物理群星
布鲁诺·庞蒂科夫 肖像

图：佚名，1955（公有领域，PD-Italy，维基共享资源）

布鲁诺·庞蒂科夫

Bruno Pontecorvo

1913–1993 · 生于意大利比萨 · 意大利 / 英国 / 苏联

粒子物理原子与核物理

费米罗马小组里最年轻的一员，一辈子追着中微子：先说它抓得住，再说它有两种，最后说它会在路上变身

「这份笔记的目的，是说明用实验观测中微子并非不可能，并提出一种也许能让观测变得可行的方法。」

—— 庞蒂科夫 1946 年查克河实验室报告 PD-205《逆 β 过程》，转引自 S. M. Bilenky《布鲁诺·庞蒂科夫：中微子先生》（2006），意译

1946 年，几乎所有人都相信中微子是抓不住的：贝特与佩尔斯早就算过，它穿过物质时发生反应的机会小得荒唐。在加拿大查克河反应堆工地上的布鲁诺·庞蒂科夫却写了一份短报告，开头就说要证明「用实验观测中微子并非不可能」，并给出了具体配方——一大罐含氯液体，一个月后把里面生成的几个氩原子吹出来数。

这个配方后来让戴维斯拿到了诺贝尔奖。庞蒂科夫本人则在四年后从西方消失，在苏联杜布纳度过余生，在那里接连提出中微子有两种、中微子会在飞行中变身。等后一件事在 1998 年被证实时，他已经去世五年了。

帕尼斯佩尔纳大道最年轻的一员

庞蒂科夫 1913 年生于比萨一个殷实的犹太纺织商家庭，兄弟里后来出了一位遗传学家（圭多）和一位电影导演（吉洛，《阿尔及尔之战》的导演）。他先在比萨大学读工科，1931 年听从哥哥的建议转到罗马，直接插进物理系三年级，成了费米身边那群年轻人里年纪最小的一个。

小组里流传他的绰号是「小狗」（il cucciolo）。他自己在晚年的自传札记里却记得，费米叫他「大冠军」——后来这个称呼被人缩成了「网球冠军」，好像费米只看得上他的球技。他在札记里说，从费米那里学到的是「蔑视科学上的冒险主义与主观主义」，讨厌那些把事情弄复杂而不是弄简单的人。

木桌与大理石桌

1934 年秋天，小组用中子挨个轰击元素，得到的放射性强弱一直只有「强、中、弱」这样的定性说法。费米把建立定量标度的活儿交给阿马尔迪和刚进组的庞蒂科夫。他们拿一个银圆柱做样品，却发现结果怎么也重复不了。

据阿马尔迪回忆（庞蒂科夫本人确认过），暗室里分光镜旁边有几张木桌，「具有神奇的性质」：庞蒂科夫偶然注意到，放在木桌上照射的银，比放在同一房间大理石桌上的活性更强。拉塞蒂为此取笑他俩连干净、可重复的测量都做不出来。两人不服气，用 5 厘米厚的铅砖搭了个「小城堡」，系统地比较样品在里外不同距离的活化。

10 月 20 日是个星期六，费米独自在实验室，本打算在中子源前放一块铅，临时换成了一块石蜡，活性陡增。两天后，费米、阿马尔迪、庞蒂科夫、拉塞蒂、塞格雷五人联名发出短讯：中子与石蜡里的氢原子碰撞后慢了下来，慢中子更容易被原子核俘获。费米的名字排第一，其余按字母排序。

四天后，研究所所长科尔比诺催他们申请了专利。战后美国政府与专利持有人打了多年官司，1953 年才和解付款。庞蒂科夫在札记里带点讽刺地记下：钱早就付给了发明人，「除了我」。

巴黎：约里奥夫妇的实验室

1936 年，庞蒂科夫拿到意大利教育部的出国奖学金去了巴黎。费米给约里奥写信请他收下这个学生，约里奥回信说乐意接纳。庞蒂科夫先在镭研究所的居里实验室，后到法兰西公学院约里奥的核化学实验室。他在论文致谢里感谢约里奥「持续的关注」，也感谢伊雷娜·约里奥-居里「善意的兴趣」；后来他称约里奥为自己的「第二位老师」，还为《意大利百科全书》写过约里奥夫妇两人的科学传记。

在巴黎他几乎独自研究核同质异能素——同一种原子核处在寿命很长的激发态。他预言应当存在对 β 衰变稳定的同质异能素，并在镉里找到了第一个例子；1939 年又与 A. Lazard 用 3 MeV 的连续谱 X 射线直接把稳定的铟-115 激发到同质异能态。约里奥很喜欢这个效应，给它起名叫「核磷光」。远在纽约的费米来信祝贺「出色的研究结果」，庞蒂科夫说这让他高兴了很久，因为他一直以为费米只把他当网球好手。

巴黎也是他政治上转向的地方。他的表兄、意大利共产党人埃米利奥·塞雷尼当时也在巴黎；庞蒂科夫在那几年成了坚定的共产主义者。

从俄克拉何马到查克河

1940 年德军逼近巴黎，庞蒂科夫与弟弟吉洛等人骑自行车南逃，一家人辗转经里斯本到了美国。在俄克拉何马州塔尔萨，他给一家勘探公司发明了中子测井：把中子源和探测器放进油井，根据中子被岩层减速、吸收的情况分辨页岩、石灰岩与砂岩。他自己说这是慢中子「在时间上排第一的重要实际应用」。

1943 年他加入英国与加拿大在蒙特利尔合办的原子能实验室，后转到查克河，参加 NRX 重水反应堆的设计和启动。这座反应堆按设计就是要追求尽可能高的热中子通量。他后来说，懂反应堆物理，正是他开始琢磨怎样抓中微子的起点。

1946：把中微子从「不可观测」里拉出来

查克河报告 PD-205《逆 β 过程》只有几页。庞蒂科夫的思路是：不必直接看见中微子，只要看它反应之后留下的放射性原子核。他比较了几种靶核，最看好的是

νe+37Cl→37Ar+e−\nu_e + {}^{37}\mathrm{Cl} \to {}^{37}\mathrm{Ar} + e^-

据报告原文，实验可以用大量四氯化碳在中微子流中照射一个月左右，再把放射性的氩-37 提取出来送进一个小计数器。他点名的中微子源是反应堆、从反应堆取出的强放射源，以及太阳。

戴维斯在诺贝尔演讲里回忆，这份报告被美国原子能委员会列为机密，理由是这种方法也许能用来测反应堆的功率。1949 年庞蒂科夫又动手证明了方法的可行性：他发现正比计数器可以工作在极高增益的区域，按脉冲幅度把氩-37 的真实衰变从噪声里挑出来。霍姆斯特克、GALLEX、SAGE 这些太阳中微子实验，后来都靠放射化学法加这类计数器。

同一时期他还做了两件事。1947 年，他注意到原子核俘获 μ 子与俘获 K 层电子的概率相当，由此推断 μ 子俘获也放出中微子、μ 子与电子参与的是同一种弱相互作用——这是「普适弱相互作用」最早的表述之一，比克莱因、普皮 1948 年的文章早一步。1948 至 1949 年，他与 E. P. Hincks 用宇宙线 μ 子证明：μ 子衰变出的带电粒子是电子，衰变里没有 γ 光子，而且是三体衰变。

1950：出走

1948 年庞蒂科夫入了英国籍，次年初调到英国哈维尔原子能研究所。1950 年 2 月，哈维尔的同事克劳斯·福克斯因向苏联泄露原子情报被捕；四年前，在蒙特利尔与他共事的艾伦·纳恩·梅已因同类罪名入狱。据 Turchetti 查阅的英国档案，福克斯案后庞蒂科夫主动求见哈维尔的安全官，承认自己在意大利有共产党亲戚；安全官的结论是，看不出他有明确的政治倾向，但他在研究所地位高，存在潜在的安全风险。上司建议他要么退出接触机密的岗位，要么去大学；7 月底他决定接受利物浦大学的教授职位。

1950 年 9 月，他在意大利度假途中带着妻子和三个儿子飞往斯德哥尔摩，再经芬兰进入苏联，事先没有告诉亲友。五年里外界只知道他失踪了。1955 年他在苏联首次公开露面，同年英国取消了他的国籍。

他为什么走、走之前有没有替苏联做事，至今没有定论。各方说法大致如下：

  • 本人：据 Turchetti 转述，他在 1955 年的记者会上说，离开英国是因为猎巫气氛与审查带来的压力，自己从未参与苏联的核武器计划，只在原子能问题上给苏联专家出过主意。1992 年他接受《独立报》记者访谈时，谈到自己一生的政治信仰，说「简单的解释是：我是个白痴」，说共产主义对他「像一种天启宗教」，但仍不谈是否提供过情报；他透露越境时「直接去了苏联使馆，然后分乘两辆车离开，我被锁在后备箱里」。
  • 指控方：前克格勃官员戈尔季耶夫斯基与历史学家安德鲁在《克格勃》（1990）中写道，克格勃把他作为原子间谍的价值评得几乎与福克斯一样高（转引自《独立报》1992 年报道）。物理学家 Frank Close 在传记《Half-Life》（2015）中承认只有间接证据，但指出查克河 NRX 反应堆的图纸和铀样品怎样流入苏联至今没有查清，并认为出走如此仓促，可能是奉了苏方的指令（据 John Ehrman 的书评概述）。
  • 质疑方：科学史家 Turchetti（2003）查阅英国外交部档案后认为，1950 年报刊上的「原子间谍」说法缺乏根据，英国情报部门握有表明此说出于捏造的材料，却没有公开；美国联邦调查局 1943 年的记录不过是在他塔尔萨家中搜出过共产主义书刊。他还指出戈尔季耶夫斯基的说法依据的是作家 Montgomery Hyde 的推测。Ehrman 在书评中认为 Close 的论证并不令人信服：维诺那译电与米特罗欣档案里都没有庞蒂科夫的名字，也没有任何本人或同伙的招认。
  • 家属：弟弟吉洛对同一位记者说，他们那一代知识分子「押注在一个后来证明是假的东西上」，像是从窗口跨出去，指望不走楼梯也能慢慢飘落。

Turchetti 另外提出，这次出走真正的分量也许不在文件，而在庞蒂科夫本人掌握的反应堆物理与铀矿勘探专长。

杜布纳：中微子有两种

庞蒂科夫后来的四十三年都在莫斯科以北的杜布纳度过：先在苏联科学院核问题研究所，那里的同步回旋加速器当时是世界上最强的；1956 年它成了联合核子研究所的核问题实验室。1950 年代初他用这台加速器研究中子与质子碰撞产生中性 π 介子，1953 年获苏联国家奖（斯大林奖）。据他自述，他还独立于派斯提出了 K 介子必须与超子相伴产生的规律。

1959 年，他写了《电子中微子与 μ 子中微子》。他注意到，π 介子衰变放出的中微子能量高、数量大，加速器因此可以成为中微子源；他列出一批反应，指出如果 μ 子衰变与 β 衰变放出的中微子是同一种粒子，有些反应就该发生，否则就不会——这可以用实验判定。美国的施瓦茨 1960 年独立提出了用加速器做中微子实验。1962 年，布鲁克黑文的莱德曼、施瓦茨、斯坦伯格等人用这种办法证明 μ 子中微子与电子中微子不同，1988 年三人获诺贝尔奖。庞蒂科夫在札记里遗憾地说，苏联当时没有合适的加速器，他没能亲手做第一批实验。

同一年，他还指出电子与中微子之间的普适弱相互作用会让极热极密的恒星大量辐射中微子对，到某个阶段中微子光度会远超光学光度。1963 年他因弱相互作用与中微子物理的研究获列宁奖，次年当选苏联科学院院士。

中微子会变身

1957 年，宇称破缺刚被发现，二分量理论把中微子写成严格无质量的粒子，这成了物理学家的共识。庞蒂科夫却相信，轻子世界里也该有类似中性 K 介子那样的振荡。他在《介子素与反介子素》里第一次提到：如果轻子荷不守恒，中微子与反中微子在真空中原则上可以互相转换。一个传闻让他加快了脚步——据说戴维斯在萨凡纳河反应堆旁用氯看到了信号，而反应堆放出的本该是反中微子。他在 1958 年发表的论文里写道，这种转换在实验室里也许太慢、看不出来，「但一定会发生，至少在天文尺度上」。传闻没有坐实，想法留了下来。

那时只知道一种中微子，他设想的是中微子与「惰性」反中微子之间的振荡——「惰性中微子」这个今天常用的词，也是他在 1967 年起的。μ 子中微子被证实之后，他在 1967 年把振荡推广到两种味之间，并在戴维斯公布第一个结果之前写道：

从观测角度看，理想的对象是太阳。……地面上唯一的效应将是：可观测的太阳中微子通量必须是总通量的一半。

1968 年，戴维斯公布的太阳中微子数果然明显低于预言。1969 年，庞蒂科夫与格里博夫证明，即使只有左手中微子，只要总轻子数不守恒，也可以写出马约拉纳质量项，并把两味振荡的公式用到了太阳中微子上。1975 年起他与年轻同事 S. M. Bilenky 合作，1978 年两人写出第一篇中微子振荡综述，主张在所有能做的中微子实验里都去找振荡。

迟到的证实

1978 年，离开二十八年之后，庞蒂科夫第一次获准回意大利，参加阿马尔迪的七十寿辰；同年他开始受帕金森病折磨。在约 1988 年写的自传札记里，他说自己从三十年代中期到七十年代的政治信念属于「不合逻辑的范畴，我现在叫它宗教」。他还开列了自己对太阳中微子天文学的一长串贡献，抱怨别人的论文不引用他，末了自嘲：「这张荒唐的清单到此为止——我把它归咎于帕金森综合征。」

他 1993 年 9 月 24 日在杜布纳去世。据 Bilenky 回忆，去世前两天他还在实验室二楼的办公室里，离开时望着窗外说：「看这些颜色多美。」五年后，超级神冈公布了大气中微子振荡的证据；2002 年戴维斯因氯探测器获诺贝尔奖；2015 年的诺贝尔物理学奖授予「发现中微子振荡，表明中微子有质量」。今天描述三代中微子混合的矩阵，以庞蒂科夫与牧二郎、中川昌美、坂田昌一四人的名字命名。

代表方程

氯-氩反应（1946）

νe+37Cl→37Ar+e−\nu_e + {}^{37}\mathrm{Cl} \to {}^{37}\mathrm{Ar} + e^-

中微子把氯-37 变成放射性的氩-37。妙处全在产物：氩是惰性气体，能从几百吨含氯液体里整体吹出来；它靠俘获轨道电子衰变，放出约 2.8 keV 的俄歇电子与 X 射线，可以在小计数器里一个个数。三十年后戴维斯在霍姆斯特克金矿用的正是这个配方。

μ 子俘获与 K 俘获（1947）

μ−+p→n+νe−+p→n+ν\begin{aligned} \mu^- + p &\to n + \nu \\ e^- + p &\to n + \nu \end{aligned}

原子核吞掉一个 μ 子，和吞掉一个 K 层电子，扣除轨道大小的差别之后概率相当。庞蒂科夫由此判断 μ 子俘获也放出中微子，μ 子与电子参与的是同一种弱相互作用——「普适弱相互作用」最早的表述之一。

中微子混合

νe=cos⁡θ ν1+sin⁡θ ν2νμ=−sin⁡θ ν1+cos⁡θ ν2\begin{aligned} \nu_e &= \cos\theta\,\nu_1 + \sin\theta\,\nu_2 \\ \nu_\mu &= -\sin\theta\,\nu_1 + \cos\theta\,\nu_2 \end{aligned}

弱相互作用产生的「味」态，是两个质量确定的态按角度 θ\theta 混合而成。只要 ν1\nu_1 与 ν2\nu_2 的质量不同，两部分的量子相位就会走得不一样快，混合比例随飞行距离变化。1957 年他先设想中微子与反中微子之间的混合，1967 年推广到两种味之间。

两味振荡概率

P(νe→νμ)=sin⁡22θ×sin⁡2Δm2L4E\begin{aligned} P(\nu_e \to \nu_\mu) &= \sin^2 2\theta \\ &\quad \times \sin^2\frac{\Delta m^2 L}{4E} \end{aligned}

飞过距离 LL 之后电子中微子变成 μ 中微子的概率（自然单位）。Δm2\Delta m^2 是两个质量平方之差，EE 是能量。太阳到地球的距离极长、太阳中微子能量又低，所以哪怕质量差小得离谱，振荡也有机会显形——这正是他 1967 年说「太阳是理想观测对象」的理由。

伟大发现

粒子物理 1998

中微子振荡

太阳中微子少了三分之二，大气里的 μ 中微子从脚下来时少了一半——两笔糊涂账最后指向同一个答案：中微子在飞行中会改变身份，而这要求它有质量。

中微子物理粒子物理标准模型中微子天文学粒子探测器
粒子物理 1956

中微子的探测

一种为了保住守恒律而发明的粒子，理论上算出来「原则上无法观测」——二十六年后，两个人守在核反应堆旁边的地下室里，把它抓住了。

中微子物理中微子天文学粒子探测器粒子物理标准模型

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.费米、阿马尔迪、庞蒂科夫、拉塞蒂、塞格雷《含氢物质对中子诱发放射性的作用 I》，La Ricerca Scientifica 第 5 卷第 2 期第 282 页（1934）
  2. 2.阿马尔迪、达戈斯蒂诺、费米、庞蒂科夫、拉塞蒂、塞格雷《中子轰击产生的人工放射性 II》，《伦敦皇家学会会刊 A》第 149 卷第 522–558 页（1935）
  3. 3.庞蒂科夫《核同质异能性与内转换》，《物理评论》第 54 卷第 542 页（1938）
  4. 4.庞蒂科夫《逆 β 过程》，加拿大查克河实验室报告 PD-205（1946）；收入 SIF《Bruno Pontecorvo: Selected Scientific Works》
  5. 5.庞蒂科夫《介子的核俘获与介子衰变》，《物理评论》第 72 卷第 246–247 页（1947）
  6. 6.Hincks 与庞蒂科夫《寻找 2.2 微秒介子衰变中的 γ 辐射》，《物理评论》第 73 卷第 257–258 页（1948）
  7. 7.庞蒂科夫《介子素与反介子素》，《苏联实验与理论物理杂志》第 33 卷第 549 页（1957）
  8. 8.庞蒂科夫《逆 β 过程与轻子荷不守恒》，《苏联实验与理论物理杂志》第 34 卷第 247 页（1958）；英译 Sov. Phys. JETP 第 7 卷第 172 页
  9. 9.庞蒂科夫《电子中微子与 μ 子中微子》，《苏联实验与理论物理杂志》第 37 卷第 1751 页（1959）；英译 Sov. Phys. JETP 第 10 卷第 1236 页（1960）
  10. 10.施瓦茨《用高能中微子研究弱相互作用的可行性》，《物理评论快报》第 4 卷第 306–307 页（1960）
  11. 11.Danby、Gaillard、Goulianos、莱德曼、Mistry、施瓦茨、斯坦伯格《高能中微子反应的观测与两种中微子的存在》，《物理评论快报》第 9 卷第 36–44 页（1962）
  12. 12.庞蒂科夫《中微子实验与轻子荷守恒问题》，《苏联实验与理论物理杂志》第 53 卷第 1717 页（1967）；英译 Sov. Phys. JETP 第 26 卷第 984 页（1968）
  13. 13.格里博夫与庞蒂科夫《中微子天文学与轻子荷》，《物理快报 B》第 28 卷第 493–496 页（1969）
  14. 14.Bilenky 与庞蒂科夫《轻子混合与中微子振荡》，《物理报告》第 41 卷第 225–261 页（1978）
  15. 15.庞蒂科夫《中微子物理的童年与青年：几段回忆》，Journal de Physique Colloques 第 43 卷 C8-221（1982）
  16. 16.庞蒂科夫《自传札记》（Una nota autobiografica，约 1988 年），联合核子研究所庞蒂科夫纪念网站俄译本（网页存档）
  17. 17.联合核子研究所《庞蒂科夫生平与活动大事记》（网页存档）
  18. 18.S. M. Bilenky《布鲁诺·庞蒂科夫：中微子先生》（2006）
  19. 19.F. Guerra 与 N. Robotti《布鲁诺·庞蒂科夫在意大利》，收入 SIF《Bruno Pontecorvo: Selected Scientific Works》第 2 版第 527 页起（2013）
  20. 20.费米 1938 年诺贝尔演讲《中子轰击产生的人工放射性》
  21. 21.戴维斯 2002 年诺贝尔演讲《与太阳中微子相伴的半个世纪》
  22. 22.Simone Turchetti《原子秘密与政府谎言：庞蒂科夫案中的核科学、政治与安全》，《英国科学史杂志》第 36 卷第 389–415 页（2003）
  23. 23.Simone Turchetti《The Pontecorvo Affair: A Cold War Defection and Nuclear Physics》，芝加哥大学出版社（2012）
  24. 24.Frank Close《Half-Life: The Divided Life of Bruno Pontecorvo, Physicist or Spy》，Basic Books（2015）
  25. 25.John Ehrman 评 Close《Half-Life》，美国中央情报局《Studies in Intelligence》第 59 卷第 4 期（2015 年 12 月）
  26. 26.Charles Richards《一个原子间谍的自白》，《独立报》1992 年 8 月 2 日（在 Miriam Mafai 家中的访谈）