趙松年,于允賢

(1. 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京 100029;2. 國(guó)家地震局減災(zāi)中心,北京 100029)

名人的重大或關(guān)鍵失誤,對(duì)于受儒教文化熏陶的國(guó)人來(lái)說(shuō),往往認(rèn)為是尊者之諱,很少分析、討論和談?wù)?對(duì)于西方人士而言,一般認(rèn)為是個(gè)人隱私,在利益的驅(qū)使下,自然也不愿意談?wù)?即使在科學(xué)史中,談?wù)撨@類問題,往往擔(dān)心被看作是個(gè)人矛盾或利益沖突,也只是輕描淡寫,一提而過(guò),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(xiàn),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(xué)創(chuàng)立之后,一批年輕的學(xué)者,競(jìng)相研究,激烈競(jìng)爭(zhēng),你追我趕,與經(jīng)典力學(xué)大不相同的新觀點(diǎn)大量涌現(xiàn),不同學(xué)派和團(tuán)體之間,彼此之間既有爭(zhēng)論,也有交流;分布在歐洲幾個(gè)大城市(如柏林,蘇黎世,哥廷根,哥本哈根)的大學(xué)中,學(xué)習(xí)物理學(xué)的也就二三十個(gè)年輕人(比現(xiàn)在的物理研究所的規(guī)模小多了,當(dāng)時(shí),就連愛因斯坦的量子論文的閱讀量也不超過(guò)20),就是在這樣的大背景下,天賜良機(jī),由黑體輻射公式催生的量子論不斷發(fā)展,造就了一批量子精英,他們除了具有創(chuàng)新的巨大熱情外,基礎(chǔ)知識(shí)并不扎實(shí),也不全面,更談不上數(shù)學(xué)水平有多高;但是,隨著量子論發(fā)展到量子力學(xué),這批年輕精英也逐漸成長(zhǎng)為被后人譽(yù)為大師級(jí)的物理學(xué)家,所有這些精英都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),這是一個(gè)不可復(fù)制的特殊年代.發(fā)生在這個(gè)年代的科學(xué)事件,自然引人注目,也是科學(xué)歷史長(zhǎng)久不衰的論題.

本文正是從這一時(shí)期的量子力學(xué)大師的著名失誤,來(lái)思考我們能從中得到什么啟迪,獲得什么教義和經(jīng)驗(yàn)?這當(dāng)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(duì)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(xué)遺產(chǎn),更是當(dāng)作科學(xué)家吸取教訓(xùn)的遺產(chǎn),進(jìn)而學(xué)習(xí)和從中獲得寶貴的教訓(xùn).本文選擇不同時(shí)期、不同類型和有不同代表性的事例,根據(jù)失誤的表現(xiàn)方式和個(gè)人性格特點(diǎn),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(shí)介紹一些相關(guān)的物理知識(shí),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(xiàn)在已經(jīng)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(tài)度和羅伯遜的君子風(fēng)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(shí)驗(yàn):機(jī)遇和挑戰(zhàn)

量子力學(xué)初創(chuàng)之后,有一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn),就是施特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)[1,2]：將光源置于強(qiáng)磁場(chǎng)中,光譜線會(huì)發(fā)生分裂(1896年塞曼發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)),那么,其它原子束若通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng),會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象?1922,德國(guó)的施特恩和蓋拉赫進(jìn)行了一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)(SG實(shí)驗(yàn)),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(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器和形狀特殊的磁鐵N-S形成的不均勻磁場(chǎng)(方向沿著z軸),銀原子束在磁場(chǎng)中分裂成只有向上或向下偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)磁場(chǎng)方向沿著x軸時(shí)(SGx),銀原子束的偏轉(zhuǎn)方向是前和后(見圖中坐標(biāo)系指向),當(dāng)磁場(chǎng)方向與y軸一致時(shí)(SGy),其偏轉(zhuǎn)方向則是左和右(或東和西).在這個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,繼續(xù)進(jìn)行的S-G級(jí)聯(lián)實(shí)驗(yàn),如圖2所示.

圖1 施泰恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)(SG實(shí)驗(yàn))示意圖

圖2 S-G裝置的級(jí)聯(lián)實(shí)驗(yàn)

然而,實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到,在磁場(chǎng)B中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁矩μB,根據(jù)S-G實(shí)驗(yàn),在z方向(即在磁場(chǎng)B的方向)的投影是:±?/2,這將會(huì)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(chǎn)生的,銀原子束為什么會(huì)出現(xiàn)上下分裂,在玻璃膠片上呈現(xiàn)出上下相隔的2個(gè)線斑圖,這是經(jīng)典力學(xué)和量子論均無(wú)法解釋的現(xiàn)象.

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

(1)

正好抵消了多出的因子2,泡利和海森伯也放棄了原來(lái)的反對(duì)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(jì)算電子在自旋情況下的旋轉(zhuǎn)速度,似乎很神秘,其實(shí)只是一些很簡(jiǎn)單的乘除運(yùn)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(dāng)然是很奇怪的事.當(dāng)時(shí),地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn),而又自轉(zhuǎn)是大眾的科普知識(shí),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(guò)了,可為什么這個(gè)情況沒有出現(xiàn)呢?我們不知道.以上的近似計(jì)算結(jié)果顯示,電子自旋的速度遠(yuǎn)超過(guò)光速,說(shuō)明設(shè)想電子具有自旋角動(dòng)量是不合理的,但是,S-G實(shí)驗(yàn)卻有力地支持電子具有自旋特性,二者矛盾的癥結(jié)是什么?在計(jì)算電子速度時(shí),將電子在磁場(chǎng)中的勢(shì)能看成與質(zhì)能公式E=mec2相當(dāng),這樣處理,似乎并不合適,這是將經(jīng)典力學(xué)用相對(duì)論來(lái)處理的結(jié)果(只有狄拉克相對(duì)論場(chǎng)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(yùn)動(dòng),目前,在理論上和實(shí)驗(yàn)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(shù)學(xué)描述.對(duì)于電子、正電子、質(zhì)子、中子、中微子、μ子、超子,它們的自旋量子數(shù)s都是±1/2;光子的自旋量子數(shù)s是1;π介子、K介子、η介子的自旋量子數(shù)s是0.既然自旋是一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式,它的上旋與下旋2個(gè)狀態(tài),不妨看成右手坐標(biāo)系與左手坐標(biāo)系的交替(在均勻和各向同性的空間中,各個(gè)取向,從絕對(duì)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(gè)狀態(tài)),至于如何引起這種交替,自然和不均勻磁場(chǎng)有關(guān),是否可以看成是粒子內(nèi)稟空間屬性的糾纏態(tài),因?yàn)榱Ｗ觾?nèi)部空間屬性目前并不清楚,單就它的取向而言,與磁場(chǎng)有關(guān)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(dòng)量無(wú)非是雙態(tài)的波函數(shù),它的本征值是ms?,而態(tài)矢量是|s,ms〉.其實(shí),無(wú)論是主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù),還是自旋量子數(shù),都是從本征方程衍化而來(lái),就是由它們確定各自相應(yīng)的本征值.值得強(qiáng)調(diào)的是,如果自旋是內(nèi)部空間的特性,那么,它必將成為描述波函數(shù)的一個(gè)重要的空間參變數(shù).

雙態(tài)波函數(shù)的態(tài)矢量表示式為:|ψ〉=α|+〉+β|-〉或者|ψ〉=α|↑〉+β|↓〉,也可以利用無(wú)限小轉(zhuǎn)動(dòng)算符表示,由于波函數(shù)可以看作是態(tài)空間中的態(tài)矢量,計(jì)入自旋角動(dòng)量之后,完整地描述就是在坐標(biāo)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(duì)論場(chǎng)方程,其中兩個(gè)解給出了電子的±1/2自旋態(tài),另外兩個(gè)解對(duì)應(yīng)于正負(fù)電子.由于出現(xiàn)正電子,在當(dāng)時(shí)的物理圈子(這里不用物理學(xué)界一詞,實(shí)在是因?yàn)槿藬?shù)太少,說(shuō)圈子比較符合當(dāng)時(shí)的情況)引起軒然大波,遭到玻爾、泡利、朗道等人的強(qiáng)烈反對(duì),狄拉克是一個(gè)不拘言笑、沉默寡言的人,也是一個(gè)無(wú)名的年輕人,在幾年中狄拉克都未能讓反對(duì)者信服,但是,他相信一個(gè)物理定律必須具有數(shù)學(xué)美,審視他的方程,簡(jiǎn)單、和諧和美的統(tǒng)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(jié)果,就說(shuō)明它是正確的,能夠獲得時(shí)間的考驗(yàn)[5]：果然,實(shí)驗(yàn)最后起了作用,1932年安德森(C. D. Anderson)用云室觀察宇宙線時(shí)發(fā)現(xiàn)了正電子,不久P. M. S.布萊克特又在云室中發(fā)現(xiàn)電子與正電子的產(chǎn)生和湮滅,這才使反對(duì)者改變態(tài)度接受狄拉克的反物質(zhì)理論.那么,這里要問一句,反對(duì)者之中不乏認(rèn)定物理方程的美學(xué)價(jià)值的人,也在各處大談這個(gè)觀點(diǎn),狄拉克方程的簡(jiǎn)單與和諧之美顯然可見,那為什么他們起勁地反對(duì)呢?只能說(shuō)是此一時(shí)彼一時(shí)吧!

既是狄拉克成名之后,愛因斯坦也從未向諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)推薦過(guò)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(dú)的錢德拉塞卡,被撕碎的講稿飄落在會(huì)議大廳中

1930年,19歲的印度青年學(xué)生錢德拉塞卡,因成績(jī)優(yōu)異獲得政府獎(jiǎng)學(xué)金,只身乘船前往英國(guó)劍橋求學(xué).他對(duì)星體的結(jié)構(gòu)和演化非常入迷,當(dāng)時(shí)天文學(xué)界認(rèn)為白矮星是一切恒星演化過(guò)程的最終階段,在十幾天漫長(zhǎng)的航行途中無(wú)事可做,他就對(duì)這一問題進(jìn)行思考,經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算,得出一個(gè)初步結(jié)果,表明當(dāng)恒星質(zhì)量超過(guò)某一上限,也就是太陽(yáng)質(zhì)量的1.44倍時(shí),它的最終歸宿將不會(huì)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(gè)1.44倍的太陽(yáng)質(zhì)量就是錢德拉塞卡極限.

來(lái)到英國(guó),錢德拉塞卡師從愛丁頓(Arthur Stanley Eddington),繼續(xù)在星體結(jié)構(gòu)和演化方面深造,那時(shí)的愛丁頓已是劍橋大學(xué)天文學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)終身教授,劍橋大學(xué)天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng),英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員,聲譽(yù)正隆.經(jīng)過(guò)在劍橋的學(xué)習(xí),錢德拉塞卡逐步完善了自己的發(fā)現(xiàn),而愛丁頓建議他在1935年皇家天文學(xué)會(huì)的會(huì)議上宣讀自己論文,報(bào)告自己的研究結(jié)果;時(shí)年24歲的青年錢德拉塞卡感激導(dǎo)師愛丁頓的關(guān)愛,給與他如此難得的機(jī)會(huì),終于得到宣讀自己論文的機(jī)會(huì).

當(dāng)錢德拉塞卡在會(huì)上宣讀完自己的論文后,看到導(dǎo)師愛丁頓走上講臺(tái),自然熱切希望能得到導(dǎo)師、當(dāng)時(shí)天體物理學(xué)界的權(quán)威的贊揚(yáng).愛丁頓要過(guò)錢德拉塞卡的講稿,不是贊揚(yáng),而當(dāng)眾把講稿撕成兩半,宣稱其理論全盤皆錯(cuò),原因是他得出了一個(gè)“非常古怪的結(jié)論”. 會(huì)場(chǎng)嘩然,接著聽眾頓時(shí)爆發(fā)出笑聲.會(huì)議主席甚至沒有給錢德拉塞卡答辯的機(jī)會(huì),情況如此激烈地反轉(zhuǎn),使這位24歲的青年不知所措,不知如何應(yīng)對(duì)在大庭廣眾面前被羞辱的尷尬、難堪場(chǎng)面.在這之后的幾年里,沒有一個(gè)權(quán)威科學(xué)家愿意站出來(lái)支持錢德拉塞卡.最后,他終于明白:不僅應(yīng)該完全放棄這個(gè)研究課題,而且也無(wú)法繼續(xù)留在劍橋大學(xué).在1937年轉(zhuǎn)到芝加哥大學(xué)以后不久,他把自己的理論寫進(jìn)了一本書里,就不再去理會(huì)它.

現(xiàn)在,說(shuō)一說(shuō)愛丁頓,他在1938年擔(dān)任了國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)主席,直到去世.他在晚年仍然激烈地反對(duì)錢德拉塞卡提出的關(guān)于白矮星的最大質(zhì)量限界理論,錢德拉塞卡是他的學(xué)生,不知為什么會(huì)如此念念不忘,竭力反對(duì);其實(shí),原因可能很簡(jiǎn)單,一旦存在1.44倍太陽(yáng)的質(zhì)量極限被證實(shí),超過(guò)這個(gè)界限,恒星的坍塌會(huì)形成中子星,那么,愛丁頓的理論就不再有價(jià)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(zhàn)結(jié)束后,愛丁頓作為英國(guó)的科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)觀測(cè)隊(duì)到西非普林西比島,觀測(cè)1919年5月29日的日全食時(shí)光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)引力場(chǎng)時(shí)的彎曲,以便證實(shí)交戰(zhàn)國(guó)德國(guó)科學(xué)家愛因斯坦的預(yù)言,愛丁頓的觀測(cè)證實(shí)了愛因斯坦的理論,立即被全世界的媒體報(bào)道,已經(jīng)譽(yù)滿天下,當(dāng)時(shí)有一個(gè)傳說(shuō):有記者問愛丁頓,全世界是否只有3個(gè)人真正懂得相對(duì)論,愛丁頓回答“誰(shuí)是第3個(gè)人?”,可見已經(jīng)非常自大,他又寫了大量科學(xué)普及讀物,如《膨脹中的宇宙》,介紹愛因斯坦的廣義相對(duì)論,使它傳播到了講英語(yǔ)的國(guó)家之中.他的《相對(duì)論的數(shù)學(xué)原理》 受到愛因斯坦的稱贊,認(rèn)為這本書是“在所有語(yǔ)言中表達(dá)這個(gè)主題最好的版本”.這樣,他的聲譽(yù)如日中天,沒有必要與錢德拉塞卡過(guò)不去,1935年皇家天文學(xué)大會(huì)對(duì)自己的學(xué)生粗暴無(wú)禮,已經(jīng)有失皇家大科學(xué)家的身份和人格,現(xiàn)在變本加厲,如此何為?

錢德拉塞卡移居美國(guó)芝加哥大學(xué),成為艾默瑞特斯教授,非常敬業(yè),據(jù)說(shuō)有一次他往返200英里去為他的學(xué)生上課,可是由于暴風(fēng)雪,當(dāng)他趕到教室的時(shí)候發(fā)現(xiàn),只有2名學(xué)生在等待他的出現(xiàn),這兩名學(xué)生正是于1957年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的李政道和楊振寧. 差不多30年后,這個(gè)后來(lái)被稱為“錢德拉塞卡極限”的發(fā)現(xiàn)得到了天體物理學(xué)界的公認(rèn). 然后又過(guò)了20年,錢德拉塞卡獲得了諾貝爾獎(jiǎng),從被羞辱到1983年,幾乎半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了,當(dāng)他從瑞典國(guó)王手中接過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)?wù)聲r(shí),已是兩鬢斑白的垂暮老人.

回顧年輕時(shí)所受的挫折、羞辱和坎坷不平的求學(xué)之路,錢德拉塞卡已經(jīng)完全理智地感悟到,“假定當(dāng)時(shí)愛丁頓同意自然界有黑洞……這種結(jié)局對(duì)天文學(xué)是有益處的”(對(duì)科學(xué)的好處).“但我不認(rèn)為對(duì)我個(gè)人有益.愛丁頓的贊美之詞將使我那時(shí)在科學(xué)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(huì)怎么樣”(對(duì)個(gè)人的利弊).當(dāng)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(duì)天文物理學(xué)的發(fā)展將有不可估量的貢獻(xiàn),何至于等待半個(gè)世紀(jì)呢!錢德拉塞卡不無(wú)感慨地說(shuō)道,這些成功的人,例如愛因斯坦,“對(duì)大自然逐漸產(chǎn)生了一種傲慢的態(tài)度”,這些人以為自己有一種看待科學(xué)的特殊方法,并且這種方法一定是正確的.但實(shí)際上,“作為大自然基礎(chǔ)的各種真理,比最聰明的科學(xué)家更加強(qiáng)大和有力”.當(dāng)愛因斯坦說(shuō)“上帝不擲骰子”時(shí),玻爾立刻反駁說(shuō)“不要指揮上帝”,二者表達(dá)的意思是一樣的.

圖3 愛丁頓與愛因斯坦的會(huì)面

值得一提的是,這并不是一個(gè)孤例,19世紀(jì)末至20世紀(jì)初,數(shù)學(xué)界的代數(shù)數(shù)論名家,柏林和巴黎科學(xué)院院士L. 克羅內(nèi)克和他的學(xué)生,集合論創(chuàng)始人G. 康托爾的情況更甚,L. 克羅內(nèi)克利用他的行政高位反對(duì)G. 康托爾的創(chuàng)新的集合論,禁止當(dāng)時(shí)德國(guó)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(fā)展,正是野火燒不盡,春風(fēng)吹又生,學(xué)術(shù)界的專斷造成的危害值得科學(xué)名家警惕啊!

4 引力波是否存在?傲慢態(tài)度與君子風(fēng)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(jié)論,否定了1916年根據(jù)廣義相對(duì)論預(yù)言的引力波,得出這個(gè)結(jié)論的原因主要有兩點(diǎn),其一是數(shù)學(xué)方面,如果一個(gè)電荷在空間來(lái)回移動(dòng),也就是震蕩,自然會(huì)產(chǎn)生電波;如果一塊石頭在池塘中來(lái)回移動(dòng),同樣會(huì)形成漣漪的水波向遠(yuǎn)處散開,據(jù)此,愛因斯坦和羅森計(jì)算了類似于水波漣漪的平面波,由于坐標(biāo)系的選擇不適合,遇到奇點(diǎn),表示這類解不存在;其二是物理學(xué)方面,根據(jù)廣義相對(duì)論的引力方程:

左邊是空間曲率張量,右邊是物質(zhì)張量(即:應(yīng)力、動(dòng)量、能量張量),正像愛因斯坦的朋友,物理學(xué)家惠勒(J. A. Wheeler)生動(dòng)形象地說(shuō)明,物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲,時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng).愛因斯坦認(rèn)為物質(zhì)產(chǎn)生時(shí)空彎曲的效果非常微小,物質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(jié)論.這篇文章投遞到美國(guó)的著名期刊《Physical Review》(物理評(píng)論),那時(shí)愛因斯坦為了躲避希特勒對(duì)猶太科學(xué)家的迫害,移居美國(guó)普林斯頓高等研究院已經(jīng)3年了,仍然不知道學(xué)術(shù)期刊的同行評(píng)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(xué)家羅伯遜(H. P. Robertson)審稿,評(píng)審人極為認(rèn)真地閱讀和評(píng)審了這篇論文,寫了足有10頁(yè)的意見,編輯部以匿名的方式將這份評(píng)審意見轉(zhuǎn)交給愛因斯坦,看過(guò)評(píng)審信,愛因斯坦大為光火,不顧著名科學(xué)家應(yīng)有的風(fēng)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(fā)給你是用來(lái)發(fā)表的,并沒有授權(quán)你在出版之前給其他專家看.我覺得沒有必要回復(fù)匿名專家的這些意見--無(wú)論如何都是錯(cuò)誤的. 基于此,我將在別的地方發(fā)表這篇文章”,愛因斯坦將原文轉(zhuǎn)投到《富蘭克林研究所雜志》,幸運(yùn)的是,這位評(píng)審人羅伯遜具有君子風(fēng)度和認(rèn)真負(fù)責(zé)的高貴品質(zhì),他輾轉(zhuǎn)找到熟悉愛因斯坦的朋友、波蘭物理學(xué)家因費(fèi)爾德(與愛因斯坦合作寫過(guò)一本《物理學(xué)的進(jìn)化》),詳細(xì)、友好而善意地解釋了那篇文章中的錯(cuò)誤與如何消除這些錯(cuò)誤的方法,請(qǐng)因費(fèi)爾德以匿名評(píng)審人的方式轉(zhuǎn)告愛因斯坦,因費(fèi)爾德將這些意見轉(zhuǎn)告了愛因斯坦,可以確信,這些評(píng)審意見起了作用,沿著評(píng)審意見思考之后,愛因斯坦發(fā)現(xiàn)自己的確錯(cuò)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(guān)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(biāo)系的辦法,消除了奇點(diǎn)造成的平面波無(wú)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(píng)審與后續(xù)的恰當(dāng)處理,使愛因斯坦避免了一個(gè)重大的錯(cuò)誤[8]. 不難看出,愛因斯坦出名之后,顯然表現(xiàn)出名人具有的傲慢態(tài)度.正像泡利在1955年新版的《相對(duì)論》序言中寫道:“我認(rèn)為相對(duì)論可以作為一個(gè)例子,用來(lái)證明一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn),盡管有時(shí)還要遭受到它的創(chuàng)始者的阻力,也會(huì)沿著它本身自發(fā)的途徑,而進(jìn)一步得到蓬勃的發(fā)展”,經(jīng)過(guò)媒體、科學(xué)史家、名人傳記與各類記者在報(bào)章雜志上的大量擴(kuò)大宣傳,愛因斯坦成了冉冉升起的世紀(jì)之星,他也難以抵擋無(wú)止盡的渲染,不自覺的成為創(chuàng)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(dāng)時(shí)蓬勃發(fā)展的量子力學(xué)形成隔離,也不看好狄拉克在相對(duì)論與量子力學(xué)結(jié)合方面做出的突出貢獻(xiàn),從未向諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)推薦過(guò)狄拉克,而是多次推薦過(guò)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(tài).深厚的儒家文化已經(jīng)總結(jié)出成大事者,除了超強(qiáng)的創(chuàng)新欲望和睿智的頭腦,還必需具有天時(shí)、地利與人和的重要條件,如果愛因斯坦不是生在德國(guó),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(lǐng)域的各級(jí)名人如果理解這一點(diǎn),就可以避免成為發(fā)展中的阻力.

5 沙皮羅的論文:被拋棄的寶石

朗道[列夫·達(dá)維多維奇·朗道(Lev Davidovich Landau,1908—1968年)自稱是20世紀(jì)最后一位全才的物理學(xué)家,由他策劃、撰寫的《朗道物理十卷》更是享譽(yù)世界物理學(xué)界和高等教育界的精品,朗道多次獲得各種最高獎(jiǎng)?wù)潞蜆s譽(yù)稱號(hào),在他50歲生日時(shí),蘇聯(lián)理論物理研究所贈(zèng)送給他用大理石雕刻的朗道十誡,記錄了他的科學(xué)貢獻(xiàn):1) 引入了量子力學(xué)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(jí)相變理論(1936—1937);4) 鐵磁體的磁疇結(jié)構(gòu)和反鐵磁性的解釋(1935);5) 超導(dǎo)電性混合態(tài)理論(1943);6) 原子核的統(tǒng)計(jì)理論(1937);7) 液態(tài)氦Ⅱ超流動(dòng)性的量子理論(1940—1941);8) 真空對(duì)電荷的屏蔽效應(yīng)理論(1954);9) 費(fèi)密液體的量子理論(1956);10) 弱相互作用的復(fù)合反演理論(1957).

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

在個(gè)人的工作作風(fēng)方面,朗道的那種自以為是的表現(xiàn)就往往顯得有些弊大于利了.他常常憑著自己智力上的強(qiáng)大優(yōu)越感,對(duì)自己缺乏克制能力,往往是固執(zhí)己見,很難商量,這種缺乏開放的強(qiáng)硬態(tài)度,不但給同事留下了強(qiáng)烈的不良印象,也使他自己犯下了一系列不應(yīng)該犯下的失誤.我們僅以朗道對(duì)英國(guó)物理學(xué)家狄拉克的態(tài)度為例:本世紀(jì)20年代,狄拉克通過(guò)自己的獨(dú)立研究提出了重要的粒子空穴概念,得到了物理學(xué)界的好評(píng).而朗道對(duì)這一重要理論的評(píng)價(jià)卻只有兩個(gè)字:“廢話”.與此同時(shí),他還把他所不喜歡的別人的研究理論,統(tǒng)統(tǒng)稱之為“病態(tài)”.他和前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家伊凡寧柯本來(lái)是很好的科研伙伴,2人曾合作發(fā)表過(guò)5篇論文,但后來(lái)卻主要由于朗道的個(gè)人性格缺陷而使這一友誼演變成了“病態(tài)”的關(guān)系.由于和伊凡寧柯的分裂,在選編朗道論文集時(shí),他堅(jiān)決反對(duì)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(huì).心胸狹窄的朗道甚至發(fā)展到誰(shuí)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(shuí)就會(huì)招來(lái)朗道無(wú)名的怒火.如果僅僅是和某一兩個(gè)科學(xué)家合不來(lái)倒也情有可原,但朗道的這種自以為是的工作作風(fēng)隨著其科學(xué)地位的不斷上升也愈演愈烈,最終導(dǎo)致朗道犯下不可饒恕的失誤.

本文在這里強(qiáng)調(diào)的是,1956年,那時(shí)的蘇聯(lián)物理學(xué)家沙皮羅(I. S. Shapiro)通過(guò)對(duì)介子衰變的研究,提出介子衰變中宇稱不守恒的新看法.當(dāng)沙皮羅把他的這一重要發(fā)現(xiàn)寫成論文,交給朗道審閱時(shí),過(guò)于自負(fù)的朗道只是冷冷地一笑,就隨手把它扔到了一邊,這本來(lái)是一項(xiàng)極其重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn),但是朗道對(duì)于沙皮羅的發(fā)現(xiàn)卻認(rèn)為沒有意義,并認(rèn)為宇稱不可能不守恒.他哪里知道,此時(shí)被他扔掉的不僅僅是沙皮羅的一篇論文,而是一項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的成果.我們沒有見到沙皮羅的原始論文,那時(shí)沒有負(fù)責(zé)人或者導(dǎo)師的同意,論文是不能投寄到科學(xué)期刊的,編輯部要求所屬研究機(jī)構(gòu)的證明文件,這就極大地限制了研究者個(gè)人的能動(dòng)范圍,也是釀成個(gè)人悲劇的原因.與朗道這樣的高層霸道的科學(xué)家爭(zhēng)論,除了毫無(wú)效果,還會(huì)引火燒身,自討無(wú)盡麻煩.

朗道雖然在科學(xué)上取得了空前的成功,但是他的聲名則主要限制在學(xué)術(shù)圈內(nèi).由于朗道的“學(xué)閥”作風(fēng),有些被他“槍斃”掉的論文,后來(lái)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(guò)于自負(fù)．對(duì)自己的智慧和直覺產(chǎn)生了太大的自信,開始目空四海,在他眼里世界上沒有幾個(gè)他看得起的物理學(xué)家.他當(dāng)了蘇聯(lián)科學(xué)院物理學(xué)部的主任后,科學(xué)研究中更加固執(zhí)、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(yǔ)言的尖刻方面,郎道甚至比泡利有過(guò)之而無(wú)不及.

圖4 朗道正在看文獻(xiàn)

6 宇稱不守恒:凱旋時(shí)刻的華夏巾幗英雄

1957年1月30日,在美國(guó)紐約的一個(gè)大旅館的告大廳里,通過(guò)注冊(cè)參加會(huì)議的就有3000多人,水泄不通,真是盛況空前,來(lái)聽報(bào)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(dāng)時(shí)比較封閉的中國(guó),也罕見地通過(guò)無(wú)線電廣播傳布了這一消息:美籍華人女科學(xué)家吳健雄的實(shí)驗(yàn)證明宇稱不守恒,美籍華人科學(xué)家楊振寧、李政道獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),國(guó)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(fā)表在當(dāng)年10月1日的《The Physical Review》上),深刻論述了核子物理學(xué)中宇稱不守恒的問題,也就是物理實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的(θ-τ)之謎,主要是說(shuō)θ介子和τ介子各自的衰變反應(yīng),并不相同,它們由于粒子之間的碰撞迅速產(chǎn)生,但衰減過(guò)程很慢,觀察到它們成對(duì)產(chǎn)生過(guò)程相同,衰減過(guò)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(shí)驗(yàn)都沒有發(fā)現(xiàn)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(huì)出現(xiàn)二者不對(duì)稱,直白的意思就是在θ-τ作為鏡面時(shí),原像是π+π,鏡像是π+π+π,左右不對(duì)稱.這在當(dāng)時(shí)可以說(shuō)是違反了人們亙古以來(lái)的常識(shí),鏡面對(duì)稱的思想對(duì)任何人、當(dāng)然包括物理學(xué)家在內(nèi),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(shuō)夢(mèng),不可思議,(θ-τ)之謎的起因大致如此[4,5,10].

當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界,有各種不同的觀點(diǎn),楊振寧和李政道并沒有因?yàn)槲恼碌陌l(fā)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(diǎn)的交流與碰撞,也僅是限于一個(gè)很小的圈子中,大眾并不知曉,文章建議了5個(gè)可能的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證宇稱在弱相互作用(就是原子核的衰變反應(yīng))是否守,但是將(θ-τ) 通俗解釋為鏡像不對(duì)稱或左右不對(duì)稱,就在核物理專業(yè)以外的物理學(xué)界引起轟動(dòng),大眾等待實(shí)驗(yàn)結(jié)果.當(dāng)時(shí),沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家愿意做這個(gè)實(shí)驗(yàn),因此,在聽說(shuō)吳健雄愿意做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí),物理學(xué)界則是一片嘩然,一大批獲得諾貝爾獎(jiǎng)的、著名的物理學(xué)家群體,包括泡利、朗道、賽格雷、費(fèi)曼等都反對(duì)她進(jìn)行這種毫無(wú)意義,浪費(fèi)時(shí)間的無(wú)聊實(shí)驗(yàn),賽格雷還是吳健雄的老師,很早就獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng),這樣一大批名家,各個(gè)用不同的方式表示他們的反對(duì)意見,更有甚者,如泡利、費(fèi)曼等,認(rèn)為上帝不可能是個(gè)左撇子,他們與別人設(shè)了1000:1勝出的賭約;還有的人說(shuō),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(lái)自用諾貝爾獎(jiǎng)串起的一大群物理學(xué)界名家的壓力,退縮還是前進(jìn),吳健雄選擇了頂住壓力,逆勢(shì)而上的大無(wú)畏精神,展示出無(wú)比的勇氣和自信,為什么能如此,主要還是她對(duì)弱相互作用有深入研究,獨(dú)具慧眼,看出這個(gè)實(shí)驗(yàn)具有改變基礎(chǔ)概念的革命意義,是天賜良機(jī),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(huì)在極化的南北方向放射出數(shù)目不同的電子;如果守恒,兩個(gè)方向釋放的電子數(shù)目自然相同,1957年1月4日,一則科學(xué)消息迅速傳遍世界,宇稱不守恒,上帝是個(gè)左撇子,吳健雄勝利了,她的勇氣、自信和世界上一流的實(shí)驗(yàn)專業(yè)水平,贏得了幸運(yùn)女神的深情眷顧.然而,諾貝爾獎(jiǎng)卻沒有頒發(fā)給吳建雄,正如鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)的發(fā)現(xiàn)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(nèi)的上百名著名科學(xué)家在10年中的呼吁也未能奏效,為了消除不公正產(chǎn)生的負(fù)面影響,彌補(bǔ)兩位女科學(xué)家的損失,她們都獲得了著名的沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng),以便彰顯她們對(duì)物理學(xué)做出的巨大貢獻(xiàn).

圖6 泡利和吳健雄

7 規(guī)范場(chǎng)方程的提出:科學(xué)美的震撼

(2)

1954年,當(dāng)楊振寧和米爾斯提出他們的方程時(shí),實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí),只有電磁場(chǎng)是通過(guò)光量子傳遞長(zhǎng)程作用,因?yàn)楣饬孔訜o(wú)質(zhì)量,電磁場(chǎng)是規(guī)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(zhì)量,使得按照量子場(chǎng)論,進(jìn)行對(duì)稱性檢驗(yàn)的結(jié)果,該場(chǎng)將失去對(duì)稱性,場(chǎng)不再具有規(guī)范不變性.因此,泡利質(zhì)問當(dāng)時(shí)在普林斯頓高等研究院作學(xué)術(shù)報(bào)告的楊振寧,傳遞相互作用的量子的質(zhì)量是多少(也就是Bμ場(chǎng)的規(guī)范粒子的質(zhì)量)?根據(jù)上述,無(wú)質(zhì)量不對(duì),有質(zhì)量也不對(duì),盡管楊振寧處于兩難境地,但是,他與米爾斯經(jīng)過(guò)反復(fù)思考,認(rèn)為整個(gè)研究合理,具有前瞻性,更重要的是這個(gè)方程具有科學(xué)美,正像狄拉克所說(shuō),“一個(gè)物理學(xué)定律必須具有數(shù)學(xué)美”,而“美即真”,這個(gè)方程表達(dá)的理論應(yīng)當(dāng)是合理的,楊振寧和米爾斯決定發(fā)表,將質(zhì)量問題在論文最后一節(jié)作了詳細(xì)論述,成為此后研究的前沿課題.當(dāng)年,楊振寧32歲,米爾斯27歲,還是研究生,而泡利已經(jīng)54歲,已是譽(yù)滿物理學(xué)界的大師級(jí)人物,享有科學(xué)界的良心和上帝的鞭子的稱號(hào),面對(duì)泡利這樣人物的嚴(yán)厲質(zhì)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(jīng)過(guò)整體和細(xì)節(jié)孰輕孰重的判斷,得出如果從整體的簡(jiǎn)單、和諧和科學(xué)美來(lái)判斷,那么,質(zhì)量問題就屬于細(xì)節(jié)問題,一定會(huì)有一個(gè)解決辦法,20年后,通過(guò)自發(fā)對(duì)稱破缺機(jī)制完美地解決了.從此,規(guī)范場(chǎng)成了物理學(xué)的理論基礎(chǔ).

8 結(jié)語(yǔ)

到此,我們已經(jīng)對(duì)物理學(xué)特別是量子力學(xué)中的幾個(gè)典型事例,敘述了它的來(lái)龍去脈,它們都是科學(xué)中的頂級(jí)科學(xué)家涉及的重大理論問題,量子力學(xué)那黃金白銀時(shí)期的淘寶之路,已經(jīng)走完,時(shí)光已經(jīng)轉(zhuǎn)入21世紀(jì).當(dāng)今,讀者可能想知道我們從中能得到什么教益,學(xué)到什么有價(jià)值的知識(shí)?答案是:那些能夠親自面對(duì)大師的評(píng)議、反對(duì)或是否定,實(shí)在是一種難得的機(jī)遇和良機(jī),今日是可望而不可求了.

本文對(duì)大師級(jí)科學(xué)家給出了一個(gè)分類,像泡利這類尖刻型的評(píng)論者,是非常難得的良師益友,可遇而不可求,科學(xué)史記錄了許多感人的事跡,哥本哈根學(xué)派的大掌門人玻爾,從內(nèi)心里敬重泡利,把他當(dāng)作可信賴的科學(xué)顧問,如果泡利在場(chǎng),玻爾首要的事便是聽取泡利的意見,如果不在場(chǎng),他就要問事前泡利是怎么說(shuō)的?其他科學(xué)家以能聽到泡利對(duì)自己工作的批評(píng)為榮,玻爾稱贊泡利是物理學(xué)的良心,眾人認(rèn)為他是上帝的鞭子.面對(duì)這樣的偉大評(píng)論家,你可以仔細(xì)研究他的評(píng)議,但是不要束縛自己的思想,輕易放棄已經(jīng)得出的結(jié)果,就是對(duì)楊振寧進(jìn)行了嚴(yán)厲的質(zhì)疑,還不忘提醒楊振寧去閱讀薛定諤的一篇重要的文獻(xiàn),而正是這篇文獻(xiàn)對(duì)楊振寧很有啟發(fā).現(xiàn)在,這樣的評(píng)論家已經(jīng)沒有了,有了重大疑問去問誰(shuí)?

如果恰巧碰上了武斷的反對(duì)者和粗暴的評(píng)議,應(yīng)當(dāng)仔細(xì)分析其中的合理性,盡量避免情緒化地直接拒絕這樣的評(píng)議;但是,也不要輕易放棄自己的研究結(jié)果,粗暴的評(píng)議,有可能正好說(shuō)明你的研究是有價(jià)值的,可以繼續(xù)深入思考,完善已有的結(jié)果.屬于基礎(chǔ)科學(xué)研究的課題,要有自信心,應(yīng)當(dāng)從物理概念的自洽性,數(shù)學(xué)表達(dá)的合理性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,進(jìn)行分析判斷.如果一項(xiàng)研究,受到眾多反對(duì)者,那這項(xiàng)研究一定涉及很多方面和很多部門,需要仔細(xì)認(rèn)真考慮,萬(wàn)不可沽名釣譽(yù),以一己私利,損害國(guó)家利益.

其實(shí),科學(xué)史已經(jīng)表明,從一個(gè)年輕的科研人員成長(zhǎng)為一位著名的科學(xué)家,經(jīng)歷了多年的歷練,所處環(huán)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(shí)地主動(dòng)或被動(dòng)地逐漸適應(yīng)這種變化,養(yǎng)成一種所謂大師級(jí)人物必須具有的“風(fēng)范”,正像錢德拉塞卡指出的那樣:這些成功的人“對(duì)大自然逐漸產(chǎn)生了一種傲慢的態(tài)度”.這些人以為自己有一種看待科學(xué)的特殊方法,并且這種方法一定是正確的.但實(shí)際上,“作為大自然基礎(chǔ)的各種真理,比最聰明的科學(xué)家更加強(qiáng)大和有力”.

無(wú)論是科學(xué)家還是青年科學(xué)人員,需要共同努力,營(yíng)造一個(gè)和諧平等的學(xué)術(shù)氛圍,才有可能在研究工作中取得進(jìn)展[11].

以上就是我們從大師級(jí)科學(xué)家失誤中能得到的感悟和啟迪.