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马约拉纳:物理学界的一只独狼


□ 汤 双

  与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),才知道上世纪三十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三十二年,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。
  马约拉纳二十一岁时加入了罗马大学物理研究所由费米(Enrico Fermi,一九三八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,这个组在物理学界非常有名,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人。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是无法估量的。然而有一件事一直让费米既头痛又无奈,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了,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,因创立量子力学获一九三二年诺贝尔物理学奖)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。比如氮原子核,按旧理论,是应该由十四个质子和七个电子所组成。原子核的另外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加减而成。质子和电子的自旋数均是二分之一,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(某个整数加二分之一)。一九二九年,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“一”。马约拉纳立刻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二分之一的粒子所组成。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,其组成应为七个质子加七个“中性质子”。他同时也意识到,为了使原子核不致因内部的质子们 “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,有的人习惯用左手一样,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。中微子非常奇特,都是左旋的。也就是说,如果一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。他三十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,却同样能够解释迄今为止所有的相关实验,高下难分。如果中微子的静止质量为零,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静止质量的,因而对这两个理论的最终判定也许已为期不远了。
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摘自:读书 2010年第09期  
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