堅守「宇稱守恆」，最後卻為它寫了訃文

盧昌海 / 文

沃爾夫岡?泡利（(WolfgangE.Pauli，1900—1958），美籍奧地利物理學家，對相對論及量子力學都有傑出貢獻。1924年發現「泡利不相容原理」，1930年提出了中微子假設，1945年因「泡利不相容原理」獲諾貝爾物理學獎。

泡利以嚴謹博學而著稱，也以尖刻和愛挑刺而聞名。不過他一生也有反對錯了的事情。泡利犯的錯誤都很有戲劇性，讓我們深切感受到了那個物理大師及物理成果輩出的年代，給人以深刻的啟迪。本文介紹的是：泡利的錯誤—宇稱守恆

1956年6月，泡利收到了來自李政道（T．D．Lee）和楊振寧（C．N．Yang）的一篇題為《宇稱在弱相互作用中守恆嗎?》的文章。這篇文章就是稍後發表於《物理評論》雜誌，並為兩位作者贏得1957年諾貝爾物理學獎的著名論文《弱相互作用中的字稱守恆質疑》的預印本。李政道和楊振寧在這篇文章中提出宇稱守恆在強相互作用與電磁相互作用中均存在很強的證據，在弱相互作用中卻只是一個未被實驗證實的「外推假設」。不僅如此，他們還提出當時困擾物理學界的所謂「θ-τ之謎」，即因宇稱不同而被視為不同粒子的θ和τ具有完全相同的質量與壽命這一奇怪現象，有可能正是宇稱不守恆的證據，因為θ和τ有可能實際上是同一粒子。他們並且還提議了一些檢驗弱相互作用中宇稱是否守恆的實驗。

但泡利對宇稱守恆卻深信不疑，對於檢驗弱相互作用中宇稱是否守恆的實驗，他在1957年1月17日給奧地利裔美國物理學家韋斯科夫（Victor Weisskopf）的信中表示（著重是原信就有的）：「我不相信上帝是一個弱左撇子，我準備押很高的賭注，賭那些實驗將會顯示……對稱的角分布……」這裡所謂「對稱的角分布」指的是宇稱守恆的結果——也就是說泡利期待的是宇稱守恆的結果。

富有戲劇性的是，比泡利的信早了兩天，即1957年1月15日，《物理評論》雜誌就已收到了吳健雄等人的論文《貝塔衰變中宇稱守恆的實驗檢驗》，為宇稱不守恆提供了實驗證明；比泡利的信早了一天，即1957年1月16日，消息靈通的《紐約時報》就已用《物理學中的基本概念在實驗中被推翻》為標題，在頭版報道了被其稱為「中國革命」的吳健雄等人的實驗。

區區一兩天的消息滯後，讓泡利不幸留下了「白紙黑字」的錯誤。

但泡利的消息也並非完全不靈通，在發出那封倒霉信件之後幾乎立刻，他就也得知了吳健雄實驗的結果；到了第四天，即1957年1月21日，各路「壞」消息就一齊匯總到了他那裡：首先是上午，收到了李政道和楊振寧等人的兩篇新論文，外加瑞士物理學家維拉斯（Felix Villars）轉來的《紐約時報》的報道（即那篇1月16日的報道）；其次是下午，收到了包括吳健雄實驗在內的三組實驗的論文。這些結果使泡利感到「很懊惱」，唯一值得慶幸的是他沒有真的陷入賭局，從而沒有因「很高的賭注」遭受錢財損失——他在給韋斯科夫的另一封信中表示，「我能承受一些名譽的損失，但損失不起錢財」。

稍後，在給玻爾的信中，泡利的懊惱心情平復了下來，以幽默的筆調為宇稱守恆寫了幾句訃文：我們本著一種傷心的職責，宣告我們多年來親愛的女性朋友——宇稱——在經歷了實驗手術的短暫痛苦後，於1957年1月19日平靜地去世了。訃文的落款是當時已知的三個參與弱相互作用的粒子：「e，μ，ν」（即電子、μ子、中微子）——不過細心的讀者也許注意到了，泡利把宇稱「去世」的日期搞錯了幾天，不知這是否意味著心情尚未完全平復?

1957年8月5日，泡利在給瑞士精神科醫生兼心理學家榮格（Carl Jung）的信中為自己的此次錯誤作了小結：「現在已經確定上帝仍然是——用我喜歡的表述來說——弱左撇子」，「在今年1月之前，我對這種可能性從未有過絲毫考慮」。

如果深挖「歷史舊賬」的話，那麼泡利對宇稱守恆的深信不疑還使他在二十多年前的另一個場合下犯過錯誤。1929年，著名德國數學家外爾（Hermann Weyl）從數學上提出了一個二分量的量子力學方程式，描述無質量的自旋1／2粒子。這個方程式的一個顯著特點就是不具有宇稱對稱性。1933年，泡利在被稱為量子力學「新約」的名著《量子力學的普遍原理》中，以不具有宇稱對稱性為由，將這一方程式判定為了不具有現實意義。在宇稱守恆受到李政道和楊振寧的質疑之後，幾乎與實驗證實同時，李政道和楊振寧、蘇聯物理學家朗道、巴基斯坦物理學家薩拉姆（Abdus Salam）等人都重新引入了不具有宇稱對稱性的二分量方程式，用以描述此前不久才被發現，與宇稱不守恆有著密切關係的中微子。而泡利則在1958年再版自己的「新約」時針對這些進展添加了注釋，成為「新約」中量子力學部分為數極少的修訂之一。

幕後花絮

1929年，在試圖解決β衰變中的能量問題時，玻爾再次提出了能量不守恆的提議，並遭到了泡利的反對。但是，比單純的反對更有建設性的是，泡利於1930年提出了解決這一問題的正確思路：中微子假設——雖然「中微子」這一名稱是義大利物理學家費米（Enrico Fermi）而不是泡利所取的。

泡利不僅提出了中微子假設，而且積極呼籲實驗物理學家去搜索它。1930年12月4日，他給在德國圖賓根參加放射性研究會議的與會者們發去了一封措辭幽默的公開信。這封公開信以「親愛的放射性女士和先生們」為稱呼，以表達因參加一個舞會而無法與會的「歉意」為結束，內容則是推介他的中微子假設。泡利在信中表示自己「迄今還不敢發表有關這一想法的任何東西」，但由β衰變中的能量問題所導致的「局勢的嚴重性」使他覺得「不嘗試就不會有收穫」，「必須認真討論挽救局勢的所有辦法」，他因此呼籲對中微子假設進行「檢驗和裁決」。

由於相互作用極其微弱，中微子直到1956年才由美國物理學家柯溫（Clyde Cowan）和萊因斯（Frederick Reines）等人在實驗上找到。這個由泡利提出並呼籲搜索的意在解決β衰變中的能量問題的中微子不僅是弱相互作用的核心參與者之一，而且其狀態及相互作用都直接破壞宇稱對稱性，從而堪稱是宇稱不守恆的「罪魁禍首」——雖然在吳健雄等人的實驗中，中微子並不是被直接探測的粒子。

從這個意義上講，泡利對於宇稱不守恆而言，起到了某種「幕後推手」作用，最低限度說，也是有著藕斷絲連的正面影響的。泡利自己對這種戲劇性也有過一個簡短描述：在吳健雄實驗成功後不久，泡利在給這位被他讚許為「無論作為實驗物理學家還是聰慧而美麗的年輕中國女士」都給他留下深刻印象的物理學家的祝賀信中寫道：「中微子這個粒子——對其而言我並非局外人——還在為難我」。

泡利為什麼對宇稱守恆深信不疑呢?他後來在給吳健雄的信中解釋說，那是因為宇稱在強相互作用下是守恆的，而他不認為守恆定律會跟相互作用的強度有關，因此不相信宇稱在弱相互作用下會不守恆。

不過，這一理由雖適用於他1957年的觀點，卻似乎不足以解釋他的「歷史舊賬」，即在1933年出版的量子力學「新約」中以宇稱不守恆為由將外爾的二分量中微子方程式視為不具有現實意義。因為那時強相互作用的概念才剛剛因中子的發現（1932年）而誕生，參與強相互作用的重要粒子——介子——尚未被發現，而介子的宇稱更是遲至1954年才得到確立，那時的宇稱守恆哪怕在強相互作用下恐怕也算不上已被確立，而只是有關對稱性的普遍信念的一部分，或是被溫伯格列為愛因斯坦的錯誤之一的「以美學為動機的簡單性」的一種體現。也許，對那種普遍信念的追求才是泡利此次錯誤的真正或最早的根源。

無論是有關對稱性的普遍信念，還是具體為對宇稱守恆的深信不疑，在當時都絕非泡利的獨家觀點，而在很大程度上可以算是主流看法。雖然李政道和楊振寧的敏銳質疑極是高明，但在質疑得到證實之前，那種主流看法本身其實談不上錯誤，因為科學尋求的是對自然現象邏輯上最簡單的描述，而對稱性正是一種強有力的簡化描述的手段。在被證實失效之前，對那樣的手段予以信任、堅持，乃至外推是很正常的，也是多數物理學家的共同做法。

美國實驗物理學家拉姆齊（NormanF．Ramsey，Jr.）曾就是否該將宇稱不守恆的可能性訴諸實驗徵詢費曼（Richard Feynman）的看法，費曼表示他願以50：l的比例賭那樣的實驗不會發現任何東西。這跟泡利的「很高的賭注」有著同樣的「豪爽」。可惜拉姆齊雖表示這賭約對他己足夠有利，卻並未真正付諸實踐，從而費曼也跟泡利一樣在錢財上毫髮無損。又比如瑞士物理學家布洛赫（Felix Bloch）曾與斯坦福大學物理系的同事打賭，如果宇稱不守恆，他願吃掉自己的帽子——後來不得不狡辯說幸虧自己沒有帽子!這些物理學家都不是無名之輩：布洛赫是1952年諾貝爾物理學獎得主，費曼是1965年諾貝爾物理學獎得主，拉姆齊是1989年諾貝爾物理學獎得主。

泡利從1952年就開始研究場論中的離散對稱性，是對基本粒子理論中的對稱性進行研究的先驅者和項尖人物之一。1954年，他與德國物理學家呂德斯（Gerhart Luders）在能量有下界、洛倫茲不變性等場論的最一般性質的基礎上證明了所謂的CPT對稱性——即由電荷共軛、宇稱及時間反演組成的聯合對稱性必須成立。這個被稱為呂德斯 - 泡利定理或CPT定理的著名結果在當時似乎是多此一舉的，因為其所涉及的電荷共軛、宇稱及時間反演對稱性被認為分別都是成立的。但隨著宇稱不守恆的發現，很多同類（即離散）的對稱性，如電荷共軛對稱性、時間反演對稱性、電荷共軛及宇稱聯合對稱性（簡稱CP）等相繼「淪陷」，唯有CPT對稱性如激流中的磐石一般屹立不倒，使CPT定理的重要性得到了極大的凸顯，成為量子場論尤其是公理化量子場論中最基本的定理之一。

泡利的尖刻和不留情面或許會給人一個剛愎自用、不易相處的印象，其實，在真正熟悉泡利的人眼裡，與泡利共事不僅是一種殊榮，也是一種愉快——就如克羅尼格所回憶的：泡利不願容忍粗疏的思考，卻隨時準備著給予別人應得的榮譽，並且隨時準備著承認自己的錯誤——只要有人能提出有效的反駁。他也很樂意以參加周日遠足的方式讓你平衡他在蘇黎世湖上游泳的優勢，因為遠足對他要比對小塊頭的人來得困難。這就是泡利——智慧、坦誠、幽默，甚至帶點體貼的泡利。

無論聲譽多麼崇高、功力多麼深厚、思維多麼敏銳的科學家都幾乎難免會犯錯。犯錯無損於他們的偉大，也無損於科學的偉大。事實上，科學一直是犯著錯誤，不斷糾正著錯誤才走到今天的，永遠正確絕不是科學的特徵；相反，假如有什麼東西標榜自己永遠正確，那倒是最鮮明不過的指標，表明它絕不是科學。

來源：《現代物理知識》第27卷第1期，原文題為「泡利的錯誤」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！