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消失的物理学家和他难以捉摸的粒子

他把对称性引入了理论物理学,然后消失得无影无踪。

Via Panisperna物理研究所的成员们习惯给自己起个诙谐的绰号:恩里科·费米是

TVia Panisperna物理研究所的成员们习惯给自己起个诙谐的绰号:恩里科·费米(Enrico Fermi)是“教皇”,奥尔索·科尔比诺(Orso Corbino)是“上帝”,弗兰科·拉塞蒂(Franco Rasetti)是“红衣主教”。那是在1930年,意大利首都以一群奇迹般的科学家而自豪,他们正在革命原子和核物理。自伽利略以来,意大利从未在科学上表现出如此突出的地位。这支特立独行的球队后来被称为“Via Panisperna Boys”,由著名的恩里科·费米领导,当时他才20多岁,已经是一名正教授。但它的许多其他名字对今天的物理学生来说也很熟悉:维克、拉卡哈、Segrè、庞特科沃……

就像这些奇妙的团体通常发生的那样,它是在机缘巧合中诞生的,是有才华的人和有远见的政治家的偶然融合。后者是以黑手党保护者的形式出现的,参议员科尔比诺,他有足够的权力来阻止科学官僚和墨索里尼的怪癖。由于远离了现实世界,男孩们在恶作剧、笑话和非正式的气氛中进行科学研究,这种气氛在《费曼先生,你一定是在开玩笑》(sure You’r kidding, Mr. Feynman)中得到了普及。Via Panisperna学院是那种能够培养真正创造性思维的科学幼儿园,在这里,严肃的问题与谁能最快解微分方程的赌注混合在一起。顺便说一句,这些奖项总是由“伟大的审判”——埃托雷·马约拉纳(ettore Majorana)赢得。

埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)是这个团体里的一个怪人。作为一名神童,他从小就能在脑子里算出三次方根,他把与他人相处时伴随而来的问题带入了成年——尤其是与女性——确保了横向思维所必需的内在挫折的先决条件。马约拉娜成长在一个不正常的雄心勃勃的家庭,由一个专横跋扈的母亲统治,凌驾于他那一代人之上。他来自西西里岛,这片土地以其高超的艺术才能而闻名,但也几乎完全缺乏科学才能(更不用说对科学根深蒂固的怀疑和迷信的偏好)。在生命的后期,马约拉纳已经是一名公认的科学家,他和他的同事们很不一样,他们代表了cliché -庸俗的科学家。马约拉纳精通皮兰德罗和叔本华的著作,对科学以外的领域也有兴趣,尤其是文学和哲学。他是当今可以称为文艺复兴时期的人。

他受到同行和教授们的敬畏和尊敬,但他也很茫然。

在全家搬到罗马后,马约拉纳参加了一个工程项目,在那里他被证明是老师们的终极噩梦,因为他能够心算数学,一眼就能发现矛盾之处。同学们和教授们都对他既敬畏又尊敬,但他也漫无目的,从不学习或对他应该做的事情表现出任何兴趣。在他早年的时候,爱因斯坦分享了这种超然,这种与世界的脱节,在他的年龄和成熟带来了巨大的创造力爆发之前,这两者都是众所周知的。在马略拉那,他的繁荣机会被盛在一个银盘子里,盘子的形状是Via Panisperna。

萨波尔斯基大学TH-F1

怀旧成为了自然法则

约翰·罗斯金(John Ruskin)称其为“情感谬误”:将暴雨视为激情,将细雨视为悲伤,将融化的溪流视为天真。毕竟,直觉消失了,大自然没有人类的激情。试想一下,如果罗斯金得知……阅读更多

Via Panisperna的每个男孩都做实验和理论工作,除了马约拉纳,他从不在实验室弄脏自己的手。马约拉纳更倾向于数学,他满足于在研究所迟到,坐在一旁,“一眼就”指出令人尴尬的错误,然后提出一些在几十年后就成为物理学主流的理论。马约拉纳被安放在潘尼斯帕纳男孩(Panisperna Boys)中一个令人敬畏的创新思想家的位置上,他对对称及其核心的数学工具群体理论(group theory)产生了兴趣。

消失的物理学家:埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)在30岁出头时消失得无影无踪,此前他在理论物理学方面进行了开创性的工作,其重要性直到多年后才被承认。 维基


P粒子和反粒子太相似了,不可能不对称。考虑电子和正电子(或反电子)。它们不是完全相同的(它们有相同的质量和自旋),它们是完全相反的(例如,它们的电荷有相同的值但符号相反)。在马约拉娜去世多年后,理查德·费曼(Richard Feynman)和恩斯特·施图克尔伯格(Ernst Stueckelberg)率先发现,这种不可思议的相似性可以被理解为时间之箭反转下的对称。

假设我们开始播放《时光倒流》这部电影。根据我们人类的经验,结果将是完全胡说八道。甚至连孩子们的故事也将是荒谬的:王子曾经幸福地生活在一起,有一天他会亲吻公主,使她迅速陷入深度昏迷,之后他会忘记几年后,睡美人会在纺锤附近随机醒来,接着是更令人费解的垃圾……多么糟糕的让孩子上床睡觉的故事啊!

但是对于简单的(而不是复杂的)物理系统来说,这个神话故事基本上不会改变。如果我们想象一个所有的速度都颠倒了的太阳系,导致了一部“时间倒流”的电影,这一切几乎仍然行得通。对于地球和其他行星来说,一年的长度是一样的。太阳会从西方升起,在东方落下,但一天的持续时间不会有什么不同。同样,亚原子粒子的世界在时间之箭的逆转下经历了非常简单的变化。具体来说,粒子被转换成反粒子,反之亦然(见不是恶作剧)。

为了理解这是如何发生的,考虑正电子从月球到地球,离开时间下午1点格林尼治平均时间,到达下午2点,它在地球上的探测器的接收信号是由过剩的正能量和正电荷出现,但是因为我们只能测量数量的变化,这可以是相等的。很可能被解释为负能量和负电荷(即电子)的消失(即离开)。同样,下午1点月球上正能量和电荷的消失可以解释为负能量和负电荷(电子)的出现(到达)因此,将两者结合起来,我们可以理解正能量的正电子在时间上向前移动的过程,从月球到地球,作为负能量的电子在时间上向后移动,下午2点离开地球,下午1点到达月球。换句话说,正电子可以被视为负能量的电子这不是费曼人的恶作剧!这实际上是一个人如何进行大量成功的粒子物理计算,例如预测物质和反物质粒子产生和湮灭的概率。

当马约拉纳在Via Panisperna工作时,时间反转在粒子物理学中的作用还不为人所知,而反粒子(当时人们对它们的理解)带来了各种各样的奇怪现象。保罗·狄拉克(Paul Dirac)在几年前,也就是1928年,刚刚发现了它们,这种处理方式至今仍是历史上的一个特例。他着手统一量子力学和狭义相对论,并发现了最简单的,而不是最明显的群论结构。作为一种必然结果,它包含着反物质。但在他的理论中,真空必须被定义为一个无限的负能量粒子海洋,而这个无限的海洋被假定为不可观测的。该理论还预言了物质和反物质粒子的创造和湮灭,但这些过程被认为是深奥的,属于科幻小说领域,而不是真正的科学。学界对狄拉克理论的成功仍持模棱两可的态度。

马约拉纳也不喜欢反粒子。他的职业生涯在反粒子被实验发现之前就开始了,甚至在无限真空海洋和湮灭被考虑之前,反粒子数学的实质细节就令他不满。科学家们常常被直觉和品味所引导:虽然我们认为自然美具有普遍吸引力,但它往往是观察者眼中的第一道闪光。因此,他把自己相当重要的数学能力全部投入到试图规避反物质预测的努力中。他的目标是在相对论和量子力学之间实现与狄拉克同样的统一,但不产生反粒子。

结果就是现在著名的马约拉纳中微子。它的构建比狄拉克的要复杂得多,但在逻辑上也是对现有理论的明显延伸。狄拉克追求简单,马约拉纳追求逻辑极简主义。他的新粒子本身就是反粒子,因此不需要发明任何新的反粒子。把费曼-斯图克尔伯格的照片(在马约拉纳之后)和Schrödinger那只猫的特质结合起来就可以理解了。如果量子力学允许一只活猫和一只死猫诡异的叠加,它也允许两个时间之箭的叠加。猫和反猫可以折叠成一个,或者不考虑猫,我们可以建立一个完美对称的中微子和反中微子的叠加。马约拉纳中微子在时间上以相同的速度向前和向后移动,因此如果我们在时间上向后播放它的胶片,它就不会发生变化。

他的新粒子让马约拉纳避免了狄拉克反世界的尴尬局面。如果自然尽可能简单,那么所有的粒子都应该是Majorana粒子,反粒子就不会存在。然而,自然就是自然,关于电子,狄拉克是对的,马约拉纳是错的。1933年,卡尔·大卫·安德森在宇宙射线中发现了正电子(或反电子)。但正如狄拉克自己曾经指出的那样,“一个深刻真理的对立面很可能是另一个深刻真理。”


N在马约拉纳附近,有一个人甚至对他的意图略知一别:其他男孩尽管有天赋,却要落后得多。和当时的大多数物理学家一样,他们认为马约拉纳的构造是纯粹的数学,与物理学没有任何关联。把群体理论应用于物理问题,就像马约拉纳做的那样,只是一种修饰,或者像英国人喜欢说的那样,“小题大做”。

马约拉娜不在乎。他力量的一部分是一种自嘲的感觉,他抹黑了自己所做的一切;事实上,他对自己的想法甚至比其他人更为消极。他可以尝试不寻常的途径,因为他不把自己当回事,因此不会被失败的恐惧所束缚。在给一位朋友的一封信中,他谈到了他早期在对称性及其工具箱方面所做的努力,“至于我自己,我没有做任何明智的事情。也就是说,我学习群论的坚定意图是学习群论,这与陀思妥耶夫斯基的性格相似,他有一天开始把零钱放在一边,完全相信他很快就会像罗斯柴尔德一样富有。”

这是他与同事逐渐疏远的开始。马约拉纳非常不善于加入通常的科学黑手党,这些黑手党确保任何明智的科学家都能无忧无虑地工作。作家莱昂纳多·西亚西亚(Leonardo Sciacia)曾说,马约拉纳“像所有‘好’的西西里人一样”他反对成为任何团体的一部分,或建立团队或伙伴关系。在Via Panisperna,他从来都不是一个合适的男孩。他们称他为大检察官是有充分的理由的。他发现错误和不足之处与其他人不同,并将其观点表述为尖锐和贬损性的批评。人们觉得他们是在发慈悲当他在附近时,宗教裁判所的人手减少了,这导致了其他人的怨恨。

但如果他批评别人,他对自己就更严厉了。在他看来,他的理论和想法从来都不够好。自嘲是一张很难打的牌——一点自我放纵可能会在他最黑暗的时刻产生奇迹。多年来,他因为有了好点子却拒绝发表而激怒了所有人。在一个“要么发表,要么灭亡”一直是口头禅的社区里,他根本不在乎自己文章的价值。当他的同事们纠结于优先权的争论时,他一笑置之。

在接下来的四年里,他几乎不离开自己的卧室,每天只要求一盘食物,而食物越来越少,只剩下一些牛奶。

大多数人认为他悲伤抑郁,但这也无济于事。他的幽默感几乎是英国式的——微妙,但归根结底是刻薄和反体制的。他在交友方面遇到了严重的问题,最终成了一个孤独的人。这在一定程度上是由于他儿时神童的经历所造成的后果。在过去,他被带到游客面前,在脑子里做三次方根,而且不允许和其他孩子一起玩,以便按照他父亲设计的高要求的学习计划学习。莫扎特式的宏伟和虐待儿童之间的界限确实非常模糊。

一提到女人,他就有自卑感。就像他的朋友加斯顿Piqué在一次采访中说的:“因为他很漂亮,他并不漂亮;的确,他长得相当丑。有一个女孩,一个非常聪明的女孩,这个年轻人,如此出众,如此天才,真的吸引了她。但他什么也没做,甚至回避她,因为他是自卑感的受害者……”正如他的一个亲戚曾经说过的那样:“爱会让一切都不同。”但事实并非如此。

1933年左右,马约拉纳岛内部终于发生了爆炸。在接下来的四年里,他几乎不离开自己的卧室,每天只要求一盘食物,而食物越来越少,只剩下一些牛奶。他进入了自己的反世界。这种行为在陷入严重抑郁症的人身上并不罕见。日本人为他们造了一个词:“青年隐蔽”现代隐士。在他多年的隐居生活中,家人和朋友都对他放任自流。任何形式的治疗或咨询在当时都是不合时宜的,他甚至可能不会接受。科学家和艺术家以珍视而不是解决他们的烦恼而闻名。心理治疗会被视为把婴儿和洗澡水一起倒掉。最后,婴儿和洗澡水都以一种惊人的方式从现实中喷射出来。

1938年1月,马约拉纳在那不勒斯大学担任教授。他参加了一项著名的学术竞赛,这让多年没有他消息的Via Panisperna的每个人都感到惊讶,这似乎是他重返世界的最后努力。他的条目包括他现在著名的关于马约拉纳粒子的论文。在经历了一些与他不同寻常的情况有关的政治扭曲之后,他被“以非凡的功绩”授予了主席一职。起初,他在那不勒斯的生活表面上看起来很正常。但一场风暴正在地表下酝酿。很难深入追踪他最后三个月的经历,只能收集到一些蛛丝马迹,表明事情在几个方面确实出现了严重的问题。甚至有证据表明他爱上了他的一个学生,一个叫吉尔达·塞纳托雷的漂亮女人。很明显,这是一种没有回报的爱。她是最后一个见到他的人。

证明中微子是马约拉纳粒子将对我们理解自然界的对称性具有重大意义。

1938年3月25日晚上,马约拉纳登上了一艘船,从此再也没有人见过她。他留下了一系列非常奇怪的便条,可能会被认为是自杀信,但他还带走了相当于现在7.5万美元的现金和他的护照。他的尸体一直没有找到。多年来,他多次被“看见”,引发了无数的阴谋论。他的心理学仍然有趣得多,但很少有人研究。

人们研究最多、也是马约拉纳留下的持久遗产,是他留下的数学公式。维格纳的杰作的版本群论及其在原子光谱量子力学中的应用开始引用20世纪40年代以后的马略拉纳但直到20世纪60年代,物理学家才开始从对称性和群论的角度思考自然的基本理论,马约拉纳的全部贡献得到了承认。1982年,庞特科沃(Pontecorvo)是Via Panisperna的一名男孩,他写道:“在50年代和60年代,人们经常表达的观点是,马约拉那中微子虽然美丽而有趣,但在自然界中是无法实现的;……(情况已经改变了),马约拉纳提出的问题现在是中微子物理学的中心问题。”不久之后,国际上开始大规模搜索马约拉那中微子,重点是一个被称为无中微子双β衰变的过程,这是马约拉那中微子的一个明确标志。如今,这项搜寻工作涉及到数百名物理学家的十几个国际合作,马约拉纳的名字可以用其中许多物理学家的首字母缩写来表示,比如NEMO(意为中微子埃托雷·马约拉纳天文台)。

证明中微子是马约拉纳粒子,将对我们理解自然界的对称性产生戏剧性的影响,并代表了基本粒子标准模型(Standard Model of the basic particles)中最后的杰出辩论之一。下一代粒子模型的一个主要竞争者依赖于超对称性,它假设每个费米子都有一个相应的玻色子。如果中微子是Majorana粒子,超对称性更有可能是正确的。在固体物理学中,人们也在研究马约拉纳粒子的数学模拟,并且已经找到了。

至于它的创造者,这个谜永远不会被解开。我们留下了一个创造者的故事和一个奇怪的平行粒子,这个粒子为创造者的最终消失提供了完美的隐喻。在卡塔尼亚马约拉纳出生的房子的外墙上,一块匾额上写着:“他胆小而孤独的天才用一颗流星的火焰仔细审视并照亮了宇宙的秘密,这颗流星在1938年3月很快就消失了,给我们留下了他思想的神秘。”马约拉纳离开时只有31岁。或者说到达时,视情况而定。


João Magueijo是帝国理工学院的理论物理学教授,研究宇宙学和量子引力。他是变光速理论的先驱,他的工作经常集中在早期宇宙的“变常数”模型上。

这篇文章最初发表在2014年5月的《对称性》杂志上。

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