“抢来”的优先权：物理大家费曼的另一面
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2024-07-23 18:01
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理查德·菲利普斯·费曼（英语：Richard Phillips Feynman，1918年5月11日—1988年2月15日），美国理论物理学家。来源：维基百科
导读：
关于弱相互作用V-A理论，大物理学家费曼多次表示认可印度裔科学家苏达山的优先权，却从来没有正式引用他的论文。这似乎反映了费曼为人的另外一面。邢志忠 | 撰文
弱相互作用竟然最大程度地破坏宇称守恒，这一令学术界倍感震惊的科学事实，于1957年初分别被哥伦比亚大学的吴健雄（Chien-Shiung Wu）和利昂·莱德曼（Leon Lederman）实验组发现后[1、2]，最受伤的其实并不是理论物理学大师沃夫冈·泡利（Wolfgang Pauli），他曾断言“我不相信上帝是一个软弱无力的左撇子”[3]，而是两位美国物理学家弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reinesi）和克莱德·考恩（Clyde Cowan）[4]。
1956年6月14日，莱因斯和考恩给远在苏黎世的泡利发了一封电报，其内容足以促使泡利和他的同事们开一箱香槟酒庆贺一番：“我们高兴地告知您，我们已经确凿无疑地从核裂变的碎片中通过质子的逆贝塔衰变反应探测到了中微子。所测得的反应截面与理论预期值符合得很好”[5]。也就是说，二人在核反应堆实验中首次观测到了泡利在26年前所预言的假想粒子——中微子。问题在于，他们当时所采用的贝塔衰变理论，是假设了宇称在弱相互作用过程中守恒的“旧”理论，而该理论所做出的预言至少要比宇称最大破坏的“新”理论的预期值小一半！
因此从1957年开始，莱因斯和考恩的好心情逐渐降到了冰点，不得不面对无比尴尬的局面。他们直到1960年才澄清了当初的实验结果，将问题归咎于数据分析的失误，而不是外界所质疑的那种有意向理论结果靠拢的“不专业”，并公布了与“新”理论的预言相一致的新实验结果。这一令当事人意想不到的“理论反转”所造成的另一个后果是，莱因斯等到1995年才因1956年发现中微子获得诺贝尔物理学奖，那时他的老搭档考恩已经去世了21年。
正确描述原子核贝塔衰变等弱相互作用过程的“新”理论，就是著名的V–A理论，其中V代表矢量（vector）流，而A代表轴矢（axial vector）流。该理论的提出者之一、美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）1974年在宾夕法尼亚大学演讲时调侃道，“我们拥有了弱相互作用的标准理论，它是由苏达山和马沙克创建的，由费曼和盖尔曼发表的，最终被卡比堡完善的。”[6]
话虽这么说，但费曼和盖尔曼却从来不引用乔治·苏达山（George Sudarshan）和罗伯特·马沙克（Robert Marshak）的论文。而苏达山和马沙克关于V-A理论发表的论文，其引用量远远小于费曼与盖尔曼的论文，后者的论文又被后世认为存在抢发的嫌疑。1. 马沙克的失误和苏达山的失意原子核贝塔衰变的有效理论最初是由意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）创建的。他在1933年底将中子转化为质子的贝塔衰变反应的动力学归结为中子和质子构成的核子流与电子和电子型反中微子构成的轻子流之间的相互作用，即![]()
，其强度由耦合常数![]()
描述[7]。这里伽玛矩阵和所对应的就是矢量（V）流和轴矢（A）流。但进一步的研究表明，上述简单的相互作用形式不足以解释所有的贝塔衰变实验结果，于是标量（S = scalar）流、赝标（P = pseudo scalar）流和张量（T = tensor）流形式的相互作用也被考虑进来，它们分别对应单位矩阵以及形如![]()
和![]()
的伽玛矩阵。但这五种基本的“费米子流”及其线性组合，可以构成很多可能的相互作用项，究竟哪一种能够完备地描述弱相互作用的基本结构呢？
直到1956年，从理论上解决这个问题的正确思路才被费米的两位中国学生李政道（Tsung-Dao Lee）和杨振宁（Chen-Ning Yang）发现，那就是应该考虑宇称不守恒对“流―流”相互作用形式的限制 [8]。尤其在宇称最大程度地破缺的情况下，李政道和杨振宁于1957年初提出的中微子二分量理论（即只有左手性的中微子和右手性的反中微子参与弱相互作用 [9]）也获得了实验的强有力支持。于是一个新的里程碑——正确描述弱相互作用基本结构的理论——呼之欲出。在这个关键的历史时刻，捷足先登的就是美国理论物理学家马沙克和他的博士研究生苏达山。苏达山出生于1931年9月16日，在印度完成了大学本科和硕士学业，1953年遇到正在印度孟买讲学的马沙克后，立志赴美国深造。他于1955年考入纽约州的罗彻斯特大学，师从马沙克攻读博士学位。作为一名年轻的研究生，苏达山很快就掌握了粒子物理学和核物理学的前沿知识。当吴健雄和莱德曼在1957年初观测到弱相互作用中宇称不守恒的现象后，苏达山和马沙克立即着手分析已有的各种弱衰变实验数据，发现大多数弱衰变过程都可以统一地用保证宇称最大破坏的V–A形式的相互作用来描述（即V和A的贡献分别在宇称变换下改变符号和不变），但有几个例外。与这几个例外相关的实验结果，似乎预示弱相互作用的结构可能是矢量流V和张量流T的某种线性组合，或者标量流S和张量流T的某种线性组合，亦或这些实验结果本身就存在问题 [10]。孰是孰非，当时还难以定论。![]()
美国物理学家罗伯特·马沙克（Robert Marshak，1916年10月11日– 1992年12月23日）。图为1939年时的马沙克。图源：维基百科苏达山最初打算在1957年4月15日召开的第七届罗彻斯特会议（Rochester Conference）上报告他和导师的初步研究成果，但没能如愿。罗彻斯特会议始于1950年，是由马沙克发起和主办的国际高能物理学顶级系列会议，后来更名为“国际高能物理会议”，即ICHEP。作为大会主席，马沙克认为安排自己的研究生在如此高级别的国际会议上做报告并不合适，因为这不符合该会议的宗旨和惯例。另一方面，虽然马沙克本人要做一个大会综述报告，但受限于其核子散射的主题，也未能提到弱相互作用的V–A理论。在这种情况下，苏达山和马沙克错失了一次抢先公布他们的重要学术成果的绝佳机会，而此事多年以后也令马沙克后悔不已 [10]。1957年夏天，苏达山和马沙克对当时弱相互作用的实验数据做了进一步分析，准备在9月下旬召开的意大利帕多瓦国际会议上做一个关于V–A理论的大会报告。为此师生二人还专程去了一趟加州理工学院，向盖尔曼和实验物理学家费利克斯·玻姆（Felix Boehm）解释了V–A理论的基本想法，并表达了对几个与V–A理论相矛盾的实验结果的质疑。玻姆告诉他们，他的实验结果是支持弱相互作用的V–A结构的。聪明绝顶的盖尔曼马上意识到，V–A理论应该就是描述弱相互作用的正确理论，但他向马沙克和苏达山保证，自己无意就这一问题发表任何论文。此次会面之后，盖尔曼动身外出度假，而马沙克和苏达山则打道回府。1957年9月16日，就在苏达山26岁生日这一天，马沙克终于将师生二人关于V–A理论的研究工作整理成题为“四费米相互作用的本质”（The nature of the four Fermi interaction）的预印本，寄给其他同行。由于不久之后就会在帕多瓦国际会议上做报告，因此马沙克并没有将这篇预印本投到专业学术期刊正式发表，以避免一稿两投的嫌疑。马沙克的这一看似无可挑剔的决定事后也被证明是相当不明智的，因为帕多瓦会议的论文集直到1958年5月才出版 [11]，而大多数学者在一般情况下是不会主动去查阅会议论文的。马沙克和苏达山后来才得知，美国物理学会主办的《物理评论》（Physical Review）期刊编辑部就在1957年9月16号这一天收到了费曼和盖尔曼合作撰写的论文，其题目是“费米相互作用的理论”（Theory of the Fermi interaction），也探讨了弱相互作用的V–A结构。最终费曼和盖尔曼的论文抢先于1958年1月正式发表 [12]，迄今为止已经获得了近2000次的引用。相比之下，苏达山和马沙克的会议论文几乎无人问津——两人痛失提出V–A理论的优先权。1958年1月，费曼应邀在美国物理学会举办的一场学术会议上报告他和盖尔曼提出的V–A理论。当时在场的马沙克这才知道“自己和学生的类似想法”已被抢先发表。为了挽救已经失去的优先权，大受刺激的马沙克和苏达山做了亡羊补牢的努力，于1958年3月在《物理评论》的“致编辑的信”（Letters to the editor）栏目上发表了一篇不足两页的短文，题目是“手征不变性与普适的费米相互作用”（Chirality invariance and the universal Fermi interactions）[13]，极力为他们自己的工作正名。这篇论文至今获得了700余次的引用，但其知名度和影响力难以与费曼和盖尔曼的论文匹敌。尤其令人感到诡异的是，费曼和盖尔曼两人从来没有正式引用过苏达山和马沙克的论文，包括后来的所有论文！但学术界还是普遍认可苏达山和马沙克对弱相互作用的V–A理论所做出的原创性贡献，比如除了吴健雄和卡比堡，还有至少十四位诺贝尔物理学奖得主也正式引用过他们的论文，包括实验物理学家莱茵斯、利昂·莱德曼（Leon Lederman）、耶利米·克罗宁（Jeremiah Cronin）、瓦尔·菲奇（Val Fitch）、卡洛·鲁比亚（Carlo Rubbia）、杰克·斯坦伯格（Jack Steinberger）和巴里·巴里什（Barry Barish），以及理论家阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam）、谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）、史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）、威廉·福勒（William Fowler）、杰拉德·特胡夫特（Gerardus ‘t Hooft）、益川敏英（Toshihide Maskawa）和南部洋一郎（Yoichiro Nambu）。尽管马沙克教授作为导师后来一再自责，并在公开场合诚恳地向自己的学生表达了歉意[10]，但苏达山对痛失V–A理论的发现优先权这件事始终难以释怀。2007年在接受《印度斯坦时报》专访时，已是76岁高龄、深知“发表才是硬道理”的苏达山依旧抱怨道，“……温伯格、格拉肖和萨拉姆获得诺贝尔奖的工作是基于我作为一个26岁的学生的思想。假如你为一座大厦的建造颁奖，不应该把奖先颁发给建造第一层而不是第二层的人吗？”[14]。乔治·苏达山（George Sudarshan，1931年9月16日-2018年5月13日）。图为2009年时的图达山。图源：维基百科平心而论，马沙克算得上是个好导师。首先，他公开承认在与苏达山的合作中，学生对V–A理论的贡献是主要的；其次，他放弃了论文署名时按照姓氏字母顺序排列的学界惯例，将苏达山列为第一作者，但在两人先前合作的论文中并非如此；第三，他在多种场合为苏达山争取提出V–A理论的优先权，尽管最终结果并不令苏达山本人感到满意。《物种起源》的作者查尔斯·达尔文（Charles Darwin）的第三子弗朗西斯·达尔文（Francis Darwin）曾经说过一句颇具争议的话：“在科学上，荣誉属于让全世界信服的人，而不属于先有想法的人”（In science the credit goes to the man who convinces the world, not the man to whom the idea first occurs）。就V–A理论的优先权问题而言，费曼和盖尔曼的工作未必就能让整个学界信服，但他们的名气和影响力确实盖过了马沙克，更不是年轻的苏达山所能抗衡的。1957年夏天，就在马沙克和苏达山向盖尔曼和玻姆分享自己的V–A理论之际，尽管还在巴西讲学，加州理工学院的大物理学家费曼也意识到了所有的弱衰变过程都可能统一在具有V–A结构的相互作用图像中。费曼从巴西回到加州后，很快就听说了盖尔曼和玻姆关于弱相互作用可能具有V–A结构的讨论，后者与自己的想法不谋而合！据说马沙克也曾在当年的某一场合向费曼透露过他和苏达山的初步分析结果，但这其实很难证明什么。经过一番颇具“费曼风格”的计算之后，费曼对V–A理论的正确性感到深信不疑。他后来曾经这样语无伦次地描述自己当时激动无比的心情：“我在那一瞬间从椅子上飞起来，并喃喃自语道，‘我全明白了！我全明白了！我明天早上就向你们解释这一切！’……当我这么说的时候，他们以为我在开玩笑……但是我并没有开玩笑。我需要的就是从只钻标量流S和张量流T的牛角尖中解脱出来，原因在于我得到了一个理论，倘若其中可以存在矢量流V和轴矢流A，那么V和A就是对的。道理很简单：这样的结构干净利落，而且漂亮可人”[15]。行事一贯不疾不徐的费曼，这次一反常态，很快就写出了论文的初稿，并准备投稿发表。就在此时，盖尔曼度假结束回到了加州理工学院。听说自己的老“对手”费曼正在写一篇与弱相互作用的V–A理论有关的学术论文，盖尔曼立刻就坐不住了，因为他本人也有这方面的独特想法和计算结果。于是盖尔曼不顾先前对马沙克和苏达山所做的不会专门写文章的承诺，决定也写一篇与费曼的论文相抗衡、具有自己所擅长的“流对称性”风格的论文。得知这两位身为同事的明星物理学家正在竞写同一内容的论文后，加州理工学院物理系主任也坐不住了，因为他认为这种“恶性竞争”有伤名校的体面。于是他马上出面干预，要求费曼和盖尔曼两人合作，发表一篇论文就足够了[15]。令人吃惊的是，这两位先前从未合作过而且彼此一直在学术上“较劲”的大理论家竟然同意了。1957年9月16日，费曼和盖尔曼将合作撰写的论文投到了《物理评论》杂志。在该论文的致谢部分有这样一句话：“作者之一盖尔曼感谢马沙克和苏达山的颇有价值的讨论”。盖尔曼尽管比费曼年轻，却从不讳言对这位爱出风头的前辈的讥讽和批评。在盖尔曼看来，费曼的优点在于将已知的东西用截然与众不同、十分简洁有效的方式重新表述的超强能力，但他在学术上似乎始终缺乏原始创新的能力。费曼本人在去世前也承认，他之所以对发现弱相互作用的V–A结构如此兴奋，是因为他“知道了一种其他人都不知道的自然规律”，这在他的职业生涯中是第一次，也是唯一的一次[10]。1989年2月，盖尔曼在《今日物理》（Physics Today）期刊上发表了题为“迪克·费曼——坐在过道那间办公室的伙计”（Dick Feynman——The guy in the office down the hall）的文章 [16]，以纪念费曼逝世一周年。在这篇文章中，盖尔曼对费曼经常“做秀”的风格表达了不屑，也客观地评价了费曼的与众不同之处。用盖尔曼自己的话说，“正如大家所熟知的那样，理查德喜欢用新奇的方式探究每一个问题，无论重要的还是不重要的问题——‘翻来覆去’，就像他所说的。他年幼丧父，他讲过自己的父亲生前是如何教他这么做的。这种方式一直伴随着理查德以非比寻常的努力做到与众不同，尤其是做到与他的朋友和同事很不一样。”令人不解的是，费曼多次表示认可苏达山提出弱相互作用V–A理论的优先权，却从来不正式引用苏达山和马沙克的论文。这也许反映了费曼为人不够真诚和学术上“霸道”的一面。2018年5月，麻省理工学院的郑洪（Hung Cheng）教授在《大学物理》上发表了题为“费曼先生的另一面”的文章，其摘要可以在一定程度上诠释费曼对待与自己的科研相关的他人成果所采取的“视而不见”对策：“费曼教授关于部分子模型的研究中，曾和我有很多讨论，曾邀请我去他家，我用一整天的时间向他详细解释我和吴大峻工作的细节，包括已发表的及没有发表的结果。后来在Stony Brook Conference (1969)会议中他在口头上提起我和大峻的工作不下十余次，但是，在正式发表的论文上，他从来不提我和大峻的名字，也从不引我们的文章；在私下，他也没有任何形式的说明。”[17]回到费曼在1974年所说的那句玩笑话，“我们拥有了弱相互作用的标准理论，它是由苏达山和马沙克创建的，由费曼和盖尔曼发表的，最终被卡比堡完善的”，其中意大利物理学家尼古拉·卡比堡（Nicola Cabibbo）的贡献（即在弱相互作用的V–A结构的基础上引入夸克混合角）是在1963年做出来的。无独有偶，卡比堡的重要学术成果最终也没有得到诺贝尔物理学奖认可，尽管他生前获奖的呼声很高；而对卡比堡的工作不屑一顾的人，则是“夸克之父”盖尔曼。这是后话。![]()
作者简介：
邢志忠，中国科学院高能物理研究所研究员，研究领域为基本粒子物理学。著有原创科普图书《中微子振荡之谜》，译著包括《你错了，爱因斯坦先生！》《改变世界的方程》《希格斯》等。座右铭为“一个人偶尔离谱并不难，难的是一辈子都不怎么靠谱。”
[1]C.S. Wu. E. Ambler, R.W. Hayward, D.D. Hoppes, R.P. Hudson, “Experimental test of parity conservation in beta decay”, Phys. Rev. 105 (1957) 1413—1414[2]R.L. Garwin, L.M. Lederman, M. Weinrich, “Observations of the failure of conservation of parity and charge conjugation in meson decays: the magnetic moment of the free muon”, Phys. Rev. 105 (1957) 1415—1417[3]M. Shifman, “Standing together in troubled times——Unpublished letters by Pauli, Einstein, Franck and others”, World Scientific (2017)[4]C.L. Cowan, F. Reines, F.B. Harrison, H.W. Kruse, A.D. McGuire, “Detection of the free neutrino: A confirmation”, Science 124 (1956) 103—104[5]C.L. Cowan, F. Reines, “Detecting the poltergeist”, Los Alamos Science 25 (1997) 4—27[6]S. Glashow, “Message for Sudarshan Symposium”, J. Phys. Conf. Series 196 (2009) 011003[7]E. Fermi, “Tentativo di una teoria dell’emissione dei raggi beta”, Ric. Sci. 4 (1933) 491—495; E. Fermi, “An attempt of a theory of beta radiation”, Z. Phys. 88 (1934) 161—177[8]T.D. Lee, C.N. Yang, “Question of parity conservation in weak interactions”, Phys. Rev. 104 (1956) 254—258[9]T.D. Lee, C.N. Yang, “Parity nonconservation and a two-component theory of the neutrino”, Phys. Rev. 105 (1957) 1671—1675[10]R.E. Marshak, “The pain and joy of a major scientific discovery” —— Banquet Talk on the occasion of E.C.G. Sudarshan’s 60th birthday celebration, Current Science 63 (1992) 60—64; Z. Naturforsch. 52a (1997) 3—8[11]E.C.G. Sudarshan, R.E. Marshak, “The nature of the four-fermion interactions”, Proceedings of the Conference on Mesons and Newly-discovered Particles, Padua-Venice, September 1957, edited by N. Zanichelli, Bologna (1958).[12]R.P. Feynman, M. Gell-Mann, “Theory of the Fermi interaction”, Phys. Rev. 109 (1958) 193—198 [13]E.C.G. Sudarshan, R.E. Marshak, “Chirality invariance and the universal Fermi interactions”, Phys. Rev. 109 (1958) 1860—1862[14]N. Mehta, “Physicist cries foul over Nobel miss”, Hindustan Times, 4 April 2007[15]L.M. Krauss, “Hiding in the mirror”, Resonance 9 (2011) 801—820[16]M. Gell-Mann, “Dick Feyman¾¾The guy in the office down the hall”, Physics Today 2 (1989) 50—54[17]郑洪，“费曼先生的另一面”，《大学物理》37（2018）5—6![]()
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