一只又死又活的薛定谔的猫

第十九章 马约拉纳：物理学界的一只独狼

　　和理论物理打过十几年交道，却从来没有注意过埃托雷马约拉纳（Ettore Majorana，1906-1938）这个名字。直到读了马盖若（Jeao Magueijo）最近出版的《绚丽的黑暗》（A Brilliant Darkness）才知道上世纪30年代物理学界曾有过这样一位杰出的怪才。他的生命虽然只有短短的32年，而其中真正用于研究物理的时间大约只有五六年，但他显现出的才华和极敏锐的洞察力，特别是对很多当时的物理难题的超前思维，只能用无与伦比来形容。马约拉纳21岁时加入罗马大学物理研究所由费米（Enrico Fermi，1938年获诺贝尔物理学奖，第一座核反应堆的发明者）领导的研究组，这个组在物理界非常有名，里面汇集了一批意大利当时最优秀的青年物理学家，理论与实验并重，而且工作效率奇高。大家以费米为中心进行工作，唯有马约拉纳是一个单打独斗的研究人员。不过他超级的分析与计算能力及天才的物理直觉对整个研究组的帮助却是无法估量的。然而有一件事一直让费米既头痛又无可奈何，那就是马约拉纳对发表研究成果的消极态度。很多时候一项实验完成之后，同事们把实验结果拿给马约拉纳看，他往往立即就能进行分析和计算，并给出理论上的解释。要命的是，这些稍加补充与完善就能发表的分析和结论常常被他写在随手抓来的烟盒背面或餐巾纸上，而他一番宏论之后，就将这些纸片一揉直接丢进了垃圾桶！

　　最让费米耿耿于怀的，大概是马约拉纳没有发表其有关中子的理论，而让这项极重要的发现归到了海森堡（Werner Heisenberg，因创立量子力学获1932年诺贝尔物理学奖）的名下。现在我们都知道原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成的。不过那时候中子还没被发现，人们以为原子核是由带正电的质子和带负电的电子所组成，因为似乎只有有了电子的参与，才能靠“异性相吸”的电磁力将质子们聚拢在一起。比如具有7个正电单位的氮原子核，按旧理论，就应由14个质子和7个电子所组成。除了电荷数，原子核的另一个重要参数是自旋数，是由构成原子核的每个基本粒子的自旋数组合而成。自旋是描述粒子内在旋转性质的一种物理量，基本粒子按照自旋数分为两大类：玻色子（自旋为整数，0，1，2等等）和费米子（自旋为半整数，1/2，3/2等等）。质子和电子都是费米子，自旋数均是1/2.所以根据当时的模型，无论怎样加加减减，氮原子核的自旋数必定是个半整数（某个整数加1/2）。1929年，费米研究组的成员之一瑞萨缇（Franco Rasetti）在美国加州理工学院进行访问研究时，测量了氮原子核的自旋数，其结果却是1！马约拉纳马上意识到传统的原核子模型肯定错了，原子核里没有电子，它应该是由带正电的质子和一种不带电的、质量与质子相近且自旋亦为1/2的粒子所组成。他把这种粒子叫做“中性质子”，也就是人们后来发现的中子。具体到氮原子核，其组成应为7个质子加7个“中性质子”。他同时也意识到，为了使原子核不至因内部的质子们“同性相斥”而分崩离析，核内一定存在一种比电磁力强得多的相互作用力，他称之为“交换作用力”--这就是后来人们所说的强相互作用力。他建构的这套原子核稳定性理论可以说是现代量子色动力学的前身。可是不知出于何种原因，尽管费米费尽唇舌，马约拉纳却始终拒绝把这个理论拿出去发表。几个月后，俄国的伊万年科（Dmitri Ivanenko）认识到了中子的存在，海森堡也发表了与马约拉纳非常接近的理论。费米抱怨他坐失良机，他只一笑置之。而当费米再次要求他至少应把已有的结果发表出来以便立此为证时，仅换来了淡淡一句“现在海森堡已经把该做的都做了”。马约拉纳的行事作风与费米可以说是格格不入，两人的关系也不算融洽，不过费米对他的评价还是极高的，甚至将他列为牛顿、伽利略一级的人物。

　　最近，随着《李正道传》的出版，为了究竟是谁首先提出了宇称不守恒这一想法，又掀起一场不大不小的论战。其实，说不定马约拉纳倒是第一个想到宇称可能不守恒的人--宇称的问题曾作为一个令人困惑的纯数学问题而出现在他的中微子理论之中。当然，想到了并不等于能证明。

　　宇称是一种描述粒子在空间反演变换下性质的物理量。就像我们有的人习惯用右手写字，有的习惯用左手一样，基本粒子也具有类似的特性--左旋与右旋。对大多数粒子来说左旋与右旋是对称的，即如果存在具有左旋的A粒子，就一定也存在具有右旋的A粒子。假如一个具有左旋的A粒子去照镜子，镜子里看到的就是一个具有右旋的A粒子。在粒子的相互作用中，如果以左旋粒子取代同种的右旋粒子而结果不变，这种相互作用就具有左与右的对称性。粗略地说，这就是宇称守恒。宇称只在弱相互作用过程中会不守恒，而弱相互作用一般都涉及中微子（一种不带电、质量近于零、自旋为1/2的基本粒子）。一个典型的例子是，在β衰变中释放出的中微子都是左旋的。也就是说，如果这个左旋中微子去照镜子，镜子里则什么都没有，因为右旋中微子根本就不存在。马约拉纳是研究中微子的高手，极有可能已经意识到了中微子的这种高度不对称性。他30年代初建构的中微子理论虽然与现在普遍接受的理论大相径庭，却同样能解释迄今为止的所有相关实验，因而难分高下。如果中微子的静止质量（物体静止不动时的质量）为零，则这两个理论永远分不出优劣。然而本世纪初一系列有关中微子震荡的实验，基本肯定了中微子是有质量的。因而对这两个理论的最终判定也许已为期不远了。

　　除了马约拉纳，还有一个人与宇称不守恒的发现失之交臂。据马盖若在《绚丽的黑暗》里所说，萨拉姆（Abdus Salam，1979年以弱电统一理论获得诺贝尔物理学奖）打从在英国剑桥读博士时起，就一直对传统的中微子理论和马约拉纳的中微子理论中的数学结构十分疑惑不解。大约在1956年初，在李政道和杨振宁发表宇称不守恒的论文之前，有一次他从美国乘飞机回英国，在途中无所事事，于是又开始思考中微子的问题。突然间灵光一闪，想到如果中微子具有最大化的左右不对称性，即只有左旋中微子而没有右旋中微子，那些困扰他多年的问题就能迎刃而解！这其实意味着他的一只脚已经跨过了通往宇称不守恒的大门的门槛。萨拉姆一下飞机就赶紧将他的想法详细写出来拿给审阅过他的博士论文的派艾尔（Peierl）去看。不料派艾尔的回答竟是“我根本不相信在弱核力中左右对称性会被破坏，我连碰都不会碰这种想法”。萨拉姆并不甘心，又直接联系“中微子之父”泡利（Wolfgang Pauli，1945年获诺贝尔物理学奖）。可是泡利却警告说，如果他提出如此愚蠢的想法，无异于自毁前程。萨拉姆最终放弃了自己的想法，从而将那扇已经被他打开的大门又关闭了起来。由此可见在科学研究的过程中，提出一个想法固然重要，如何证明这一想法也同样重要，而能看出一个离经叛道的想法所具有的重要意义并敢于把它发表出来尤其重要。萨拉姆在这次教训之后有点走向了另一个极端--时常把并不成熟的结论也匆忙发表出来。这当然也无可厚非，终究他曾与一项重大发现擦肩而过。而像马约拉纳那样视名利如粪土的人毕竟是少之又少的。

　　马约拉纳的那篇有关中微子的论文能够流传于世，还有一段小故事。大约在1932年，他曾经致力于构造一种能涵盖所有基本粒子及其相互作用的“超级”理论。这和爱因斯坦穷其后半生所追求的大统一理论颇有几分相似。从这一点上看，也可以说马约拉纳是大统一理论的先驱。可惜的是，他的这个“超级”理论没能行得通--至少在当时看来是这样。这篇未完成的宏文被他扔进了抽屉。他的中微子理论仅是这个理论的一个附录，当然也一并进了抽屉。1933年，由于健康原因，马约拉纳辞去了在罗马大学物理研究所的职位，开始了长达4年几乎足不出屋的“闭关”生活。在这四年里他没发表过什么论文，却完成了一批杂七杂八的小型研究，包括地球物理、电子工程、数学和相对论。到了1937年，在没有任何征兆的情况下，他突然“破关”而出，去应聘巴勒莫大学的一个教授职位。在应聘要求当中有一条是必须提交一篇论文，于是他就将那篇已经尘封5年之久的有关中微子的附录拿了出来。这样才使世人有机会一睹他的极富想象力的中微子理论。马约拉纳的出现大大出乎招聘委员会的预料，也使他们十分为难。因为以马约拉纳在物理界的地位，只要他申请，这个职位当然非他莫属。可麻烦的是，此位子早就内定好了是给另外一个申请人的，而且还牵涉到好几个其他人的升迁。意大利的教育机构最后只得以马约拉纳实在过于杰出为由，在那不勒斯大学又为他专门设立了一个新职位，才算把这件事摆平了。

　　一篇附录就具有如此水准，马约拉纳的抽屉里不知还有多少“宝贝”？只可惜我们无缘见到。马约拉纳有一句名言“物理已入歧途，我们都已入歧途”。我们可以把这句话理解为单纯讲物理学，也就是说马约拉纳觉得整个物理学的研究方向错了，而他可能已看到了通往真理的道路。也有人对这句话作更“深层”的解读，认为他的意思是物理本应造福人类，现在却可能沦为毁灭人类的工具。还由此怀疑他也许是发现核裂变及链式反应（原子弹和原子反应堆的基础）奥秘之第一人，并推断这是他后来带着所有重要笔记从世上消失的根本原因。以马约拉纳当时所处的地位，这倒也不是空穴来风。因为费米研究组是公认的最“应该”首先掌握这两项发现的（特别是核裂变），然而却阴差阳错地拱手让给了别人。

　　马约拉纳是个谜一样的人物，且不说他那些在物理学上匪夷所思的超前思维，单说他对生活中的一些小事的判断也颇令人费解。比如他从来没交过女朋友，原因竟是他自认为长得太丑。可从他的照片上看，虽算不上英俊，但怎么说也不是个丑八怪。至于他的死（严格说应该是失踪）就更为离奇。1938年3月25日他给家人和他任职的那不勒斯大学物理研究所的所长卡瑞利（Antonio Carrelli）各留了一封短信后，就登上了一艘开往西西里首府巴勒莫的邮船。一般人和警方都把这两封信解读为绝命书。不过也有两件事有点令人费解，他支领了半年的薪水并带走了所有重要的科研笔记--这不大像一个准备自杀之人所为。尽管如此，如果事情到此为止，大概家大都还是会认定他自杀了。可出人意料的是，他平安抵达了巴勒莫，而且又发了一封电报和一封信给卡瑞利。电报仅一句话“别紧张，信随后就到”，信里则明确说他放弃了自杀的念头。根据记录，他确实买了返回那不勒斯的船票，而且有个同仓的人（3个人住一间仓房）曾作证说，他在那不勒斯下船时，马约拉纳还在仓里睡觉。但马约拉纳却从人间蒸发了，没人确切知道他是否在那不勒斯下了船，甚至连他到底上没上开往那不勒斯的船也是个未知数。这种不确定的结局，为后人留下了想象的空间。以致几十年来不断有人宣称在世界的不同角落遇见过马约拉纳，版本之一是：在60年代初，他经常在智利的一个小酒馆里吃饭，还在餐巾纸上演算数学问题……这些传闻无一可以得到证实，恐怕均是媒体的炒作。时至今日，意大利人也没有忘记他。他多次成为科学幻想小说或电影中的主角，甚至还有关于他的科幻连环画集。在连环画里马约拉纳的结局最为辉煌--被外星人接走了！