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如何界定原創(chuàng)科學(xué)研究？費米-狄拉克統(tǒng)計的發(fā)現(xiàn)權(quán)爭議

2022/09/06
導(dǎo)讀
一個尖銳的問題與挑戰(zhàn)






作者按：

2009年，筆者在倫敦查閱、研讀文獻(xiàn)時，發(fā)現(xiàn)了著名物理學(xué)家、楊振寧的導(dǎo)師費米（Enrico Fermi，1901-1954）寫給另外一個著名物理學(xué)家狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902-1984）的一封信。信寫于1926年10月，在狄拉克新發(fā)表一篇文章之后的5天，考慮到當(dāng)時的通訊情況，這幾乎是“立即”的反應(yīng)。費米指出：你的文章結(jié)論不是新的，因為早在2-3月我就已經(jīng)發(fā)表了得出同樣結(jié)論的文章。筆者覺得這封信很重要，作為物理學(xué)史研究者，當(dāng)時在英國力所能及順藤摸瓜查找其它文獻(xiàn)，然后寫出了這篇討論文章。


撰文｜厚宇德（山西大學(xué)科技史研究所）

費米-狄拉克統(tǒng)計是量子統(tǒng)計領(lǐng)域兩個重要物理學(xué)定律之一。1926年2月和3月，費米發(fā)表了關(guān)于費米統(tǒng)計的論文。半年后，狄拉克也發(fā)表了一篇論文，其結(jié)論與費米的文章一致。狄拉克在寫他這篇文章之前有沒有閱讀費米的文章？有些物理學(xué)家（如包括費米自己和拉賽迪）曾對此質(zhì)疑；但是也有物理學(xué)家（如泡利）相信狄拉克是自己獨立開展了這一研究并得出了同樣的結(jié)論。本文搜集了與費米-狄拉克統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)相關(guān)的若干重要文獻(xiàn)。這些文獻(xiàn)有助于清晰認(rèn)識物理學(xué)上這一重要發(fā)現(xiàn)問世的過程。其中狄拉克1963年與庫恩的對話向人們提出了一個尖銳的問題與挑戰(zhàn)：在某些特殊的情況下如何界定所謂的原創(chuàng)性科學(xué)研究？值得科學(xué)家、心理學(xué)家等等思考。
  • 前言
在量子統(tǒng)計領(lǐng)域有兩個重要的公式：玻色-愛因斯坦統(tǒng)計和費米-狄拉克統(tǒng)計。前者描述具有整數(shù)自旋的玻色子的統(tǒng)計分布規(guī)律，而后者是關(guān)于具有半整數(shù)自旋的費米子的統(tǒng)計規(guī)律。玻色-愛因斯坦統(tǒng)計指出，一個玻色子系統(tǒng)的最可幾分布表述為：   
而費米-狄拉克統(tǒng)計描述的費米子系統(tǒng)的最可幾分布為：
玻色-愛因斯坦統(tǒng)計的由來可概述如下：1924年，默默無名的印度青年玻色（Satyendra Nath Bose，1894-1974），將自己寫的一篇文章寄給愛因斯坦（Albert Einstein，1879－1955），這就是研究玻色子系統(tǒng)分布規(guī)律的文章。這篇文章得到了愛因斯坦的賞識因而予以推薦發(fā)表。愛因斯坦與玻色還在后者文章基礎(chǔ)上合作，做出了進(jìn)一步的拓展研究。后來就將描述玻色子系統(tǒng)統(tǒng)計分布規(guī)律的公式命名為玻色-愛因斯坦統(tǒng)計。然而費米-狄拉克統(tǒng)計的由來卻與此大相徑庭。1926年3月費米（Enrico  Fermi，1901-1954）在德國發(fā)表了一篇文章[1]，文中得出了后來被稱為費米-狄拉克統(tǒng)計的關(guān)于費米子分布規(guī)律公式。下圖為費米在德國發(fā)表論文的收稿日期：
這篇文章的頁下注指出該文于2月曾在意大利發(fā)表過（作者注：疑似在一次學(xué)術(shù)會議上宣讀，因為沒得到原文而無法確定。但是這不影響本文的主旨和結(jié)論）。關(guān)于該文結(jié)論于1926年2月即已公布于世的事實，在下面我們提到的費米1926年致狄拉克的信中，也提到了。在費米的文章發(fā)表之后的1926年10月，狄拉克發(fā)表了一篇名為《關(guān)于量子力學(xué)理論》（英文名為：On the Theory of Quantum mechanics）的文章[2]。狄拉克在他的文章中，以不同的方法得到了與費米此前已經(jīng)得到的表達(dá)費米子系統(tǒng)分布規(guī)律的公式。該文發(fā)表的原始文獻(xiàn)顯示，期刊編輯部的收稿日期為1926年8月26日?？梢娋庉嫴渴盏降依烁寮?，已是在費米文章問世半年之后了。
狄拉克論文編輯部收稿信息
  • 相關(guān)文獻(xiàn)及對應(yīng)分析
狄拉克的文章發(fā)表于1926年10月1日，很快，10月25日在意大利的費米給在劍橋大學(xué)圣約翰學(xué)院的狄拉克寫了一封信[3]。信中說：
在你有趣的文章《關(guān)于量子力學(xué)的理論》（Proc.Roy.Soc.112,661,1926）中，基于泡利不相容原理，你提出了關(guān)于理想氣體的一個理論。現(xiàn)在，幾乎與你完全相同的關(guān)于理想氣體的理論在1926年初就已經(jīng)由我發(fā)表了（Zs.f.Phys,36，p.902; Lincei Rend. February 1926）因為我假設(shè)你沒有讀過我的文章，我請你對它予以留意。
費米致狄拉克函照片截圖
毫無疑問，即使狄拉克是獨立完成研究的，對于這一研究費米也具有絕對的優(yōu)先權(quán)。那么費米為什么要寫這封信呢？筆者認(rèn)為，費米意在通過這封信提示狄拉克，對于這一研究，狄拉克不公開做些說明是不合適的。如果只是單純的毫無不滿的中性提醒，費米應(yīng)說“我相信你沒讀過我的文章……”，而不會像他事實上對狄拉克說的那樣：“我假設(shè)你沒讀過我的文章……”。“假設(shè)你沒讀過我的文章”，自然地不排除一種可能性：狄拉克明明讀過費米的文章但是卻沒做適當(dāng)說明。下文我們會提到，此事過去30年后，1956年（此時費米已去世兩年）費米羅馬學(xué)派重要成員、費米重要合作者之一的拉賽迪（Franco Dino Rasetti, 1901-2001）還曾向泡利重提并再次求證此事。這說明這件事是費米學(xué)派成員比較關(guān)注并心存疑問的事情之一。比較一下費米與狄拉克的文章，會發(fā)現(xiàn)他們得出結(jié)論的方式有所不同。但是任何人都不能不承認(rèn)狄拉克是一位有能力的天才物理學(xué)家。如果有人認(rèn)為狄拉克這樣的天才會利用完全照抄的剽竊方式，那實在是對這位物理大師智商的一種蔑視和褻瀆。費米讀過狄拉克的文章，當(dāng)然知道兩個人做法上的微妙區(qū)別，但仍然寫信提示狄拉克；拉賽迪也不會沒讀過費米與狄拉克的文章，他明知兩篇文章撰寫方法不同依然有疑問，可見在費米、拉賽迪等人看來不能根據(jù)兩文得出結(jié)論方式的不同而簡單認(rèn)定狄拉克是獨立做出研究的。從下文將提到的狄拉克的一次回憶可以看出，當(dāng)年費米對他的不滿是十分強烈的。《量子物理歷史檔案》（Sources for the History of Quantum Physics）是科學(xué)史家、科學(xué)哲學(xué)家托馬斯·庫恩（Thomas Kuhn，1922-1996）帶領(lǐng)一些學(xué)者和物理學(xué)家于20世紀(jì)60年代建立的大型檔案文獻(xiàn)，其中有我們剛剛提到的這封1926年費米致狄拉克信函的照片。筆者未能在其中找到狄拉克給費米的回函。下文將提到，1963年在接受庫恩訪談時，狄拉克忽然承認(rèn)1926年在寫On the Theory of Quantum mechanics 一文之前，他已經(jīng)讀到過費米的文章。從二人的對話可以感受到庫恩聽到狄拉克此說之后極為驚訝。這表明，狄拉克的話是讓庫恩感到意外的。熟悉量子力學(xué)史料的庫恩的這一反應(yīng)也間接說明，此前學(xué)術(shù)界對于狄拉克做出這一研究的細(xì)節(jié)并不了解。毫無證據(jù)表明，1963年之前物理界普遍知道狄拉克在他寫這篇文章之前，已經(jīng)讀過費米的文章?？梢韵胂螽?dāng)年就會有物理學(xué)家（如費米學(xué)派成員）對于狄拉克是否具有對這一發(fā)現(xiàn)的獨立發(fā)現(xiàn)權(quán)心存狐疑，因為在費米文章發(fā)表后較長時間狄拉克發(fā)表結(jié)論相同的文章這一事實實在不符合常理。事過30年后年意大利物理學(xué)家拉賽迪又與泡利（Wolfgang Pauli，1900 –1958)）通過信件討論此事。我們沒有找到拉賽迪寫給泡利的信，但是找到了泡利給拉賽迪的回信（這對于本文已經(jīng)足夠了）。在信中泡利說[4]：
……狄拉克的論文……是獨立于費米文章而寫出的。狄拉克1926年秋天在哥本哈根，我給在那里的他寫信，問他是否知道原子或電子的自旋如何改變這一結(jié)果。我也提到了費米的文章。他給我回信說，他從來沒有思考這一問題，對他而言費米的文章是全新的（作者注：意即他還沒閱讀費米的文章）
泡利回拉賽迪函部分截圖
在20世紀(jì)物理界，泡利憑借其深刻的有洞察力的思想和對人尖厲刻薄的批評而著稱。然而在對待狄拉克這件事上，他的回信是糊涂僧?dāng)噥y糊涂案，所述缺乏基本的邏輯性：在費米的文章問世后，泡利詢問狄拉克一個問題，并問狄拉克是否已經(jīng)讀了費米的文章。狄拉克給他的回函說還未曾對這個問題有興趣，也未讀費米的文章。不久狄拉克寫出了與費米文章結(jié)論一致的文章，泡利與狄拉克不是每天居于一處，泡利無法證明經(jīng)他提示后狄拉克沒有去尋找并閱讀費米的文章，那么根據(jù)什么下結(jié)論狄拉克的文章是他自己獨立完成的呢？事實下文將提到的狄拉克與庫恩談話時的表白表明，泡利的推測果然是錯誤的。不過泡利的回憶并非毫無意義。前文說過，文章原件表明，期刊編輯部于1926年8月26日收到了狄拉克的文章。但是泡利說1926年秋天狄拉克回信說他還沒思考這一問題也還沒讀費米的文章。筆者不清楚8月在歐洲是否可以算作秋天。如果8月可以算作秋天，那么狄拉克就是在泡利提示后二十幾天里就完成了他的“大作”。泡利有可能把30年前的一件事發(fā)生的時間記錯（在很多人的回憶錄和訪談中，最容易發(fā)生錯誤的就是關(guān)于許久前事件發(fā)生的具體時間）。但是說當(dāng)年根本沒有這件事，即泡利沒給狄拉克寫信，狄拉克也沒有給泡利回信，那是極其荒謬而不可思議的。泡利記錯一件事情發(fā)生的時間是常態(tài)，但是說他在沒有任何主觀動機(jī)的前提下，憑空虛構(gòu)了一個歷史事件，那是無法理解的。因此泡利的說法即使在時間上不夠準(zhǔn)確，對于解決狄拉克是否在費米-狄拉克統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)中的獨立研究權(quán)問題，也還是有意義的。那就是它向我們證明，在費米的文章問世以后，狄拉克還沒思考這一問題，而他開始思考并關(guān)注這一問題以及費米的文章，必在泡利提示他以后。盡管有人質(zhì)疑，但是只要狄拉克本人堅決不承認(rèn)自己寫文章時讀過費米的文章，就有理由認(rèn)為他是獨立研究了費米子系統(tǒng)的分布律，不過比費米的工作晚了半年多的時間。事實上物理界也的確接受了這樣的看法，直到今天仍稱這一結(jié)論為費米-狄拉克統(tǒng)計。然而1963年5月7日，在接受庫恩采訪時，狄拉克突然的一席話令庫恩震驚，也足以令整個物理界與物理學(xué)史界側(cè)目。他們的對話[5]如下：
狄拉克：我已經(jīng)讀過費米關(guān)于費米統(tǒng)計的論文，但是徹底忘記了它。

庫恩：你真的嗎？

狄拉克：絕對忘記了它，當(dāng)我寫關(guān)于反對稱波函數(shù)的文章時，我恰恰一點也沒有提到它，因為我已經(jīng)把它徹底忘記了。其后費米寫信告訴我（他的文章的事），而我（才）想起此前我已經(jīng)讀過了它。

庫恩：那實在是太有趣了……

庫恩采訪狄拉克時的重要對話截圖

從二人的對話中不難想象當(dāng)時庫恩是何其驚訝，簡直是驚掉了下巴！后來在另一場合狄拉克對于這件事還有“更進(jìn)一步”的說明。狄拉克說他通過關(guān)注玻色-愛因斯坦統(tǒng)計，意識到“還有反對稱波函數(shù)，會給出一種新的統(tǒng)計。我推算出這種新統(tǒng)計的基本關(guān)系式，然后我發(fā)表了這一工作?！?/span>[6]在狄拉克的幾次相關(guān)回憶中，他都絲毫沒有提及泡利與他之間的相關(guān)通信，更沒有說泡利的信使他開始思考這一問題并閱讀費米的文章。關(guān)于費米的來信以及狄拉克自己忘記費米文章的情況，狄拉克是這樣描述的[6]：

文章發(fā)表不久，我收到了費米的一封信，他指出這種統(tǒng)計規(guī)律不真的是一個新結(jié)論；他早些時候已經(jīng)發(fā)表過。他告訴了我他的文章發(fā)表在哪里。我查閱了他的文章，發(fā)現(xiàn)事實確如費米信中所說?！谧x費米的文章的時候，我想起我以前曾經(jīng)讀過它，但是我徹底把它忘記了。我想這是我腦子的問題。有些東西，如果我不認(rèn)為它是重要的，我看過后它可能會從我的記憶中一閃而過而被徹底忘記。我讀費米文章的時候，我沒有看出它對于量子理論的基礎(chǔ)問題具有什么重要性；它是很超然的（與其他具體問題沒有聯(lián)系）的工作。它完全從我的記憶中消失了，當(dāng)我撰寫關(guān)于反對稱波函數(shù)的文章時，我一點沒有想起它。然后我給費米寫了一封道歉信。我覺得費米有理由生我的氣，因此我應(yīng)該撫慰他。費米應(yīng)該原諒了我，因為關(guān)于這一事件他再沒有給我寫信，以后我們見面時他也很友好。對于誰是這種統(tǒng)計規(guī)律的作者，我們從來沒有做過任何討論。現(xiàn)在這種統(tǒng)計規(guī)律經(jīng)常把我們的名字連起來命名。但是發(fā)表記錄很清楚地說明它是費米首先提出的，而我后來的工作展示了它可以適用于量子力學(xué)，而且當(dāng)進(jìn)一步假設(shè)波函數(shù)是反對稱的之后，它事實上是量子力學(xué)的一個結(jié)論。

如果事實如狄拉克所言，他給費米寫了致歉信并平息了費米的不滿（狄拉克原文用詞為angry）。他除了解釋自己忘記讀過費米的文章的原因，還刻意指出了自己的研究角度與費米所做之間的區(qū)別。狄拉克1977年的這個回憶與解釋看似更加自然。但是如果以泡利對于這一事件的相關(guān)回憶為佐證，那么狄拉克接到泡利的信件、回復(fù)泡利的信件、開始關(guān)注這一領(lǐng)域、閱讀并忘記費米的文章、自己撰寫相關(guān)文章并發(fā)表，這一切都發(fā)生在很短的時間之內(nèi)，這無論如何總讓人覺得太不尋常。現(xiàn)在我們假設(shè)研究者A發(fā)表了一篇文章；半年后，另外一個研究者B也發(fā)表了一篇文章，寫法雖然不同但其重要結(jié)論與A的文章是一樣的。當(dāng)我們懷疑B是否剽竊了A的文章時，B說：“我寫文章前讀過A的文章，但是我寫我的文章時徹底忘記了他的文章?！蹦敲次覀儠趺磳Υ@位B呢？會寬容地相信他沒有違背學(xué)術(shù)規(guī)范，并且賦予他對此結(jié)論的發(fā)現(xiàn)權(quán)嗎？狄拉克確實獲得了物理界多數(shù)人的寬容和認(rèn)可，但是總有人會想：如果他不是大名鼎鼎的狄拉克，我們會相信他所說的話么？1926年的狄拉克說起來還沒有達(dá)到大名鼎鼎的地步，但是卡文迪什實驗室的盧瑟福是大名鼎鼎、物理界無人不知的，盧瑟福的女婿、劍橋大學(xué)的物理教授富勒，因為他與盧瑟福的關(guān)系已經(jīng)在西方物理世界幾乎盡人皆知；而狄拉克是富勒在劍橋大學(xué)的得意門生——而這也是任何毫無根基的年輕人所無法能比擬的。退一萬步，即使狄拉克向庫恩所說的完全是真實的，他的的確確在寫他的文章時“徹底忘記了”費米的文章，那么我們似乎將面對一個心理學(xué)難題。如上所述，開始狄拉克沒關(guān)注這一領(lǐng)域以及費米的文章，但是在泡利提示后他迅速關(guān)注這一領(lǐng)域，找到并閱讀了費米的原文。然后他把這一切“徹底忘記了”，卻又開始對于這一問題感覺有趣、自己獨立去做深入研究，得出了與費米一致的結(jié)論，并將這一切予以公開發(fā)表。如果沒有泡利的提示，如果沒讀過費米的文章，狄拉克會迅速將注意力轉(zhuǎn)移向這一研究并很快得出正確結(jié)論嗎？狄拉克無法也確實沒有做到在自己的大腦中將費米的文章完全清零。否則為什么當(dāng)費米寫信詢問時，他承認(rèn)自己想起確實曾讀過費米文章的事？為什么近乎40年過去以后，他還能如此“清晰”地向庫恩敘述這一過程？因此，在狄拉克撰寫他的文章時，費米的文章仍存在于狄拉克的頭腦中，至少是在潛意識中。心理學(xué)家能夠告訴我們存在于狄拉克潛意識里的費米的文章對于狄拉克的這一研究會有什么影響嗎？或者說能夠認(rèn)為它對于寫文章的狄拉克不存在什么影響嗎？
  • 結(jié)論？
我們相信，有了我們文中提到的這些關(guān)鍵文獻(xiàn)證據(jù)鏈以及相關(guān)的分析，有的人會認(rèn)為毫無疑問狄拉克在這一“研究”過程中，存在學(xué)術(shù)不端行為；但是仍然也還會有人繼續(xù)堅信狄拉克是自己獨立做出了這一項偉大的研究工作。所以本文似乎沒有得出確切的令所有人信服的結(jié)論。筆者相信讀者的心里都有自己的一把尺子，都有自己的評價標(biāo)準(zhǔn)，并有權(quán)基于文獻(xiàn)做出自己的判斷。無論如何，我們認(rèn)為，這些寶貴文獻(xiàn)以及我們的分析，有助于物理學(xué)史研究者以及物理教師們更深入地了解和厘清費米-狄拉克統(tǒng)計的問世過程。

  • 參考文獻(xiàn):

[1] E.Fermi. Zur Quantelung des idealen einatomigen Gases, Zeitschrift für Physik, Vol.36,

No.11-12(1926), pp.902-912.

[2] P. A. M. Dirac. “On the Theory of Quantum Mechanics,” Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, Vol. 112, No. 762 (1926), pp. 661-677.

[3] Thomas S. Kuhn, John L. Heilbron, Paul Forman, Lini Allen. Sources for the History of Quantum Physics，Philadelphia:The American Philosophical Society Independence Square.1967.E 1, Reel  6.

[4]Thomas S. Kuhn, John L. Heilbron, Paul Forman, Lini Allen. Sources for the History of Quantum Physics，Philadelphia:The American Philosophical Society Independence Square. 1967.E 1, Reel  6.

[5]Thomas S. Kuhn, John L. Heilbron, Paul Forman, Lini Allen. Sources for the History of Quantum Physics，Philadelphia:The American Philosophical Society Independence Square. 1967.E 1, Reel  2.

[6] Dirac, P. A. M. Recollections of an Exciting Era. pp. 109－146. in C. Weiner, ed., History of Twentieth Century Physics, New York: Academic Press,1977.

制版｜小圭月
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