科学家丨人生危机催生中微子假说 ──纪念物理大师泡利

稿源:南方人物周刊 | 作者: 施郁 日期: 2019-04-26

中微子是继光子、正电子之后第3个从理论上被预言的粒子。用泡利自己的话说,中微子“是我人生危机的傻孩子”。杨振宁先生认为,可能是正电子的发现给了泡利勇气,对中微子假说不再犹疑。但是事实上,泡利当时还没认可预言正电子的狄拉克理论,虽然它基于“泡利不相容原理”

学过中学化学或者初步的量子力学的人,都知道有个泡利不相容原理,它是解释元素周期表的关键。这是沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)24岁时提出的,他是量子力学的创始人之一。1945年,经爱因斯坦提名,泡利因不相容原理获得诺贝尔物理学奖。

泡利1900年4月25日生于维也纳。1958年12月15日,他在苏黎世罗特科鲁兹(Rotkreuz)医院的137号病房去世。1/137是精细结构常数的近似值,这个常数是他敬爱的导师索末菲(Arnold Sommerfeld)1916年引入的,表征电磁相互作用强度,泡利一生为之困惑。  

作为20世纪物理学的天才大师,泡利在58年的一生中对物理学作出了很多贡献。为了纪念他去世60周年和诞生119年,我们在这里追忆和探究他提出中微子假说的过程和前因后果。一方面,这是物理学的一个重要事件,另一方面,这段时期也是泡利人生中的一段非常时期。

中微子是一种微观粒子,在粒子物理中非常重要,有关中微子的研究成果已经获得过好几次诺贝尔物理学奖。以前曾经认为中微子没有质量,后来发现它们具有非常小的质量,大概只有电子质量的几千分之一。中微子又非常难探测,所以常被称为“幽灵粒子”。

泡利去世两个月前,给德尔布吕克(Max Delbrück)写了一封信,回忆了很多事情,其中提到,中微子是“我人生危机(1930-1931)的傻孩子”。德尔布吕克是1929年哥廷根大学理论物理博士,后来转向生物学,1969年因病毒的复制机制和遗传结构的发现分享诺贝尔生理学或医学奖。

为了理解泡利所言,我们需要从β衰变说起。

 

β衰变疑难与泡利假说

1896年,贝克勒尔(Henri Becquerel)发现,铀盐能发出射线,使包在黑纸中的照相底片感光,这叫作放射性。两年后,卢瑟福(Ernest Rutherford)将当时所知的两种放射性射线称为α和β。同年,居里夫人指出,放射性来自原子。 1900年,人们知道了β射线就是汤姆逊(J. J. Thomson)于1897年发现的电子。1910年,卢瑟福提出原子由原子核和电子组成。1913年,玻尔提出β射线来自原子核里的电子。1914年,卢瑟福提出原子核由质子和电子组成。   

1926年,克罗尼格(Ralph Kronig)发现,这个质子加电子的原子核模型有问题。首先,如果原子核内有电子,那么磁矩会很大,与原子核外的电子之间就会有很强的磁力,导致超精细结构大得离奇,而这与事实不符。

两年后克罗尼格又发现,如果原子核内部既有质子也有电子,原子核的总自旋也与实验不符。次年,拉塞蒂(F. Rasetti)发现,这个模型还使得原子核的统计性质与实验不符。量子粒子的自旋总是某个常数的半整数倍或者整数倍,倍数为半整数的粒子叫作费米子,倍数为整数的粒子叫做玻色子,奇数个费米子组成的复合粒子仍然是一个费米子,而偶数个费米子则组成玻色子。同一种费米子不能具有相同的状态,同一种玻色子可以具有相同的状态,这叫统计性质。   

还有一个疑难更为著名,就是β衰变的连续能量谱。在β衰变中,一个原子核衰变为另一个原子核,放出一个电子。因为衰变前后能量和动量(质量乘以速度)都守恒,所以电子的能量应该是唯一确定的。但是,1914年,查德威克(J. Chadwick)首先发现,电子能量在一定范围内,各种大小都有可能,所以叫作连续能量谱。1920年代,艾利斯(C. D. Ellis)和伍斯特(B. A. Wooster)确定了这个现象,梅特纳(L. Meitner)等人也有贡献。

为了解释这些疑难,1929年到1936年,玻尔主张,需要一个新的物理定律,能量守恒定律只在平均意义上成立,类似于他以前与克拉默斯(H. A. Kramers)和斯莱特(J. C. Slater)的失败理论,那个理论试图调和原子分立能级和光子概念与经典电磁学。

1929年2月,泡利在给克莱因(O. Klein)的一封信中指出:“玻尔考虑能量守恒定律的违背,是在完全错误的道路上。”

泡利自己解决β衰变疑难的方法记载于他1930年12月4日通过梅特纳给一个放射学家会议的信。这封信信息量很大,在此翻译如下:

“亲爱的放射性女士先生们:

关于氮(N)和锂(Li)6(译注:6是原子核的质量数,现在我们知道是质子数加上中子数,中子与质子质量差不多,当时只知道是质子质量的倍数)原子核的“错误”的统计定律和连续β谱,我想到一个绝望的补救方法,能够挽救统计定律以及能量守恒定律。这就是,原子核中可能存在一个电中性的粒子,我称它为中子,它的自旋是1/2,满足不相容原理,而且与光量子不同,它不以光速运动。中子的质量应该与电子同一数量级,而且肯定不大于质子质量的0.01倍。假设β衰变时,1个中子和1个电子同时放出,它们的能量之和是常数,这就可以理解连续β谱。

还有一个问题,中子受到什么力?在波动力学基础上……中子最可能的模型似乎是,静止的中子是个磁矩为μ的磁偶极矩。实验似乎要求中子的电离效应不能大于γ射线,因此μ不能大于e×10-13cm。

目前我不敢就此想法发表任何东西,所以私下询问你们,亲爱的放射性朋友,如何在实验上证实这个中子,如果它的穿透能力等于或者十倍于γ射线。

我承认从先验的角度,我的方案不大可能,因为如果它们存在,早就应该被看到。但是敢拼才能赢,我的前任得拜(P. Debye)先生最近在布鲁塞尔向我表达了连续谱问题的严重性:‘哦,就像新的税一样,最好完全不去想它。’因此需要认真讨论每条拯救的道路。——因此,亲爱的放射性朋友,请检查并判断。——不幸的是,我不能亲临图宾根,因为12月6日晚至7日有个舞会,我必须参加……你们谦卑的侍者,沃尔夫冈·泡利。”

1930年12月1日,量子力学创始人之一海森堡(W. Heisenberg)给泡利的信中提到“你的中子”,说明泡利当时已经与海森堡讨论过关于“中子”的想法。

 

“我比狄拉克聪明,我不会发表它”

但是泡利从来没有就他的“中子”(即后来的中微子)假说正式发表论文。事实上,他在给放射学家会议的信发出几天后,12月12日给克莱因的信中又说,因为“中子”质量与电子接近,而又必须通过磁矩与电磁场耦合留在原子核内,所以它的磁矩与电子应该大小相仿,他写道:“照理云雾室照片上有很多中子的痕迹……所以我不是太相信中子。”

1931年6月,美国物理学会和科学促进会在加州理工学院所在的帕萨迪纳(Pasadena)召开关于超精细结构的研讨会,泡利就他的“中子”假说作了演讲。他后来回忆:“这是我首次公开报告我关于这个穿透力很强的中性粒子……但是似乎还不能肯定,我没有准备将报告出版。”不久之后,泡利又在密西根大学所在的安阿伯(Ann Arbor)的暑期学校上讲了他的新粒子。

1938年,泡利(左)与狄拉克   图/CERN

10月,在罗马,古德斯密特(Samuel Goudsmit)在其报告中提到泡利的假说。古德斯密特正在作报告时,泡利到达会场。泡利后来回忆:“费米要我讲我的新想法,但是我仍然小心,没有公开讲……只是私下讲了。”

12月,泡利在纽约告诉拉比:“我认为我比狄拉克聪明,我不会发表它。”7个月前,就在泡利为中微子假说犹疑期间,狄拉克(P. Dirac)提出了正电子假说。

1928年初,狄拉克从相对论性的量子力学方程(也就是他的狄拉克方程)中解出负能量解,他先是认为不符合物理,直接抛弃。然后克莱因和仁科芳雄(Y. Nishina)的工作表明负能量解丢不得。1929年底,狄拉克又提出负能量海的概念,将其中的空穴解释为质子。然而质子质量是电子的两千倍。狄拉克当然知道空穴质量应该与电子一样,但是他寄希望于电磁相互作用可能改变这一点。对此,狄拉克后来说:“那时每个人都觉得电子和质子是自然界仅有的基本粒子。”

1931年5月,狄拉克终于在一篇文章中提出,负能量海的空穴是电子的反粒子——正电子。1932年9月,安德森(C. D. Anderson)发现了正电子,证实了狄拉克的预言。

后来的人们,对于粒子物理学家利用各种守恒定律预言新粒子习以为常。类似地,凝聚态物理学家乐于预言各种新物态。但在当时,预言新粒子是非常具有革命性、需要勇气的。除了质子和电子,人们只知道爱因斯坦在早期量子论阶段预言的光子。

与泡利和狄拉克的踌躇相比,爱因斯坦预言光子时的胆大心细显现出他的特别。那个时候,玻尔宁愿牺牲能量守恒原理,也想不出可能存在新粒子。难怪泡利将他的中微子假说称为“绝望的补救方法”。威格纳(E. Wigner)也认为这是疯狂而有勇气的。

不过,即使正电子由安德森发现了,泡利还是不能接受狄拉克的理论,他在给狄拉克的信中说:“即使反电子被证明,我也不相信你的空穴理论。”一个月后,又在给海森堡的信中说:“我不相信空穴理论,因为我宁愿自然规律在正负电之间不对称,而空穴理论将经验上确定的不对称转移成初始状态的不对称。”

1936年,面对狄拉克理论的成功,泡利接受现实但是仍然不服气:“似乎成功站在狄拉克一边,而不是逻辑一边。”

早在1931年夏天的密歇根暑期学校上,泡利就公然反对狄拉克。当时,奥本海默正在介绍狄拉克方程,泡利走到讲台上,宣称:“这都是错的。” 奥本海默后来成为“原子弹之父”,泡利只比他大4岁,却是一言九鼎的元老。这位少年天才,25岁就提出不相容原理,而且海森堡的很多工作还是在和他的讨论中进行的。

泡利不喜欢狄拉克理论的基本假设(真空状态下,电子填满了无限多的负能量状态,正电子是其中一个电子跳到正能量状态后留下的空位),而且电子与电磁场相互作用还导致理论计算中出现的无穷大。后来量子场论扬弃了狄拉克的负能量海假说,将正反粒子平等对待,而重正化方法则处理了计算中的无穷大。这些后来的发展反衬出泡利反对意见中的深刻。

1927年,比利时布鲁塞尔,第五届索尔维会议合影汇聚了物理学 的“全明星”。 后排左起:皮卡尔德、亨利厄特、埃伦费斯特、赫尔岑、德唐德、薛定谔、费尔夏费尔德、泡利、海森堡、富勒、布里渊; 中排左起:德拜、克努森、布拉格、克莱默、狄拉克、康普顿、德布罗意、波恩、玻尔; 前排左起:朗缪尔、普朗克、居里夫人、洛伦兹、爱因斯坦、朗之万、古伊、威尔逊、里查森

 

诚实的保守者与批评者

1932年1月,查德威克发现了我们现在所说的与质子质量相近的中子。值得注意的是,泡利最初为了同时解决β衰变的诸种疑难而提出他的“中子”时,认为它与质子和电子同为原子核的组成部分,在原子核发生β衰变时和电子一起发出。而查德威克在发现中子之前就一直也用这个名词。他和卢瑟福找了它12年,他们认为它是原子核的组分,但是是质子和电子的复合体。

所以作为原子核的组分,泡利假设的“中子”和查德威克发现的中子是一致的,虽然二者的质量有天壤之别。难道原子核里除了查德威克的中子,还有泡利的“中子”?二者有何关系?这些问题直到1934年才被费米的β衰变理论解决。他告诉人们原子核内原来没有中微子,而当查德威克的中子衰变时,变为质子、电子和中微子。这是费米对物理学最大的理论贡献。

1932年7月,费米(E. Fermi)在巴黎的一个会议上介绍了泡利的假说。

1933年4月开始,泡利采纳费米的建议,改称他预言的“中子”为“中微子”。

1933年5月,艾利斯和莫特(N.F.Mott)提出β衰变能谱的上限是衰变前后原子核的能量差。

1933年10月,在第7届索尔维会议上,艾利斯介绍了他和莫特的工作。此时泡利公开坚定地介绍了中微子假说,而且作了修改,放弃了关于它的磁矩的假设,也不再提它是原子核的组分。关于泡利的这个演讲的记录,杨振宁曾经评论说,从现在来看,每一点都是正确的。

杨振宁先生曾认为:“一年前正电子的发现验证了狄拉克不可思议的空穴理论,这也许给了泡利勇气:毕竟空穴理论很大胆,而且基于泡利的不相容原理。”但是我们看到,泡利没有因为空穴理论基于泡利不相容原理而影响对它的质疑,而且这与中微子假说无关。笔者认为,艾利斯和莫特的实验工作才是泡利不再犹疑的原因。

不过,即使在1933年10月的索尔维会议上坚定了中微子假说后,泡利仍然始终没有正式发表论文。泡利一生中对种种新理论都非常苛刻,这也包括他自己的理论。我们还可以再举三个例子,一个关于别人的理论,一个是关于他自己的理论尝试,另一个是与别人的合作。

自旋是量子粒子的一个重要性质,导致原子光谱的精细结构。这是1925年两个荷兰青年乌伦贝克(George Uhlenbeck)和古德斯米特提出的。比他们早大半年,克勒尼希曾经有过同样的想法,但是没有发表,因为首先遭到了泡利反对(后来玻尔、海森堡和克拉默斯也表示反对)。据说因为这个原因,电子自旋的概念提出没有得到诺贝尔奖。两位青年物理学家因为这个成就获得密歇根大学的教职,创立了上述密歇根暑期学校。泡利等人的反对也是有原因的,因为当时都将自旋当作自转,于是为了解释实验,这个自转的速度必须超过光速,而这是违反相对论的。

第二个例子关乎泡利自己的研究工作。杨振宁先生认为,他对物理学最大的贡献是“杨-米尔斯理论”,也叫非阿贝尔规范理论,这是他和米尔斯1954年提出的,将外尔(Hermann Weyl)1929年关于电磁学的阿贝尔规范理论做了推广,提供一个描述关于质子和中子的强核力的理论框架。其实1953年,泡利做过类似的尝试,但是他自己旋即又放弃了这个理论,因为他发现这个理论中,传递强核力的媒介粒子必须如光子一样没有质量,意味着强核力可以长距离传递,而这与事实不符。1954年,杨振宁做了一个学术报告,介绍杨-米尔斯理论,泡利在听众中,他表示了对这个理论的反对。但是杨振宁不顾泡利的反对,出于理论的美,发表了这个当时有问题的理论。后来峰回路转,经过许多其他物理学家作的很多努力,加入了其他思想元素(所谓的自发对称破缺和渐进自由),杨-米尔斯理论成了分别描述强相互作用和电弱相互作用(统一了电磁与弱作用)的理论框架。

第三个例子是泡利与海森堡最后的合作,泡利正确地发现这个理论是错的。1955年,海森堡开始研究一种非线性场论,试图统一所有的基本粒子和相互作用。泡利一直拒绝海森堡的合作邀请,但是1957年加入了合作,到了年底,泡利对这个理论也充满了热情。1958年1月,他从瑞士来美国访问半年。在吴健雄的安排下,泡利在哥伦比亚大学做了一个演讲,听众中的年轻一代包括李政道、派斯(Abraham Pais)、杨振宁等,他们觉得这个理论是荒谬的,泡利自己说这可能是个疯狂的理论,在场的玻尔说可能还不够疯狂。4月份的时候,他在伯克利向海森堡表示退出合作,并给同行们写信说明。6月份在日内瓦的一个国际会议上,海森堡作报告时,泡利提出了尖锐的批评。后来泡利还画了个空白的长方形寄给海森堡,并写道:“这是向全世界展示,我能画得像……那么好,只是缺少细节。”

历史地看,泡利对新理论的批评是有道理的,反映了他的诚实、保守和强大的功力。但是有些他反对的新理论后来找到办法绕过他当时的反对理由。另一方面,虽然这些理论生存下来或者后来复活,但也不能改变泡利当初批评的合理性。

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泡利批评别人是不留情面的,他对非常错误的东西的说法是“错都算不上(not even wrong)”,这是非常尖刻的。泡利的前妻1974年作过一个生动有趣的描述:

“泡利和我在苏黎世结婚时,他总是告诉我他在世界物理学界真是非常重要。他经常像一头笼中的狮子在屋里走动,将他给别人的回答用最讽刺而机智的方式表达出来。这给了他极大的满足。”

但泡利的批评是真诚的,如果发现自己批评错了,就率直地承认。比如,1929年,外尔用量子论将他10年前的规范理论修改为正确的规范理论,先发表了一个概要,又发表了一篇详细的论文。泡利见到概要后,写了篇讽刺的信给外尔,但是看到后者后,写信给外尔致歉。而且泡利成了规范理论的主要倡导者,后来又曾尝试将其推广为非阿贝尔规范理论。

泡利拥有一丝不苟的求真态度、强大的能力、对物理学的全盘掌握和深邃的眼光,这减少了记在他名下的成就。他自己的有些研究工作,因为他看得很远、看到缺点,在完成或发表之前就放弃了,然后被其他人再发现。

1946年,泡利曾经跟派斯谈起自己找研究题目的困难,然后说:“也许因为我知道得太多了。”1958年,他又对物理学史家梅拉(J. Mehra)说:“我年轻时觉得自己是最好的形式主义者,是个革命者,当大问题来时,我会解决它们发表出来。然后大问题来了,过去了,被其他人解决了发表了。我是个保守者,不是革命者。”

这样的自我评价或许过于悲观了,“保守者”的说法恰恰佐证了他的这种批评眼光。公正地说,泡利对物理学的贡献超出明确记在他名下的成果,还体现在他的批评中。

 

最初勇气的来源

泡利作出中微子假说这种革命性举措,可以说与他通常的风格很不一致,那么什么因素促使他终究还是作出了中微子假说?“人生危机(1930-1931)的傻孩子”指的是什么?

做出中微子假说的3年前,泡利的母亲于1927年11月15日自杀,这导致他停止去教堂。而在给放射学会议的信发出前几天,1930年11月26日,泡利刚刚结束短暂而不幸的婚姻。它仅持续了11个月,泡利在婚后写给克莱因的信中称它是“松散”的 。这给了他很大的打击,导致他酗酒、抽烟。 泡利在给放射学会议的信中说他不能参加会议,因为要参加一个舞会。这是当时苏黎世的一个大型舞会,正好反映了他要主动走出几天前离婚的痛苦。

1954年瑞典隆德物理研究所的落成典礼上,泡利(左)和玻尔在玩陀螺图/American Institute of Physics

泡利在父亲的建议下,开始见精神分析师荣格(Gustav Jung),阅读他的著作。1932年1月开始,在荣格的安排下,泡利经常写信描述自己的梦境,也倾诉很多个人信息,先是给荣格的一个学生,几个月后给荣格本人,一直持续到1934年10月,当时泡利已再婚半年。荣格认为分析是成功的,曾经在几个演讲和作品中匿名讨论泡利的情况,包括泡利的梦境。在某个演讲中,荣格说:

“我有个案例,关于一个大学教授,一个单面性的知识分子。他的下意识出了麻烦,被激发了;所以它指向了貌似他的敌人的人,他觉得非常孤独……然后他开始酗酒……但是他非常易怒……有一次被赶出餐馆还被揍……他找我寻求建议……在那次会面中,我得到非常清晰的印象:我看到他充满了古旧的东西,我对我自己说:‘我要做一个有趣的实验,不用我的影响就将他的东西变得绝对纯净……’所以我将他介绍给一位女医生,她是个新手,对原始材料了解并不多……他告诉她观测自己的梦,他将它们仔细记录下来……我现在有他113个梦的记录……他还画下梦中所见……他与那位医生交流了五个月,然后三个月自己做这些事,继续仔细观察自己的下意识……后来两年中,见了我几次……最后他成了完全正常和合理的人。”

荣格对泡利的精神分析结束时,泡利说这结束了他的前半生。他在给荣格的信中说:“在我的前半生中,我对别人来说,是个讽刺者、冷酷的魔鬼以及狂热的无神论者和知识导师。”

在后半生中,泡利早餐时给妻子讲述他的梦,然后写下来。但是他妻子觉得这些梦被润色了,销毁了这些记述,除了寄给荣格的。

看来人生的危机有时也能刺激出创造力的迸发,特别是对于泡利这种为物理创造而生的人。爱因斯坦的广义相对论、引力波预言、量子电磁辐射理论等成就也诞生于人生危机中。

 

(本文作者为复旦大学物理学系教授;参考文献: 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 2019 第30期 总第608期
出版时间:2019年10月10日
 
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