馬約拉納:物理學界的一只獨狼

與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)，才知道上世紀三十年代物理學界曾有過這樣一位杰出的怪才。他的生命雖然只有短短的三十二年，而其中真正用于研究物理的時間大約只有五六年，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，只能用“無與倫比”來形容。

馬約拉納二十一歲時加入了羅馬大學物理研究所由費米(Enrico Fermi，一九三八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，這個組在物理學界非常有名，里面匯集了一批意大利當時最優秀的青年物理學家，理論與實驗并重，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斗的人。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是無法估量的。然而有一件事一直讓費米既頭痛又無奈，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了，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，并給出理論上的解釋。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面或餐巾上，而他一番宏論之后，就將這些紙片一揉，直接丟進了垃圾桶!

最讓費米耿耿于懷的，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，因創立量子力學獲一九三二年諾貝爾物理學獎)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，因為似乎只有有了電子的參與，才能靠“異性相吸”的電磁力將質子們聚攏在一起。比如氮原子核，按舊理論，是應該由十四個質子和七個電子所組成。原子核的另外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加減而成。質子和電子的自旋數均是二分之一，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(某個整數加二分之一)。一九二九年，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“一”。馬約拉納立刻意識到傳統的原核子模型肯定錯了，原子核里沒有電子，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二分之一的粒子所組成。他把這種粒子叫做 “中性質子”，也就是人們后來發現的中子。具體到氮原子核，其組成應為七個質子加七個“中性質子”。他同時也意識到，為了使原子核不致因內部的質子們 “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”——這就是后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?？墒遣恢鲇诤畏N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。幾個月后，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，他只一笑置之。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，兩人的關系也不算融洽，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，想到了并不等于能證明。

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，有的人習慣用左手一樣，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，鏡子里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。宇稱只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。中微子非常奇特，都是左旋的。也就是說，如果一個左旋中微子去照鏡子，鏡子里則什么都沒有，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。他三十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，卻同樣能夠解釋迄今為止所有的相關實驗，高下難分。如果中微子的靜止質量為零，則這兩個理論永遠分不出優劣。然而本世紀初一系列有關中微子震蕩的實驗，基本肯定了中微子是有靜止質量的，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》里所說，薩拉姆(Abdus Salam，一九七九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中微子理論中的數學結構疑惑不解。大約在一九五六年初，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，于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，即只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只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。”薩拉姆并不甘心，又直接聯系“中微子之父”泡利(Wolfgang Pauli，一九四五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，無異于自毀前程。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、并敢于把它發表出來尤其重要。薩拉姆在這次教訓之后有點走向了另一個極端——時常把并不成熟的結論也匆忙拿出來發表。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少之又少。

馬約拉納的那篇有關中微子的論文能夠流傳于世，還有一段小故事。大約在一九三二年，他曾經致力于構造一種能涵蓋所有基本粒子及其相互作用的“超級”理論。這和愛因斯坦窮其后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?？上У氖牵倪@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，當然也一并進了抽屜。

一九三三年，由于健康原因，馬約拉納辭去了在羅馬大學物理研究所的職位，開始了長達四年幾乎足不出屋的“閉關”生活。在這四年里他沒發表過什么論文，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。到了一九三七年，在沒有任何征兆的情況下，他突然“破關”而出，去應聘意大利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，于是他就將那篇已經塵封五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學界的地位，只要他申請，這個職位當然非他莫屬?？陕闊┑氖?，此位子早就內定好了給另外一個申請人，而且還牽涉到其他好幾個人的升遷。意大利的教育機構最后只得以馬約拉納實在過于杰出為由，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。

一篇附錄就具有如此水準，馬約拉納的抽屜里不知還有多少“寶貝”?只可惜我們無緣見到。馬約拉納有一句名言:“物理已入歧途，我們都已入歧途?！蔽覀兛梢园堰@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。也有人對這句話做更“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，并推斷這是他后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丑?？蓮乃恼掌峡矗m算不上英俊，但怎么說也不是個丑八怪。至于他的死(嚴格地說應該是失蹤)就更為離奇。一九三八年三月二十五日他給家人和他任職的那不勒斯大學物理研究所所長卡瑞利(Antonio Carrelli)各留了一封短信后，就登上了一艘開往西西里首府巴勒莫的郵船。一般人和警方都把這兩封信解讀為絕命書。不過也有兩件事令人費解——他支領了半年的薪水并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，人們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，信隨后就到”，信里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，而且有個同艙人(三人住一間艙房)曾作證說，他在那不勒斯下船時，馬約拉納還在艙里睡覺。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，為后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:在上世紀六十年代初，他經常在智利的一個小酒館里吃飯，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。他多次成為科幻小說或電影的主角，甚至還有關于他的科幻連環畫集。在連環畫里，馬約拉納的結局最為輝煌——被外星人接走了!