一隻又死又活的薛定諤的貓

第十九章 馬約拉納：物理學界的一隻獨狼

　　和理論物理打過十幾年交道，卻從來沒有注意過埃托雷馬約拉納（Ettore Majorana，1906-1938）這個名字。直到讀了馬蓋若（Jeao Magueijo）最近出版的《絢麗的黑暗》（A Brilliant Darkness）才知道上世紀30年代物理學界曾有過這樣一位傑出的怪才。他的生命雖然隻有短短的32年，而其中真正用於研究物理的時間大約隻有五六年，但他顯現出的才華和極敏銳的洞察力，特別是對很多當時的物理難題的超前思維，隻能用無與倫比來形容。馬約拉納21歲時加入羅馬大學物理研究所由費米（Enrico Fermi，1938年獲諾貝爾物理學獎，第一座核反應堆的發明者）領導的研究組，這個組在物理界非常有名，裏麵匯集了一批意大利當時最優秀的青年物理學家，理論與實驗並重，而且工作效率奇高。大家以費米為中心進行工作，唯有馬約拉納是一個單打獨鬥的研究人員。不過他超級的分析與計算能力及天才的物理直覺對整個研究組的幫助卻是無法估量的。然而有一件事一直讓費米既頭痛又無可奈何，那就是馬約拉納對發表研究成果的消極態度。很多時候一項實驗完成之後，同事們把實驗結果拿給馬約拉納看，他往往立即就能進行分析和計算，並給出理論上的解釋。要命的是，這些稍加補充與完善就能發表的分析和結論常常被他寫在隨手抓來的煙盒背麵或餐巾紙上，而他一番宏論之後，就將這些紙片一揉直接丟進了垃圾桶！

　　最讓費米耿耿於懷的，大概是馬約拉納沒有發表其有關中子的理論，而讓這項極重要的發現歸到了海森堡（Werner Heisenberg，因創立量子力學獲1932年諾貝爾物理學獎）的名下。現在我們都知道原子核是由帶正電的質子和不帶電的中子組成的。不過那時候中子還沒被發現，人們以為原子核是由帶正電的質子和帶負電的電子所組成，因為似乎隻有有了電子的參與，才能靠“異性相吸”的電磁力將質子們聚攏在一起。比如具有7個正電單位的氮原子核，按舊理論，就應由14個質子和7個電子所組成。除了電荷數，原子核的另一個重要參數是自旋數，是由構成原子核的每個基本粒子的自旋數組合而成。自旋是描述粒子內在旋轉性質的一種物理量，基本粒子按照自旋數分為兩大類：玻色子（自旋為整數，0，1，2等等）和費米子（自旋為半整數，1/2，3/2等等）。質子和電子都是費米子，自旋數均是1/2.所以根據當時的模型，無論怎樣加加減減，氮原子核的自旋數必定是個半整數（某個整數加1/2）。1929年，費米研究組的成員之一瑞薩緹（Franco Rasetti）在美國加州理工學院進行訪問研究時，測量了氮原子核的自旋數，其結果卻是1！馬約拉納馬上意識到傳統的原核子模型肯定錯了，原子核裏沒有電子，它應該是由帶正電的質子和一種不帶電的、質量與質子相近且自旋亦為1/2的粒子所組成。他把這種粒子叫做“中性質子”，也就是人們後來發現的中子。具體到氮原子核，其組成應為7個質子加7個“中性質子”。他同時也意識到，為了使原子核不至因內部的質子們“同性相斥”而分崩離析，核內一定存在一種比電磁力強得多的相互作用力，他稱之為“交換作用力”--這就是後來人們所說的強相互作用力。他建構的這套原子核穩定性理論可以說是現代量子色動力學的前身。可是不知出於何種原因，盡管費米費盡唇舌，馬約拉納卻始終拒絕把這個理論拿出去發表。幾個月後，俄國的伊萬年科（Dmitri Ivanenko）認識到了中子的存在，海森堡也發表了與馬約拉納非常接近的理論。費米抱怨他坐失良機，他隻一笑置之。而當費米再次要求他至少應把已有的結果發表出來以便立此為證時，僅換來了淡淡一句“現在海森堡已經把該做的都做了”。馬約拉納的行事作風與費米可以說是格格不入，兩人的關係也不算融洽，不過費米對他的評價還是極高的，甚至將他列為牛頓、伽利略一級的人物。

　　最近，隨著《李正道傳》的出版，為了究竟是誰首先提出了宇稱不守恒這一想法，又掀起一場不大不小的論戰。其實，說不定馬約拉納倒是第一個想到宇稱可能不守恒的人--宇稱的問題曾作為一個令人困惑的純數學問題而出現在他的中微子理論之中。當然，想到了並不等於能證明。

　　宇稱是一種描述粒子在空間反演變換下性質的物理量。就像我們有的人習慣用右手寫字，有的習慣用左手一樣，基本粒子也具有類似的特性--左旋與右旋。對大多數粒子來說左旋與右旋是對稱的，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。假如一個具有左旋的A粒子去照鏡子，鏡子裏看到的就是一個具有右旋的A粒子。在粒子的相互作用中，如果以左旋粒子取代同種的右旋粒子而結果不變，這種相互作用就具有左與右的對稱性。粗略地說，這就是宇稱守恒。宇稱隻在弱相互作用過程中會不守恒，而弱相互作用一般都涉及中微子（一種不帶電、質量近於零、自旋為1/2的基本粒子）。一個典型的例子是，在β衰變中釋放出的中微子都是左旋的。也就是說，如果這個左旋中微子去照鏡子，鏡子裏則什麽都沒有，因為右旋中微子根本就不存在。馬約拉納是研究中微子的高手，極有可能已經意識到了中微子的這種高度不對稱性。他30年代初建構的中微子理論雖然與現在普遍接受的理論大相徑庭，卻同樣能解釋迄今為止的所有相關實驗，因而難分高下。如果中微子的靜止質量（物體靜止不動時的質量）為零，則這兩個理論永遠分不出優劣。然而本世紀初一係列有關中微子震蕩的實驗，基本肯定了中微子是有質量的。因而對這兩個理論的最終判定也許已為期不遠了。

　　除了馬約拉納，還有一個人與宇稱不守恒的發現失之交臂。據馬蓋若在《絢麗的黑暗》裏所說，薩拉姆（Abdus Salam，1979年以弱電統一理論獲得諾貝爾物理學獎）打從在英國劍橋讀博士時起，就一直對傳統的中微子理論和馬約拉納的中微子理論中的數學結構十分疑惑不解。大約在1956年初，在李政道和楊振寧發表宇稱不守恒的論文之前，有一次他從美國乘飛機回英國，在途中無所事事，於是又開始思考中微子的問題。突然間靈光一閃，想到如果中微子具有最大化的左右不對稱性，即隻有左旋中微子而沒有右旋中微子，那些困擾他多年的問題就能迎刃而解！這其實意味著他的一隻腳已經跨過了通往宇稱不守恒的大門的門檻。薩拉姆一下飛機就趕緊將他的想法詳細寫出來拿給審閱過他的博士論文的派艾爾（Peierl）去看。不料派艾爾的回答竟是“我根本不相信在弱核力中左右對稱性會被破壞，我連碰都不會碰這種想法”。薩拉姆並不甘心，又直接聯係“中微子之父”泡利（Wolfgang Pauli，1945年獲諾貝爾物理學獎）。可是泡利卻警告說，如果他提出如此愚蠢的想法，無異於自毀前程。薩拉姆最終放棄了自己的想法，從而將那扇已經被他打開的大門又關閉了起來。由此可見在科學研究的過程中，提出一個想法固然重要，如何證明這一想法也同樣重要，而能看出一個離經叛道的想法所具有的重要意義並敢於把它發表出來尤其重要。薩拉姆在這次教訓之後有點走向了另一個極端--時常把並不成熟的結論也匆忙發表出來。這當然也無可厚非，終究他曾與一項重大發現擦肩而過。而像馬約拉納那樣視名利如糞土的人畢竟是少之又少的。

　　馬約拉納的那篇有關中微子的論文能夠流傳於世，還有一段小故事。大約在1932年，他曾經致力於構造一種能涵蓋所有基本粒子及其相互作用的“超級”理論。這和愛因斯坦窮其後半生所追求的大統一理論頗有幾分相似。從這一點上看，也可以說馬約拉納是大統一理論的先驅。可惜的是，他的這個“超級”理論沒能行得通--至少在當時看來是這樣。這篇未完成的宏文被他扔進了抽屜。他的中微子理論僅是這個理論的一個附錄，當然也一並進了抽屜。1933年，由於健康原因，馬約拉納辭去了在羅馬大學物理研究所的職位，開始了長達4年幾乎足不出屋的“閉關”生活。在這四年裏他沒發表過什麽論文，卻完成了一批雜七雜八的小型研究，包括地球物理、電子工程、數學和相對論。到了1937年，在沒有任何征兆的情況下，他突然“破關”而出，去應聘巴勒莫大學的一個教授職位。在應聘要求當中有一條是必須提交一篇論文，於是他就將那篇已經塵封5年之久的有關中微子的附錄拿了出來。這樣才使世人有機會一睹他的極富想象力的中微子理論。馬約拉納的出現大大出乎招聘委員會的預料，也使他們十分為難。因為以馬約拉納在物理界的地位，隻要他申請，這個職位當然非他莫屬。可麻煩的是，此位子早就內定好了是給另外一個申請人的，而且還牽涉到好幾個其他人的升遷。意大利的教育機構最後隻得以馬約拉納實在過於傑出為由，在那不勒斯大學又為他專門設立了一個新職位，才算把這件事擺平了。

　　一篇附錄就具有如此水準，馬約拉納的抽屜裏不知還有多少“寶貝”？隻可惜我們無緣見到。馬約拉納有一句名言“物理已入歧途，我們都已入歧途”。我們可以把這句話理解為單純講物理學，也就是說馬約拉納覺得整個物理學的研究方向錯了，而他可能已看到了通往真理的道路。也有人對這句話作更“深層”的解讀，認為他的意思是物理本應造福人類，現在卻可能淪為毀滅人類的工具。還由此懷疑他也許是發現核裂變及鏈式反應（原子彈和原子反應堆的基礎）奧秘之第一人，並推斷這是他後來帶著所有重要筆記從世上消失的根本原因。以馬約拉納當時所處的地位，這倒也不是空穴來風。因為費米研究組是公認的最“應該”首先掌握這兩項發現的（特別是核裂變），然而卻陰差陽錯地拱手讓給了別人。

　　馬約拉納是個謎一樣的人物，且不說他那些在物理學上匪夷所思的超前思維，單說他對生活中的一些小事的判斷也頗令人費解。比如他從來沒交過女朋友，原因竟是他自認為長得太醜。可從他的照片上看，雖算不上英俊，但怎麽說也不是個醜八怪。至於他的死（嚴格說應該是失蹤）就更為離奇。1938年3月25日他給家人和他任職的那不勒斯大學物理研究所的所長卡瑞利（Antonio Carrelli）各留了一封短信後，就登上了一艘開往西西裏首府巴勒莫的郵船。一般人和警方都把這兩封信解讀為絕命書。不過也有兩件事有點令人費解，他支領了半年的薪水並帶走了所有重要的科研筆記--這不大像一個準備自殺之人所為。盡管如此，如果事情到此為止，大概家大都還是會認定他自殺了。可出人意料的是，他平安抵達了巴勒莫，而且又發了一封電報和一封信給卡瑞利。電報僅一句話“別緊張，信隨後就到”，信裏則明確說他放棄了自殺的念頭。根據記錄，他確實買了返回那不勒斯的船票，而且有個同倉的人（3個人住一間倉房）曾作證說，他在那不勒斯下船時，馬約拉納還在倉裏睡覺。但馬約拉納卻從人間蒸發了，沒人確切知道他是否在那不勒斯下了船，甚至連他到底上沒上開往那不勒斯的船也是個未知數。這種不確定的結局，為後人留下了想象的空間。以致幾十年來不斷有人宣稱在世界的不同角落遇見過馬約拉納，版本之一是：在60年代初，他經常在智利的一個小酒館裏吃飯，還在餐巾紙上演算數學問題……這些傳聞無一可以得到證實，恐怕均是媒體的炒作。時至今日，意大利人也沒有忘記他。他多次成為科學幻想小說或電影中的主角，甚至還有關於他的科幻連環畫集。在連環畫裏馬約拉納的結局最為輝煌--被外星人接走了！