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奥本海默与杨振宁、李政道

瑞·蒙克

2024-06-20 13:05

【编者按】

J.R.奥本海默是20世纪最具争议性的人物之一。他兴趣广泛、智识超群，其才华与激情，对20世纪上半叶的量子物理、宇宙物理、黑洞理论等研究领域做出了重要贡献。但奥本海默的生平并非简单重复着科学成就和世界性的声誉，原子弹工程深刻改变了奥本海默，也深刻改变了战后的世界。在《奥本海默传：深入核心》这部传记中，作者蒙克深入挖掘了奥本海默的成长过程、智识经历和个人关系，为我们讲述了一段关于科学发现、隐藏秘密以及两难选择的故事。本文摘自该书，是关于奥本海默与两位华裔物理学家杨振宁和李政道的交集，澎湃新闻经浙江大学出版社授权发布。

那些年里，奥本海默花了很多时间面对大量听众发表公共演讲，常常是因为某人逝世或某个周年庆典。1956年2月2日，他在美国物理研究所成立二十五周年庆祝大会上发表演讲。演讲全文以《今夜物理》为题刊登在《今日物理》上。他力图给人留下物理学家涉及的“行业极其广泛多样”的印象。为了说明这一多样性，他讲了三个例子：分别是作为发现者的物理学家、作为公民的物理学家和作为教师的物理学家。不出所料，在“作为发现者的物理学家”的标题下，他谈到“业界所称的粒子物理”，介绍了粒子物理的混乱状况，他认为那是粒子物理发展的过渡期。“在某种程度上，”他以近乎怀旧的语气说道，“这一领域会让我们想起20世纪早期的量子理论；但是我们还没有找到那把钥匙，那把进入普朗克于世纪之交发现的新物理的钥匙，也没有找到可与玻尔的假设相比拟的任何理论。”然而，他坚信，“今夜物理”必将迎来新的黎明：

当然，过去的经验，特别是相对论和原子力学方面的经验表明，在更高水平的解释下，以前的一些被认为是颠扑不破和理所当然的简单观念，因为已不再适用，应该抛弃。

……过去总是有一种一概而论的简单解释，认为其中的很多东西已经得到必要的理解。我们坚信这是人与自然的必然真理吗？我们坚信我们有足够的智慧去发现它吗？出于某种奇怪的原因，两个问题的答案都是肯定的。

谈到作为教师的物理学家时，奥本海默的建议并非完全空洞无物，但至少有点含糊不清。“如果我们要为我们共同的文化生活的完整性尽绵薄之力，就必须使我们对青年物理学家的教育更具人情味，必须想方设法使我们对艺术家、文人和事务工作者的教育更坚定、更具体。”他想要表达什么意思，或者说，究竟有没有任何意思，似乎仍是个问题。

谈到作为公民的物理学家时，他的讲话同样含混不清，似乎刻意想让人摸不着头脑：

尽管“和平伴随着对彼此的恐惧”，尽管有“吓阻”和“报复”，尽管已有更清楚的承诺，应对“难以想象”的全球或全面战争，今天，是否能形成新的局面尚不明了。

奥本海默在“今夜物理”讲座中作为“当前急需解决的特殊问题”而列出的具体事项不是一般听众所能理解的。这说明在这一场合，他想把这些话说给物理学家听。用奥本海默的话说，那些问题是“τ介子和θ介子的关系；为什么反质子会以如此大的横截面与核子产生相互作用；我们能否理解S状态下的介子散射”。实际上，这些正是1956年4月3—7日第六次罗切斯特会议上的主要议题。派斯说，那是“一次具有历史意义的会议，原因很多”。首先，那是第一次有苏联科学家参加的罗切斯特会议——这是非同一般的姿态，因为在1956年夏天，冷战不仅没有缓解的迹象，反而正在加剧。那也是第一次参会代表有机会讨论奥本海默在“今夜物理”讲座中提出的议题的会议。正如奥本海默暗示的那样，那些议题提出了根本性问题。

第二天，奥本海默对挤满会场的听众发表演讲，谈论他最喜欢的话题“亚核动物园”。他特意吸引听众注意他刊登在《今日物理》上的文章中提出的谜题，以及里面提出的根本问题。那个谜题是，两个重介子（τ介子和θ介子）似乎有着相同的质量和相同的寿命，然而宇称相反。“宇称”的概念可以通过镜像来理解。如果你照镜子，左变成右，右变成左；换句话说就是，空间坐标发生了“翻转”，如果坐标接着再翻转一次，它们便回到原状，这就是所谓的“旋转”。一次旋转宇称为1，一次翻转宇称为-1。

再来看看τ介子和θ介子，这些粒子让物理学家非常困惑，因为似乎有充分的理由相信，它们实际上是同一种粒子，同样令人信服的理由却让他们相信，它们是不同的粒子。认为它们是同一种粒子的原因很简单，就是它们有完全相同的质量和完全相同的寿命。如果它们不是同一种粒子，这种巧合未免太不可思议了。此外，从它们发生β衰变的情况看，似乎又很不一样。正如上文解释的那样，中子发生β衰变时，会释放一个电子和一个中微子，剩下一个质子。另一种表述是，中子β衰变的产物是一个质子、一个电子和一个中微子。τ介子和θ介子具有不同的β衰变产物。

单个粒子能以两种不同的方式发生衰变，这并不特别令人费解。让科学家们真正感到困惑的是，如果两者是同一种粒子，那么他们坚信的基本自然规律——宇称守恒——在这种情况下就不成立。τ介子发生β衰变时，会产生三个π介子（“汤川粒子”的最终名称），两个带正电，一个带负电。此外，θ介子会衰变成两个π介子，一个带正电，一个电中性。π介子的宇称为-1（一次翻转），这就意味着τ介子的宇称为1（三次翻转，每个π介子翻转一次），θ介子的宇称为1（两次翻转，或一次旋转，所以最后不变）。因此，如果宇称是守恒的，τ介子和θ介子一定是不同的粒子，尽管它们看似相同。

正是因为这一困惑，奥本海默说出的两句话被现场听众解读为他独特的滑稽风格，综合了明显的深刻性和十足的模糊性。第一句话是：“τ介子将会有国内或国外的复杂性，两个方面都不简单。”第二句是：“在向前人学习与τ-θ难题的未来让我们大吃一惊之间，某种摇摆不定或许是调和矛盾的唯一途径。”会议代表在会上多次提起这两句话，对于它们的模糊性以及（正如罗伯特·克里斯所言）它们“暗示物理革命或将来势汹汹却又难以解决问题”的事实，他们非常开心。为了解释有关τ介子和θ介子的实验发现，尽管有相同的质量和寿命，理论物理学家们要么说它们是两种不同的粒子，要么只能说，已被确定为物理学基本原理的宇称守恒，实际上并不存在。在从罗切斯特返程途中，杨振宁和派斯与约翰·惠勒赌一美元，认为二者是不同的粒子。结果表明，杨振宁无论如何都不会输，因为他很快就要开展一项研究，以证明宇称是不守恒的。如果他获得成功，他就会输掉赌局，欠惠勒一美元；然而，他也将因此获得诺贝尔奖，对物理学做出重大贡献。

第六次罗切斯特会议结束两个月后，杨振宁寄给奥本海默一篇他和李政道合写的论文，他们在文章中提出了一个大胆的假设。他们指出，尽管在涉及强相互作用时，譬如核子之间的相互作用，宇称守恒已为实验所证实，但是在弱相互作用中，譬如涉及β衰变的相互作用，并没有相应的实验数据。杨振宁和李政道指出，由于τ介子和θ介子是以衰变产物来区分的，如果宇称守恒定律在弱相互作用中不成立，那么我们就完全有理由下结论说，它们本质上是同一种粒子。他们还建议，可以通过实验解决这个问题。这篇论文刊登在1956年10月的《物理学评论》上时，两位作者因“有趣的探讨和评论”，对奥本海默和其他人表示感谢。实际上，奥本海默在评论中指出（似乎觉得他们的假设还不够大胆），要解释τ-θ之谜，或许有必要改变对时间和空间的基本理解。

杨振宁和李振道建议的一个可能的实验是，可以在钴-60之类的放射性物质发生β衰变并释放电子的过程中寻找宇称不守恒。另一个可能的实验是，在π介子和μ介子的衰变中（其他类型的弱相互作用）寻找宇称不守恒。哥伦比亚大学的吴健雄带领的实验团队承担起杨振宁和李政道提出的挑战，并于1956年底确定无疑地证实了假设是正确的：在弱相互作用中，宇称守恒不成立。τ-θ之谜终于得到解决：它们是同一个粒子。惠勒赢了一美元，而杨振宁和李政道获得1957年诺贝尔物理学奖。

1957年1月，实验结果刚一出炉，杨振宁就发电报给当时在维尔京群岛的奥本海默：“吴的实验产生了良好的一致性。”奥本海默回电：“找到了出口，祝贺。”杨振宁在诺贝尔奖获奖感言中解释了奥本海默电报中的隐喻，他说：

那个时候，物理学家发现，自己就像是一个被关在黑屋子的人，正努力摸索一个出口。他知道，某个方向一定有门，能让他走出困境。但门在哪儿呢？

杨振宁和李政道的突破让人兴奋不已，不禁让人想起20世纪20和30年代的突破。1957年1月16日，《纽约时报》以头版新闻报道此事，标题是《基本物理概念被实验推翻，核理论中的宇称守恒遭到哥大和普林斯顿研究院科学家挑战》。”奥本海默也非常兴奋，他宣布：“今天无人知道这一发现会产生什么后果……某些东西已经找到，它的意义只能由未来揭晓。”

1957年春，五十三岁的奥本海默到哈佛大学作威廉·詹姆斯讲座。在某种程度上，这是一个知名度类似于英国广播公司里斯讲座的年度系列讲座。奥本海默的大标题是“有序的希望”。杰里米·伯恩斯坦也在现场，他回忆说：

讲座很隆重。学校最大的礼堂、有一千两百个座位的桑德斯剧院座无虚席。另有八百人在所谓的新礼堂通过扩音器听讲。讲座不仅吸引了校内师生，还引来了波士顿的各地群众。坐在我前面的是两位靓丽的波士顿蓝发古典淑女。

此时的伯恩斯坦，两年的任期很快就要到期，已经向研究院申请了研究员职位。他回忆，“当我收到聘书时，非常惊喜，简直兴奋极了……收到这封信后不久，奥本海默在哈佛的讲座开始了”：

到目前为止，对他作为一名公共演讲家的个人魅力的所有描写没有一点是夸张的。他的表达优雅中带着朦胧。你不一定能听懂，但是你一定不会怀疑它的重大意义，而如果你不知道为什么，那只能怪你自己。

讲座结束后，伯恩斯坦走上讲台，做自我介绍。一开始，奥本海默“以冰冷的目光看着我，其中的敌意让人记忆犹新”，但是当伯恩斯坦对他说，他秋天就要到研究院工作时，“他的态度完全改变”：

就像日出。他对我说，那里会有哪些人——一系列难以置信的名字。最后他说，李政道和杨振宁也会在那里，他们将给我们讲宇称……然后，奥本海默笑容满面地说，“我们办个舞会！”那次见面，我永世难忘。我终于明白，为什么他成了洛斯阿拉莫斯了不起的主任。

这些讲座从未发表，但《哈佛深红报》对讲座的报道表明，它们和1953年的里斯讲座涉及同样的话题。在接受当地电视台采访时，奥本海默说：“我相信科普。我不认为我做得很好。但是我们必须知道，科普越是重要，就越不容易做好。我认为，两方面都不能忽视。”

有一种感觉是，奥本海默在物理科普方面花的时间越多，他就觉得自己离物理学的前沿越远。 1957年秋天，当伯恩斯坦到研究院报到时，他吃了一惊，因为他刚向秘书说明自己的身份，秘书就对他说，奥本海默想立即见他。他回忆，他一走进奥本海默的办公室，奥本海默便和他寒暄：“物理学有什么新进展？”就在伯恩斯坦琢磨要怎么回答时，电话铃响了。“是基蒂，”奥本海默放下电话对他说，“她又喝多了。”

普林斯顿物理学家萨姆·特莱曼记得，每个星期二，奥本海默都要请六七个物理学家到他的办公室吃午餐，包括杨振宁、派斯、戴森和特莱曼自己。他回忆，奥本海默“把那些午餐看得很重，常常提前一天打电话提醒我”。特莱曼对这些午餐会的科学价值不以为意。他说，在会上，大家“狂饮雪莉酒，没完没了地谈论物理学的最新态势……谈话没有太高的技术含量。大多是关于谁去谁留，什么最有希望，等等”。

1957年10月4日，苏联成功发射世界上第一颗人造地球卫星斯普特尼克一号。这一事件震惊了美国朝野，至少在这项技术上，苏联人走在了美国的前面。毫无疑问，在埃德·默罗电视节目良好效果的影响下，奥本海默同意就这一话题接受哥伦比亚广播公司霍华德·史密斯的采访，制作一档名为《我们身居何处》的新闻节目。让奥本海默失望的是，对他的采访一直没有播出。奥本海默似乎认为，这是因为自己太容易引起争议，尽管哥伦比亚广播公司新闻部的副总裁西格·迈克尔森对他说，这是因为“比起对他的采访，其他一些材料更能突出这一节目的主题”。保存在奥本海默文件里的采访记录似乎可以证明迈克尔森此言不假。在大部分时间里，奥本海默都在谈论美国教育体制的弊端。当他被问及怎么才能在卫星技术方面赶超俄国人时，他的回答简短、平淡、内容空洞：“我们不能让俄国人垄断卫星技术，我们也要擅长这项技术。”

他于1958年4月在华盛顿的国际新闻学会以《知识树》为题发表的演讲更为生动有趣，演讲全文于当年晚些时候刊登在《哈珀杂志》上。这次演讲的中心议题是，科学知识数量的剧增及其不断加剧的专业化。“今天，”他说，“不仅我们的国王不懂数学，而且我们的哲学家也不懂数学，更为严重的是，连我们的数学家都不懂数学”。早些时候他提到过科普教育的巨大困难，现在又做了进一步发挥，他对听众们说“要将相对论的基本原理解释清楚几乎是不可能的，而量子理论更是如此”：

至于最近的发现——杨博士和李博士获得诺贝尔奖的趣味无穷的美妙发现——大自然在特定情况下更青睐左旋或右旋螺钉，对手的旋拧习惯并非没有偏爱。我相信，解释这玩意超出了我的能力。我从来没有听说，谁能以文化丰富的方式说清这件事。