奧本海默與楊振寧、李政道

【編者按】

J.R.奧本海默是20世紀最具爭議性的人物之一。他興趣廣泛、智識超群，其才華與激情，對20世紀上半葉的量子物理、宇宙物理、黑洞理論等研究領(lǐng)域做出了重要貢獻。但奧本海默的生平并非簡單重復(fù)著科學(xué)成就和世界性的聲譽，原子彈工程深刻改變了奧本海默，也深刻改變了戰(zhàn)后的世界。在《奧本海默傳：深入核心》這部傳記中，作者蒙克深入挖掘了奧本海默的成長過程、智識經(jīng)歷和個人關(guān)系，為我們講述了一段關(guān)于科學(xué)發(fā)現(xiàn)、隱藏秘密以及兩難選擇的故事。本文摘自該書，是關(guān)于奧本海默與兩位華裔物理學(xué)家楊振寧和李政道的交集。

那些年里，奧本海默花了很多時間面對大量聽眾發(fā)表公共演講，常常是因為某人逝世或某個周年慶典。1956年2月2日，他在美國物理研究所成立二十五周年慶祝大會上發(fā)表演講。演講全文以《今夜物理》為題刊登在《今日物理》上。他力圖給人留下物理學(xué)家涉及的“行業(yè)極其廣泛多樣”的印象。為了說明這一多樣性，他講了三個例子：分別是作為發(fā)現(xiàn)者的物理學(xué)家、作為公民的物理學(xué)家和作為教師的物理學(xué)家。不出所料，在“作為發(fā)現(xiàn)者的物理學(xué)家”的標(biāo)題下，他談到“業(yè)界所稱的粒子物理”，介紹了粒子物理的混亂狀況，他認為那是粒子物理發(fā)展的過渡期。“在某種程度上，”他以近乎懷舊的語氣說道，“這一領(lǐng)域會讓我們想起20世紀早期的量子理論；但是我們還沒有找到那把鑰匙，那把進入普朗克于世紀之交發(fā)現(xiàn)的新物理的鑰匙，也沒有找到可與玻爾的假設(shè)相比擬的任何理論。”然而，他堅信，“今夜物理”必將迎來新的黎明：

當(dāng)然，過去的經(jīng)驗，特別是相對論和原子力學(xué)方面的經(jīng)驗表明，在更高水平的解釋下，以前的一些被認為是顛撲不破和理所當(dāng)然的簡單觀念，因為已不再適用，應(yīng)該拋棄。

……過去總是有一種一概而論的簡單解釋，認為其中的很多東西已經(jīng)得到必要的理解。我們堅信這是人與自然的必然真理嗎？我們堅信我們有足夠的智慧去發(fā)現(xiàn)它嗎？出于某種奇怪的原因，兩個問題的答案都是肯定的。

談到作為教師的物理學(xué)家時，奧本海默的建議并非完全空洞無物，但至少有點含糊不清?！叭绻覀円獮槲覀児餐奈幕畹耐暾员M綿薄之力，就必須使我們對青年物理學(xué)家的教育更具人情味，必須想方設(shè)法使我們對藝術(shù)家、文人和事務(wù)工作者的教育更堅定、更具體。”他想要表達什么意思，或者說，究竟有沒有任何意思，似乎仍是個問題。

談到作為公民的物理學(xué)家時，他的講話同樣含混不清，似乎刻意想讓人摸不著頭腦：

盡管“和平伴隨著對彼此的恐懼”，盡管有“嚇阻”和“報復(fù)”，盡管已有更清楚的承諾，應(yīng)對“難以想象”的全球或全面戰(zhàn)爭，今天，是否能形成新的局面尚不明了。

奧本海默在“今夜物理”講座中作為“當(dāng)前急需解決的特殊問題”而列出的具體事項不是一般聽眾所能理解的。這說明在這一場合，他想把這些話說給物理學(xué)家聽。用奧本海默的話說，那些問題是“τ介子和θ介子的關(guān)系；為什么反質(zhì)子會以如此大的橫截面與核子產(chǎn)生相互作用；我們能否理解S狀態(tài)下的介子散射”。實際上，這些正是1956年4月3—7日第六次羅切斯特會議上的主要議題。派斯說，那是“一次具有歷史意義的會議，原因很多”。首先，那是第一次有蘇聯(lián)科學(xué)家參加的羅切斯特會議——這是非同一般的姿態(tài)，因為在1956年夏天，冷戰(zhàn)不僅沒有緩解的跡象，反而正在加劇。那也是第一次參會代表有機會討論奧本海默在“今夜物理”講座中提出的議題的會議。正如奧本海默暗示的那樣，那些議題提出了根本性問題。

第二天，奧本海默對擠滿會場的聽眾發(fā)表演講，談?wù)撍钕矚g的話題“亞核動物園”。他特意吸引聽眾注意他刊登在《今日物理》上的文章中提出的謎題，以及里面提出的根本問題。那個謎題是，兩個重介子（τ介子和θ介子）似乎有著相同的質(zhì)量和相同的壽命，然而宇稱相反?！坝罘Q”的概念可以通過鏡像來理解。如果你照鏡子，左變成右，右變成左；換句話說就是，空間坐標(biāo)發(fā)生了“翻轉(zhuǎn)”，如果坐標(biāo)接著再翻轉(zhuǎn)一次，它們便回到原狀，這就是所謂的“旋轉(zhuǎn)”。一次旋轉(zhuǎn)宇稱為1，一次翻轉(zhuǎn)宇稱為-1。

再來看看τ介子和θ介子，這些粒子讓物理學(xué)家非常困惑，因為似乎有充分的理由相信，它們實際上是同一種粒子，同樣令人信服的理由卻讓他們相信，它們是不同的粒子。認為它們是同一種粒子的原因很簡單，就是它們有完全相同的質(zhì)量和完全相同的壽命。如果它們不是同一種粒子，這種巧合未免太不可思議了。此外，從它們發(fā)生β衰變的情況看，似乎又很不一樣。正如上文解釋的那樣，中子發(fā)生β衰變時，會釋放一個電子和一個中微子，剩下一個質(zhì)子。另一種表述是，中子β衰變的產(chǎn)物是一個質(zhì)子、一個電子和一個中微子。τ介子和θ介子具有不同的β衰變產(chǎn)物。

單個粒子能以兩種不同的方式發(fā)生衰變，這并不特別令人費解。讓科學(xué)家們真正感到困惑的是，如果兩者是同一種粒子，那么他們堅信的基本自然規(guī)律——宇稱守恒——在這種情況下就不成立。τ介子發(fā)生β衰變時，會產(chǎn)生三個π介子（“湯川粒子”的最終名稱），兩個帶正電，一個帶負電。此外，θ介子會衰變成兩個π介子，一個帶正電，一個電中性。π介子的宇稱為-1（一次翻轉(zhuǎn)），這就意味著τ介子的宇稱為1（三次翻轉(zhuǎn)，每個π介子翻轉(zhuǎn)一次），θ介子的宇稱為1（兩次翻轉(zhuǎn)，或一次旋轉(zhuǎn)，所以最后不變）。因此，如果宇稱是守恒的，τ介子和θ介子一定是不同的粒子，盡管它們看似相同。

正是因為這一困惑，奧本海默說出的兩句話被現(xiàn)場聽眾解讀為他獨特的滑稽風(fēng)格，綜合了明顯的深刻性和十足的模糊性。第一句話是：“τ介子將會有國內(nèi)或國外的復(fù)雜性，兩個方面都不簡單?！钡诙涫牵骸霸谙蚯叭藢W(xué)習(xí)與τ-θ難題的未來讓我們大吃一驚之間，某種搖擺不定或許是調(diào)和矛盾的唯一途徑。”會議代表在會上多次提起這兩句話，對于它們的模糊性以及（正如羅伯特·克里斯所言）它們“暗示物理革命或?qū)韯輿皼皡s又難以解決問題”的事實，他們非常開心。為了解釋有關(guān)τ介子和θ介子的實驗發(fā)現(xiàn)，盡管有相同的質(zhì)量和壽命，理論物理學(xué)家們要么說它們是兩種不同的粒子，要么只能說，已被確定為物理學(xué)基本原理的宇稱守恒，實際上并不存在。在從羅切斯特返程途中，楊振寧和派斯與約翰·惠勒賭一美元，認為二者是不同的粒子。結(jié)果表明，楊振寧無論如何都不會輸，因為他很快就要開展一項研究，以證明宇稱是不守恒的。如果他獲得成功，他就會輸?shù)糍€局，欠惠勒一美元；然而，他也將因此獲得諾貝爾獎，對物理學(xué)做出重大貢獻。

第六次羅切斯特會議結(jié)束兩個月后，楊振寧寄給奧本海默一篇他和李政道合寫的論文，他們在文章中提出了一個大膽的假設(shè)。他們指出，盡管在涉及強相互作用時，譬如核子之間的相互作用，宇稱守恒已為實驗所證實，但是在弱相互作用中，譬如涉及β衰變的相互作用，并沒有相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)。楊振寧和李政道指出，由于τ介子和θ介子是以衰變產(chǎn)物來區(qū)分的，如果宇稱守恒定律在弱相互作用中不成立，那么我們就完全有理由下結(jié)論說，它們本質(zhì)上是同一種粒子。他們還建議，可以通過實驗解決這個問題。這篇論文刊登在1956年10月的《物理學(xué)評論》上時，兩位作者因“有趣的探討和評論”，對奧本海默和其他人表示感謝。實際上，奧本海默在評論中指出（似乎覺得他們的假設(shè)還不夠大膽），要解釋τ-θ之謎，或許有必要改變對時間和空間的基本理解。

楊振寧和李振道建議的一個可能的實驗是，可以在鈷-60之類的放射性物質(zhì)發(fā)生β衰變并釋放電子的過程中尋找宇稱不守恒。另一個可能的實驗是，在π介子和μ介子的衰變中（其他類型的弱相互作用）尋找宇稱不守恒。哥倫比亞大學(xué)的吳健雄帶領(lǐng)的實驗團隊承擔(dān)起楊振寧和李政道提出的挑戰(zhàn)，并于1956年底確定無疑地證實了假設(shè)是正確的：在弱相互作用中，宇稱守恒不成立。τ-θ之謎終于得到解決：它們是同一個粒子?；堇遮A了一美元，而楊振寧和李政道獲得1957年諾貝爾物理學(xué)獎。

1957年1月，實驗結(jié)果剛一出爐，楊振寧就發(fā)電報給當(dāng)時在維爾京群島的奧本海默：“吳的實驗產(chǎn)生了良好的一致性?！眾W本海默回電：“找到了出口，祝賀?！睏钫駥幵谥Z貝爾獎獲獎感言中解釋了奧本海默電報中的隱喻，他說：

那個時候，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，自己就像是一個被關(guān)在黑屋子的人，正努力摸索一個出口。他知道，某個方向一定有門，能讓他走出困境。但門在哪兒呢？

楊振寧和李政道的突破讓人興奮不已，不禁讓人想起20世紀20和30年代的突破。1957年1月16日，《紐約時報》以頭版新聞報道此事，標(biāo)題是《基本物理概念被實驗推翻，核理論中的宇稱守恒遭到哥大和普林斯頓研究院科學(xué)家挑戰(zhàn)》?！眾W本海默也非常興奮，他宣布：“今天無人知道這一發(fā)現(xiàn)會產(chǎn)生什么后果……某些東西已經(jīng)找到，它的意義只能由未來揭曉?！?/p>

1957年春，五十三歲的奧本海默到哈佛大學(xué)作威廉·詹姆斯講座。在某種程度上，這是一個知名度類似于英國廣播公司里斯講座的年度系列講座。奧本海默的大標(biāo)題是“有序的希望”。杰里米·伯恩斯坦也在現(xiàn)場，他回憶說：

講座很隆重。學(xué)校最大的禮堂、有一千兩百個座位的桑德斯劇院座無虛席。另有八百人在所謂的新禮堂通過擴音器聽講。講座不僅吸引了校內(nèi)師生，還引來了波士頓的各地群眾。坐在我前面的是兩位靚麗的波士頓藍發(fā)古典淑女。

此時的伯恩斯坦，兩年的任期很快就要到期，已經(jīng)向研究院申請了研究員職位。他回憶，“當(dāng)我收到聘書時，非常驚喜，簡直興奮極了……收到這封信后不久，奧本海默在哈佛的講座開始了”：

到目前為止，對他作為一名公共演講家的個人魅力的所有描寫沒有一點是夸張的。他的表達優(yōu)雅中帶著朦朧。你不一定能聽懂，但是你一定不會懷疑它的重大意義，而如果你不知道為什么，那只能怪你自己。

講座結(jié)束后，伯恩斯坦走上講臺，做自我介紹。一開始，奧本海默“以冰冷的目光看著我，其中的敵意讓人記憶猶新”，但是當(dāng)伯恩斯坦對他說，他秋天就要到研究院工作時，“他的態(tài)度完全改變”：

就像日出。他對我說，那里會有哪些人——一系列難以置信的名字。最后他說，李政道和楊振寧也會在那里，他們將給我們講宇稱……然后，奧本海默笑容滿面地說，“我們辦個舞會！”那次見面，我永世難忘。我終于明白，為什么他成了洛斯阿拉莫斯了不起的主任。

這些講座從未發(fā)表，但《哈佛深紅報》對講座的報道表明，它們和1953年的里斯講座涉及同樣的話題。在接受當(dāng)?shù)仉娨暸_采訪時，奧本海默說：“我相信科普。我不認為我做得很好。但是我們必須知道，科普越是重要，就越不容易做好。我認為，兩方面都不能忽視?！?/p>

有一種感覺是，奧本海默在物理科普方面花的時間越多，他就覺得自己離物理學(xué)的前沿越遠。 1957年秋天，當(dāng)伯恩斯坦到研究院報到時，他吃了一驚，因為他剛向秘書說明自己的身份，秘書就對他說，奧本海默想立即見他。他回憶，他一走進奧本海默的辦公室，奧本海默便和他寒暄：“物理學(xué)有什么新進展？”就在伯恩斯坦琢磨要怎么回答時，電話鈴響了?！笆腔?，”奧本海默放下電話對他說，“她又喝多了?！?/p>

普林斯頓物理學(xué)家薩姆·特萊曼記得，每個星期二，奧本海默都要請六七個物理學(xué)家到他的辦公室吃午餐，包括楊振寧、派斯、戴森和特萊曼自己。他回憶，奧本海默“把那些午餐看得很重，常常提前一天打電話提醒我”。特萊曼對這些午餐會的科學(xué)價值不以為意。他說，在會上，大家“狂飲雪莉酒，沒完沒了地談?wù)撐锢韺W(xué)的最新態(tài)勢……談話沒有太高的技術(shù)含量。大多是關(guān)于誰去誰留，什么最有希望，等等”。

1957年10月4日，蘇聯(lián)成功發(fā)射世界上第一顆人造地球衛(wèi)星斯普特尼克一號。這一事件震驚了美國朝野，至少在這項技術(shù)上，蘇聯(lián)人走在了美國的前面。毫無疑問，在埃德·默羅電視節(jié)目良好效果的影響下，奧本海默同意就這一話題接受哥倫比亞廣播公司霍華德·史密斯的采訪，制作一檔名為《我們身居何處》的新聞節(jié)目。讓奧本海默失望的是，對他的采訪一直沒有播出。奧本海默似乎認為，這是因為自己太容易引起爭議，盡管哥倫比亞廣播公司新聞部的副總裁西格·邁克爾森對他說，這是因為“比起對他的采訪，其他一些材料更能突出這一節(jié)目的主題”。保存在奧本海默文件里的采訪記錄似乎可以證明邁克爾森此言不假。在大部分時間里，奧本海默都在談?wù)撁绹逃w制的弊端。當(dāng)他被問及怎么才能在衛(wèi)星技術(shù)方面趕超俄國人時，他的回答簡短、平淡、內(nèi)容空洞：“我們不能讓俄國人壟斷衛(wèi)星技術(shù)，我們也要擅長這項技術(shù)。”

他于1958年4月在華盛頓的國際新聞學(xué)會以《知識樹》為題發(fā)表的演講更為生動有趣，演講全文于當(dāng)年晚些時候刊登在《哈珀雜志》上。這次演講的中心議題是，科學(xué)知識數(shù)量的劇增及其不斷加劇的專業(yè)化?！敖裉?，”他說，“不僅我們的國王不懂?dāng)?shù)學(xué)，而且我們的哲學(xué)家也不懂?dāng)?shù)學(xué)，更為嚴重的是，連我們的數(shù)學(xué)家都不懂?dāng)?shù)學(xué)”。早些時候他提到過科普教育的巨大困難，現(xiàn)在又做了進一步發(fā)揮，他對聽眾們說“要將相對論的基本原理解釋清楚幾乎是不可能的，而量子理論更是如此”：

至于最近的發(fā)現(xiàn)——楊博士和李博士獲得諾貝爾獎的趣味無窮的美妙發(fā)現(xiàn)——大自然在特定情況下更青睞左旋或右旋螺釘，對手的旋擰習(xí)慣并非沒有偏愛。我相信，解釋這玩意超出了我的能力。我從來沒有聽說，誰能以文化豐富的方式說清這件事。

《奧本海默傳：深入核心》，[英]瑞·蒙克（Ray Monk）著，劉詩軍譯，劉小雨校，啟真館｜浙江大學(xué)出版社2024年3月。