挑戰(zhàn)絕對

大　家

宇稱守恒，物理學(xué)領(lǐng)域不容質(zhì)疑的基本定律。50年前，三位華裔物理學(xué)家大膽地向它發(fā)起挑戰(zhàn)。

面對整個國際物理學(xué)界的質(zhì)疑，他們突破難關(guān)，讓諾貝爾獎的領(lǐng)獎臺上第一次出現(xiàn)中國人的面孔。

楊振寧（著名物理學(xué)家 諾貝爾物理學(xué)獎獲得者）:50年前， 1957年1月，吳健雄宣布她的實驗證實了在β衰變中宇稱不守恒（圖1）。一個月以后的2月2日，美國物理學(xué)會在紐約客旅館舉行周年大會。事后對于那天大會的情形有這樣一個報道：最大的演講廳擠滿了人，有人幾乎從大廳中央懸燈的鐵纜上爬下來。

（1）華裔物理學(xué)家吳健雄用實驗證實了在β衰變中宇稱不守恒

在這次會議上作報告的焦點人物，除了吳健雄和兩位低溫物理學(xué)家之外，還有時年35歲的華裔物理學(xué)家楊振寧，他在會上宣讀的與李政道合作的那篇論文，給國際物理學(xué)界帶來了一場威力不亞于原子彈爆炸的沖擊。為什么這篇論文的影響如此巨大？這要從他們所從事的粒子物理研究說起。

楊振寧:第二次世界大戰(zhàn)之前，物理實驗都是小規(guī)模的，一個最好的例子是1897年J.J.湯姆森的儀器。J.J.湯姆森是一個英國人，他用一個很小的儀器，通過一個實驗，發(fā)現(xiàn)了世界上第一個基本粒子（圖2）。今天我們知道，每一個人的身上，任何一顆小東西里頭都有億萬個電子，電子是最常見的基本粒子。人類第一次知道有這么一種基本粒子，就是湯姆森用這個小儀器發(fā)現(xiàn)的。這個儀器當(dāng)然有歷史價值，今天它被保存在大英博物館里頭。

（2）圖組:（2－1）發(fā)現(xiàn)了世界上第一個基本粒子的J.J.湯姆森

（2－2）J.J.湯姆森實驗用的小儀器

第二次世界大戰(zhàn)之后，核物理成為非常熱門的研究領(lǐng)域，制造了越來越大的加速器。第二次世界大戰(zhàn)以后第一個最大的加速器，叫作宇宙線級加速器。你看它的左下角，還有一個人站在那兒，你就可以知道它有多么大（圖3）。當(dāng)時它是世界最大的，可以達(dá)到三個GeV的能量。今天世界最大的加速器實驗室，在瑞士日內(nèi)瓦，是一個國際的實驗室，有幾千個工作人員在里面工作（圖4）。實驗室所在的地方，地下差不多一百米深的地方有兩個隧道，基本粒子就在這些隧道里頭被加速碰撞，然后物理學(xué)家研究這些碰撞出來的碎片，這就是今天實驗的情形。這個機器所能達(dá)到的能量是宇宙線級加速器能量的好幾千倍。

（3）龐大的宇宙線級加速器

（4）當(dāng)今世界上最大的加速器實驗室

構(gòu)成世界的最小微粒究竟是什么？在很長一段時間里，人們一直以為應(yīng)該是原子;到20世紀(jì)初，科學(xué)家們在原子中發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子、中子和電子，當(dāng)時很多人以為，這些粒子已經(jīng)不可拆分了；然而基本粒子的發(fā)現(xiàn)卻顛覆了這一觀念。隨著科學(xué)儀器的不斷更新，興奮的物理學(xué)家們就像剝洋蔥一樣，一層一層地將更小的微粒剝離出來。

楊振寧:有了當(dāng)時這些加速器，再加上宇宙射線，很多從前不為人知的基本粒子都被發(fā)現(xiàn)了。這些粒子是料想不到的，所以被稱為奇異粒子，strange particles。第一個發(fā)現(xiàn)的新的基本粒子，也叫奇異粒子，叫作π。它從上邊下來，在拐彎的地方衰變成兩個粒子，π變成了一個μ跟一個問號，問號是沒有電荷的，中文叫中微子（圖5），走到左邊去的。這個技術(shù)是膠片，是一種特別靈敏的膠片，它是上世紀(jì)40年代英國依爾福德公司所發(fā)展的新技術(shù)，這個新的技術(shù)對于物理學(xué)當(dāng)時的研究起了重大的作用。1950年～1965年之間，鑒定奇異粒子及研究它們的性質(zhì)，成為基本物理學(xué)的主流研究。要研究這些基本粒子是不是帶電的，是正電還是負(fù)電，還是中性的，它們的質(zhì)量是什么，它們是怎樣衰變，等等，這些都是當(dāng)時需要研究的題目。

（5）奇異粒子π的衰變示意圖

20世紀(jì)50年代，人們先后發(fā)現(xiàn)了兩個神秘的粒子，θ和τ，它們的基本特征十分相似，衰變方式卻大相徑庭，這讓科學(xué)家們大惑不解。θ和τ究竟是什么關(guān)系？是近親？是孿生兄弟？還是根本就是同一個粒子呢？

楊振寧:1954年到1957年間最激烈的辯論就是這個θ-τ之謎。從膠片里頭,或者用氣泡室看，θ跟τ是完全不一樣的?？墒窃絹碓蕉鄿?zhǔn)確的實驗指出θ跟τ有相同的質(zhì)量，而且這個質(zhì)量測量越來越準(zhǔn)確。兩個質(zhì)子，通常它的質(zhì)量是差得很多的，差幾十倍，甚至幾百倍，這么樣接近的是很少有的;而且θ跟τ的壽命又是一樣的。所以呢，它們似乎其實是一個粒子。一個基本粒子可以變成各種不同的衰變的形式，這個是司空見慣的，θ跟τ似乎是正在向那個方向走。另外一方面是每一個粒子都有一個特點、特性，叫作宇稱，并有一個基本定律，這個基本定律叫作宇稱守恒。什么叫宇稱守恒呢？就是說在衰變之中，原來的宇稱跟后來的宇稱必須是一樣的，這就叫宇稱守恒。

宇稱是一個專門的物理概念，用來表達(dá)左右對稱或者不對稱的性質(zhì)。π的宇稱是-1，如果宇稱守恒的話，θ衰變成兩個π，它的宇稱應(yīng)該是-1的平方，+1；而τ衰變成三個π，它的宇稱就等于-1的三次方，-1。這樣的話，θ跟τ的宇稱就是不一樣的。

楊振寧:這里頭有一個麻煩的地方，就是在τ這個情形之下另外還有一種宇稱，叫作軌道宇稱。所以第一步先要解決在τ里有沒有軌道宇稱，這是當(dāng)時熱衷的題目。這就引出來了一個方法，叫達(dá)利茲的圖。達(dá)利茲是英國一個非常重要的理論物理學(xué)家，他發(fā)明了一個圖，你每看見一個τ，就可以在這個圖里找出來、畫出來一點，所以從這個圖的跡象可以看見有沒有軌道宇稱（圖6）。1956年4月3日到6日，在國際高能物理會議上，達(dá)利茲總結(jié)了他前兩年的工作，指出幾百個τ衰變的研究在達(dá)利茲圖里形成了一個均勻的分布。均勻的分布就是說沒有軌道宇稱，τ根據(jù)宇稱守恒，沒有軌道宇稱，它的宇稱就應(yīng)該是-1的三次方，是-1，跟θ的宇稱是不一樣的，所以θ跟τ不是同一個粒子。

（6）圖組:（6－1）英國物理學(xué)家達(dá)利茲

（6－2）從達(dá)利茲的圖的跡象看有沒有軌道宇稱

要想證明θ和τ是同一個粒子，除非推翻“宇稱守恒”這條定律。然而在當(dāng)時的世界物理學(xué)界，“宇稱不守恒”是絕對不可思議的事情。

楊振寧:在這個情形之下就會有人問了，說是不是宇稱可以不守恒呢？任何一個人只要一提這個問題，就立刻會被大家攻擊，攻擊得體無完膚，所以大家不敢講這句話。為什么不敢講這句話呢？因為人們相信宇稱守恒有三個主要的原因：一、宇稱守恒的意思就是說物理世界是左右對稱的，物理世界左右對稱與牛頓定律、麥克斯韋爾定律是完全符合的；二、左右對稱有很大的直覺和審美的感召力，大家都愿意多有一點對稱，不要有不對稱的現(xiàn)象；三、1920年到1930年以后，量子力學(xué)指出：宇稱非常準(zhǔn)確地在原子物理中守恒。

20世紀(jì)物理學(xué)的一個非常重大的革命性的發(fā)展，就是在頭30年間的量子力學(xué)的發(fā)展。這個量子力學(xué)的發(fā)展，不只是對于物理學(xué)，對于今天我們的人生都有極大的影響。所以有手提電話，因為里頭有一個芯片；所以有芯片，因為有半導(dǎo)體；所以有半導(dǎo)體，就是因為有量子力學(xué)的革命。而量子力學(xué)里說宇稱是非常準(zhǔn)確地守恒，而且宇稱在理論跟實驗研究上都已經(jīng)成為很有力量的一個工具。這個工具在原子、分子物理里頭非常有用處，接著在核子衰變的物理里頭非常有用處，以后在核子反應(yīng)的實驗里頭也非常有用處。有這么多的用處，所以大家就覺得宇稱絕對是守恒的。

宇稱守恒定律的牢固地位使關(guān)于θ-τ之謎的爭論陷入僵局，很多試圖解謎的科學(xué)家都紛紛敗下陣來。然而在1956年的夏天，兩位年輕的華裔物理學(xué)家楊振寧和李政道卻聚到了一起，開始聯(lián)手向它發(fā)起挑戰(zhàn)。

楊振寧:所有人都知道物理世界有四種力量，叫作強力、電磁力、弱力、引力。強力者，就是把原子核合在一起的力量，它非常之強，所以反應(yīng)堆有很大的能可以釋放出來，原子彈可以有很大的能爆炸出來，這叫強力。電磁力就是電跟磁的力，電磁力是化學(xué)的基本。弱力呢，是20世紀(jì)才發(fā)現(xiàn)的，其中大家最熟悉的就是它的放射性，這個力量比起強力跟電磁力都要弱很多，所以叫弱力。還有第四種就是萬有引力。這四種力，在上世紀(jì)四五十年代，已經(jīng)變得很清楚了。

楊振寧和李政道大膽地猜測，或許宇稱守恒對絕大多數(shù)的力量而言是正確的，但在弱力作用下未必如此。于是他們對弱力，尤其是β衰變進行了非常深入的研究，這使他們有了一個十分驚人的發(fā)現(xiàn)（圖7）。

（7）楊振寧（左）與李政道對β衰變進行深入研究

楊振寧:我們做了研究后，就發(fā)現(xiàn)以前所有的β衰變實驗，原來都跟宇稱守恒沒有關(guān)系。這是一個使得我們非常驚訝的發(fā)現(xiàn)。換句話說，就是我們發(fā)現(xiàn)宇稱守恒一直到那天從來沒有在β衰變中被測試過。所以第三個，我們就提出來用幾個實驗，來測試β衰變跟其它的弱相互作用中宇稱是否守恒。我們所提出的實驗都比以前的實驗要稍微復(fù)雜一點，需要加一點花樣，通過加的這些花樣才可以辨別在β衰變里左右是不是對稱的。我們就寫了一篇文章，當(dāng)時它的題目：《宇稱在弱相互作用里頭是不是守恒》，最后用了一個問號。結(jié)果幾個月之后，這個文章登出來的時候，題目改了，叫作《在弱相互作用之下宇稱守恒的問題》。為什么變成這樣呢？當(dāng)時的編輯叫戈特斯密特，是一個有名的物理學(xué)家，他說題目里不可以有問號，我自己一直覺得原來有問號那個題目比這個題目其實更傳神一點。

一石激起千層浪。楊振寧和李政道的這篇論文迅速在國際物理學(xué)界引起了轟動。反對的聲音如潮水一般鋪天蓋地向這兩個年輕人涌來，而在質(zhì)疑者中，不乏一些當(dāng)時鼎鼎大名的物理學(xué)家。

楊振寧:我們這個預(yù)印本發(fā)出去以后，反應(yīng)是什么呢？大家都不相信?？晌返呐堇蛯懙溃骸拔也幌嘈派系凼且粋€弱的左撇子，我準(zhǔn)備投注一筆很大的金額，實驗將會得出一個對稱的分布。”實驗得出來對稱的分布就是代表宇稱是守恒的。泡利是一個胖胖矮矮的人，一個大物理學(xué)家（圖8），為什么我說他是可畏的呢？因為我們這些年輕人都有點怕他，他對年輕人講話非常不客氣，所以我們通常不去跟他糾纏任何問題。費曼，一位大理論物理學(xué)家，當(dāng)年38歲，他完全不相信宇稱可以不守恒，所以他說他可以50對1來賭宇稱一定守恒。等到宇稱發(fā)現(xiàn)可以不守恒了，他乖乖地寫了一張支票，50元錢。不過他寫給的那個人沒有把錢取出來，而將支票裝在一個鏡框里掛在辦公室里。菲利克斯·布洛赫，因為磁共振得到了諾貝爾獎，而這個技術(shù)后來引導(dǎo)出來MRI（核磁共振）。當(dāng)時他也說他不相信宇稱可以不守恒，他說如果宇稱不守恒，他會把他自己的帽子吃掉。

（8）可畏的物理學(xué)家泡利

來自四面八方的質(zhì)疑給楊振寧和李政道帶來了巨大的壓力，他們迫切地希望自己的理論能在實驗中得到證實。而此時，一位擅長實驗的華裔物理學(xué)家站了出來，她就是有“核子物理學(xué)女王”之稱的吳健雄。

楊振寧:吳健雄有更深入的戰(zhàn)略性的眼光，她也不認(rèn)為宇稱可以是不守恒的，因為，一方面她是泡利的朋友，非常崇拜泡利，他們之間經(jīng)常有一些電話、信件的往來，泡利當(dāng)然告訴吳健雄說宇稱絕對是守恒的，可是吳健雄覺得一個基本的自然定律必須要用實驗來驗證，不管別人怎么覺得非是這樣不可。她認(rèn)為這是她的最基本的戰(zhàn)略性的眼光，后來我曾經(jīng)說她是獨具慧眼。

吳健雄召集了四位低溫物理學(xué)家和她一起進行楊振寧和李政道提出的鈷60衰變實驗。從1956年夏天到1957年年初的5個月時間里，她幾乎每周都要從紐約趕到華盛頓去做實驗，除了奔波勞累之外，她還要面對很多技術(shù)上的困難（圖9）。

（9）吳健雄在實驗室工作

楊振寧:因為β衰變跟低溫兩者都是新的科技，從來沒有人把它們放在同一個實驗里，所以有很多戰(zhàn)術(shù)上的問題需要解決。例如，因為低溫的需要，他們要制造一粒很大的晶體，去保持鈷60的樣本。吳健雄就到哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系圖書館，去找做晶體的書，找著了一本很厚的書，上面滿是灰，她把書拿到實驗室，仔細(xì)研究。經(jīng)過三個星期的艱苦奮斗，吳健雄和她的學(xué)生終于成功制造出了一顆直徑約有1厘米的晶體。這里頭還有個故事，其中她的一個女研究生，一天晚上回家的時候把有那個溶液的一個燒杯帶回家，第二天早上她一看，出了大的晶體。后來一想才知道，是因為她那天晚上回去以后，把燒杯放在了廚房的爐子旁邊，那個地方比較暖和，暖和了以后就可以出大晶體，這一來他們皆大歡喜，所以就做越來越大的晶體。最后做出來一個大的晶體，像一顆鉆石一樣漂亮。吳健雄說:“那天當(dāng)我把晶體帶去華盛頓，我知道我是全世界最快樂和最驕傲的人。”

通過實驗，吳健雄成功地證實了李政道和楊振寧的推測，宇稱守恒這條物理學(xué)界遵循多年的金科玉律被動搖了，這個消息頓時傳遍了世界（圖10）。

（10）《紐約時報》的頭版登載了吳健雄成功證實“宇稱是可以不宇恒”的消息

楊振寧:堤壩被攻破了，物理學(xué)家都趕緊去測試在各種弱相互作用下宇稱是否守恒，很多實驗室都去做這一類的實驗。所以在接下來的5年里進行了幾百個類似的實驗，證實了宇稱不守恒是弱相互作用下的一個一般的特征，這是一個非常重要的結(jié)論。可是為什么在弱相互作用里不守恒，到現(xiàn)在卻還是不解之謎。很奇怪的。這也是泡利講的，他不相信上帝是一個左撇子，為什么在三種重要的力量里宇稱是絕對守恒的，而在這種弱相互作用里是都不守恒的，這里頭一定有更深的道理。這個更深的道理，也許今天在座的哪一位，過20年、40年可以發(fā)現(xiàn)出來。

就在這一年，宇稱不守恒現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為35歲的楊振寧和31歲的李政道贏得了諾貝爾物理學(xué)獎。1957年12月10日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎的領(lǐng)獎臺上，第一次出現(xiàn)了中國人的面孔（圖11）。而吳健雄的實驗則給物理學(xué)領(lǐng)域帶來了意義深遠(yuǎn)的影響，人們從此將對稱觀念提升為基本理論的一個中心概念，對所謂離散對稱性有了更為深入的理解，她的實驗也使人們更清楚地了解了中微子的性質(zhì)，由此導(dǎo)致了三個新的諾貝爾獎。

（11)首次獲得諾貝爾獎的中國人(左:李政道，右:楊振寧）

楊振寧:可是吳健雄始終沒有獲得她應(yīng)該得到的諾貝爾獎。塞爾瑞也是一個得過諾貝爾獎的實驗物理學(xué)家，他是吳健雄在伯克利攻讀博士學(xué)位的導(dǎo)師（圖12）。他在上世紀(jì)70年代寫了一本書，用通俗的語言描述了20世紀(jì)物理學(xué)的許多發(fā)展，其中有這么一段話:他說“這三位中國物理學(xué)家顯示了下面的預(yù)測，歷史上中國曾扮演世界文化領(lǐng)袖的角色，當(dāng)中國從她目前的浴血革命時代走出，重新?lián)嗡臍v史角色以后，她對未來世界物理學(xué)將會有多么大的貢獻”。

（12）曾獲得諾貝爾獎的實驗物理學(xué)家塞爾瑞