嘆生不逢時,言外之意就是,他要是趕上本世紀初物理學的革命時期,也就是相對論的創立、量子論的誕生,以他的聰明才智,對物理知識的領悟和創新能力,使他躋身于愛因斯坦、玻爾這樣的世界級大師之列也并非是幻想.一般而言,如此自負、如此高傲、科學聲望如日中天的朗道,生活在蘇聯時期,自然會養成特殊的優越感,行事作風武斷專橫,越來越難于和其他科學家共事,就連他的學生栗弗席茲,合著完成了9大卷理論物理學教程,也難免被朗道下逐客令,變得與栗弗席茲勢不兩立,不許在他面前提起栗弗席茲的名字(盡管與他當時出了車禍,受其夫人的挑唆有關,不過這是很次要的因素)[9].

在個人的工作作風方面,朗道的那種自以為是的表現就往往顯得有些弊大于利了.他常常憑著自己智力上的強大優越感,對自己缺乏克制能力,往往是固執己見,很難商量,這種缺乏開放的強硬態度,不但給同事留下了強烈的不良印象,也使他自己犯下了一系列不應該犯下的失誤.我們僅以朗道對英國物理學家狄拉克的態度為例:本世紀20年代,狄拉克通過自己的獨立研究提出了重要的粒子空穴概念,得到了物理學界的好評.而朗道對這一重要理論的評價卻只有兩個字:“廢話”.與此同時,他還把他所不喜歡的別人的研究理論,統統稱之為“病態”.他和前蘇聯理論物理學家伊凡寧柯本來是很好的科研伙伴,2人曾合作發表過5篇論文,但后來卻主要由于朗道的個人性格缺陷而使這一友誼演變成了“病態”的關系.由于和伊凡寧柯的分裂,在選編朗道論文集時,他堅決反對把他與伊凡寧柯合作的論文納入其中,也決不允許伊凡寧柯再參加他的研究討論會.心胸狹窄的朗道甚至發展到誰要是在他面前提到伊凡寧柯的任何著作,露出贊賞的神情,誰就會招來朗道無名的怒火.如果僅僅是和某一兩個科學家合不來倒也情有可原,但朗道的這種自以為是的工作作風隨著其科學地位的不斷上升也愈演愈烈,最終導致朗道犯下不可饒恕的失誤.

本文在這里強調的是,1956年,那時的蘇聯物理學家沙皮羅(I. S. Shapiro)通過對介子衰變的研究,提出介子衰變中宇稱不守恒的新看法.當沙皮羅把他的這一重要發現寫成論文,交給朗道審閱時,過于自負的朗道只是冷冷地一笑,就隨手把它扔到了一邊,這本來是一項極其重大的科學發現,但是朗道對于沙皮羅的發現卻認為沒有意義,并認為宇稱不可能不守恒.他哪里知道,此時被他扔掉的不僅僅是沙皮羅的一篇論文,而是一項諾貝爾獎級的成果.我們沒有見到沙皮羅的原始論文,那時沒有負責人或者導師的同意,論文是不能投寄到科學期刊的,編輯部要求所屬研究機構的證明文件,這就極大地限制了研究者個人的能動范圍,也是釀成個人悲劇的原因.與朗道這樣的高層霸道的科學家爭論,除了毫無效果,還會引火燒身,自討無盡麻煩.

朗道雖然在科學上取得了空前的成功,但是他的聲名則主要限制在學術圈內.由于朗道的“學閥”作風,有些被他“槍斃”掉的論文,后來被證明是極重要的,朗道留下了太多的遺憾,讓后人為他惋惜,朗道的才華和成就使他過于自負．對自己的智慧和直覺產生了太大的自信,開始目空四海,在他眼里世界上沒有幾個他看得起的物理學家.他當了蘇聯科學院物理學部的主任后,科學研究中更加固執、武斷,缺乏民主精神.人們常常把他和泡利相提并論,但是,在不留情面和語言的尖刻方面,郎道甚至比泡利有過之而無不及.

圖4 朗道正在看文獻

6 宇稱不守恒:凱旋時刻的華夏巾幗英雄

1957年1月30日,在美國紐約的一個大旅館的告大廳里,通過注冊參加會議的就有3000多人,水泄不通,真是盛況空前,來聽報告的人是一票難求,宇稱不守恒的消息傳遍世界各地,就連當時比較封閉的中國,也罕見地通過無線電廣播傳布了這一消息:美籍華人女科學家吳健雄的實驗證明宇稱不守恒,美籍華人科學家楊振寧、李政道獲得了諾貝爾物理學獎,國人為之振奮.

事情的起因是1956年,楊振寧和李政道合寫了一篇論文“在弱相互作用中宇稱守恒的問題”(發表在當年10月1日的《The Physical Review》上),深刻論述了核子物理學中宇稱不守恒的問題,也就是物理實驗中出現的(θ-τ)之謎,主要是說θ介子和τ介子各自的衰變反應,并不相同,它們由于粒子之間的碰撞迅速產生,但衰減過程很慢,觀察到它們成對產生過程相同,衰減過程相異:θ→π+π+π,τ→π+π,如果θ和τ是不同的粒子,就沒有什么奇怪可言;碰巧它們是相同的粒子,各種實驗都沒有發現二者有何不同之處,直觀地比喻:如果τ是原像,θ是τ的鏡像,就會出現二者不對稱,直白的意思就是在θ-τ作為鏡面時,原像是π+π,鏡像是π+π+π,左右不對稱.這在當時可以說是違反了人們亙古以來的常識,鏡面對稱的思想對任何人、當然包括物理學家在內,已是根深蒂固,神圣不可侵犯的金科玉律,一旦有人否定,就如癡人說夢,不可思議,(θ-τ)之謎的起因大致如此[4,5,10].

當時的物理學界,有各種不同的觀點,楊振寧和李政道并沒有因為文章的發表受到多大輿論壓力,文章本身是以問題的方式提出,并沒有斷言宇稱不守恒,觀點的交流與碰撞,也僅是限于一個很小的圈子中,大眾并不知曉,文章建議了5個可能的實驗,驗證宇稱在弱相互作用(就是原子核的衰變反應)是否守,但是將(θ-τ) 通俗解釋為鏡像不對稱或左右不對稱,就在核物理專業以外的物理學界引起轟動,大眾等待實驗結果.當時,沒有一個實驗物理學家愿意做這個實驗,因此,在聽說吳健雄愿意做這個實驗時,物理學界則是一片嘩然,一大批獲得諾貝爾獎的、著名的物理學家群體,包括泡利、朗道、賽格雷、費曼等都反對她進行這種毫無意義,浪費時間的無聊實驗,賽格雷還是吳健雄的老師,很早就獲得了諾貝爾物理獎,這樣一大批名家,各個用不同的方式表示他們的反對意見,更有甚者,如泡利、費曼等,認為上帝不可能是個左撇子,他們與別人設了1000:1勝出的賭約;還有的人說,如果宇稱不守恒,他就吃掉自己的帽子,如此等等,不一而足,可想而知,吳健雄承受的來自用諾貝爾獎串起的一大群物理學界名家的壓力,退縮還是前進,吳健雄選擇了頂住壓力,逆勢而上的大無畏精神,展示出無比的勇氣和自信,為什么能如此,主要還是她對弱相互作用有深入研究,獨具慧眼,看出這個實驗具有改變基礎概念的革命意義,是天賜良機,吳健雄采用鈷60在低溫下極化(例如南北方向)衰變,空間是均勻各向同性的,如果宇稱不守恒,就會在極化的南北方向放射出數目不同的電子;如果守恒,兩個方向釋放的電子數目自然相同,1957年1月4日,一則科學消息迅速傳遍世界,宇稱不守恒,上帝是個左撇子,吳健雄勝利了,她的勇氣、自信和世界上一流的實驗專業水平,贏得了幸運女神的深情眷顧.然而,諾貝爾獎卻沒有頒發給吳建雄,正如鏈式核反應的發現者萊斯·梅特娜,也同樣遭到這種性別與種族歧視,包括愛因斯坦在內的上百名著名科學家在10年中的呼吁也未能奏效,為了消除不公正產生的負面影響,彌補兩位女科學家的損失,她們都獲得了著名的沃爾夫物理學獎,以便彰顯她們對物理學做出的巨大貢獻.

圖6 泡利和吳健雄

7 規范場方程的提出:科學美的震撼

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1954年,當楊振寧和米爾斯提出他們的方程時,實驗已經證實,只有電磁場是通過光量子傳遞長程作用,因為光量子無質量,電磁場是規范不變的;天然放射性衰變、原子的核力,都是短程相互作用,如果楊-米爾斯方程合理地描述了短程相互作用,那傳遞該作用的量子一定具有質量,使得按照量子場論,進行對稱性檢驗的結果,該場將失去對稱性,場不再具有規范不變性.因此,泡利質問當時在普林斯頓高等研究院作學術報告的楊振寧,傳遞相互作用的量子的質量是多少(也就是Bμ場的規范粒子的質量)?根據上述,無質量不對,有質量也不對,盡管楊振寧處于兩難境地,但是,他與米爾斯經過反復思考,認為整個研究合理,具有前瞻性,更重要的是這個方程具有科學美,正像狄拉克所說,“一個物理學定律必須具有數學美”,而“美即真”,這個方程表達的理論應當是合理的,楊振寧和米爾斯決定發表,將質量問題在論文最后一節作了詳細論述,成為此后研究的前沿課題.當年,楊振寧32歲,米爾斯27歲,還是研究生,而泡利已經54歲,已是譽滿物理學界的大師級人物,享有科學界的良心和上帝的鞭子的稱號,面對泡利這樣人物的嚴厲質疑,可以想象壓力是多么巨大,可是楊振寧和米爾斯沒有退縮,而是經過整體和細節孰輕孰重的判斷,得出如果從整體的簡單、和諧和科學美來判斷,那么,質量問題就屬于細節問題,一定會有一個解決辦法,20年后,通過自發對稱破缺機制完美地解決了.從此,規范場成了物理學的理論基礎.

8 結語

到此,我們已經對物理學特別是量子力學中的幾個典型事例,敘述了它的來龍去脈,它們都是科學中的頂級科學家涉及的重大理論問題,量子力學那黃金白銀時期的淘寶之路,已經走完,時光已經轉入21世紀.當今,讀者可能想知道我們從中能得到什么教益,學到什么有價值的知識?答案是:那些能夠親自面對大師的評議、反對或是否定,實在是一種難得的機遇和良機,今日是可望而不可求了.

本文對大師級科學家給出了一個分類,像泡利這類尖刻型的評論者,是非常難得的良師益友,可遇而不可求,科學史記錄了許多感人的事跡,哥本哈根學派的大掌門人玻爾,從內心里敬重泡利,把他當作可信賴的科學顧問,如果泡利在場,玻爾首要的事便是聽取泡利的意見,如果不在場,他就要問事前泡利是怎么說的?其他科學家以能聽到泡利對自己工作的批評為榮,玻爾稱贊泡利是物理學的良心,眾人認為他是上帝的鞭子.面對這樣的偉大評論家,你可以仔細研究他的評議,但是不要束縛自己的思想,輕易放棄已經得出的結果,就是對楊振寧進行了嚴厲的質疑,還不忘提醒楊振寧去閱讀薛定諤的一篇重要的文獻,而正是這篇文獻對楊振寧很有啟發.現在,這樣的評論家已經沒有了,有了重大疑問去問誰?

如果恰巧碰上了武斷的反對者和粗暴的評議,應當仔細分析其中的合理性,盡量避免情緒化地直接拒絕這樣的評議;但是,也不要輕易放棄自己的研究結果,粗暴的評議,有可能正好說明你的研究是有價值的,可以繼續深入思考,完善已有的結果.屬于基礎科學研究的課題,要有自信心,應當從物理概念的自洽性,數學表達的合理性和實驗結果的可靠性,進行分析判斷.如果一項研究,受到眾多反對者,那這項研究一定涉及很多方面和很多部門,需要仔細認真考慮,萬不可沽名釣譽,以一己私利,損害國家利益.

其實,科學史已經表明,從一個年輕的科研人員成長為一位著名的科學家,經歷了多年的歷練,所處環境的改變,自身地位的升遷,媒體的渲染,使得他明顯地或潛意識地主動或被動地逐漸適應這種變化,養成一種所謂大師級人物必須具有的“風范”,正像錢德拉塞卡指出的那樣:這些成功的人“對大自然逐漸產生了一種傲慢的態度”.這些人以為自己有一種看待科學的特殊方法,并且這種方法一定是正確的.但實際上,“作為大自然基礎的各種真理,比最聰明的科學家更加強大和有力”.

無論是科學家還是青年科學人員,需要共同努力,營造一個和諧平等的學術氛圍,才有可能在研究工作中取得進展[11].

以上就是我們從大師級科學家失誤中能得到的感悟和啟迪.