上帝是左撇子嗎

☉汪 詰

一

先從一個(gè)假想的故事開始。如果有一天，我們與距離地球極為遙遠(yuǎn)的某個(gè)外星文明取得了聯(lián)系；又假定，由于某些奇怪的原因，我們只能給這個(gè)外星文明傳送嘀嗒嘀嗒的長短脈沖信號(hào)，除此之外，無法傳送任何東西供其觀察——現(xiàn)在，我們想告訴這個(gè)外星文明有關(guān)地球上人類的一切，大家想一想該怎么辦。

這個(gè)問題似乎并不難解決。第一步，先定義數(shù)字。數(shù)學(xué)是全宇宙通行的語言，用脈沖信號(hào)的長短來定義0和1這兩個(gè)數(shù)字就足夠了。因?yàn)閿?shù)學(xué)規(guī)律與多少進(jìn)制沒有關(guān)系，不論是幾進(jìn)制，得出的數(shù)學(xué)規(guī)律都是一樣的。有了數(shù)字，我們就可以告訴外星人許多信息。例如，可以用數(shù)字3.1415926來指代圓。

但是，我們很快就會(huì)面臨一個(gè)難題：如何讓外星人把我們的心臟放在正確的位置？

你可能會(huì)說，放在左邊啊?？墒?，哪邊是左邊？這個(gè)問題如果是問地球人，他會(huì)回答“你的左邊就是左邊”，但現(xiàn)在與我們交流的是外星人。細(xì)想一下就不難發(fā)現(xiàn)，我們無法用自然語言準(zhǔn)確地告訴外星人“左”和“右”的定義。這是一個(gè)不折不扣的難題。

如果這個(gè)問題出現(xiàn)在1956年之前，那么，所有科學(xué)家都會(huì)撓頭。究其原因，那時(shí)的科學(xué)家有一個(gè)共同信念：上帝不偏愛任何方向，在宇宙中，所有物理現(xiàn)象都是鏡面對(duì)稱的。如果觀察一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，不論是直接觀察，還是通過一面鏡子觀察，最終得到的物理規(guī)律都是一樣的。

這個(gè)共同信念，在物理學(xué)上有一個(gè)名詞，叫作“宇稱守恒”。

在1956年以前，宇稱守恒與能量守恒一樣，被認(rèn)為是物理學(xué)中的基本原理，是金科玉律，是共同信念。也正是基于這樣的共同信念，科學(xué)家會(huì)告訴你，對(duì)不起，我們真的沒有辦法用自然語言讓外星人在“左”和“右”的定義上與地球人達(dá)成一致。無論讓他們做什么樣的實(shí)驗(yàn)，“左”和“右”都是完全對(duì)稱的，沒有任何區(qū)別。

既然說這是1956年以前的情況，那么劇情自然就在1956年發(fā)生了反轉(zhuǎn)。

這可謂一部發(fā)生在物理學(xué)黃金年代的懸疑大片。

二

事情得從1947年說起。

那一年，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙射線中有一種被稱為“θ粒子”（θ讀作“西塔”）的奇異粒子，它在衰變之后，產(chǎn)生了2個(gè)π介子。1949年，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的奇異粒子，它衰變后產(chǎn)生了3個(gè)π介子，人們又把這種奇異粒子叫作“τ粒子”（τ讀作“桃”）。為了后面講述方便，我們姑且把這兩種粒子分別叫作“西子”和“桃子”。

西子和桃子的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)然不是什么令人矚目的大事，不同的粒子有不同的衰變方式，就好像人有不同的死法一樣，這很正常，沒什么好奇怪的。但是，接下來，這兩個(gè)“子”出了大問題，把物理學(xué)江湖攪了個(gè)天翻地覆。

隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，人們發(fā)現(xiàn)，西子和桃子除了衰變方式不一樣，其他方面的性質(zhì)全都一樣：質(zhì)量和電荷是相等的，衰變所需時(shí)間也是相同的，再有，無論何時(shí)生成這兩種粒子，它們總是以一定的比例出現(xiàn)。比如說，14%是桃子，86%是西子。這就好像有兩只鴨子，無論用任何方式去觀察比對(duì)，它們都是完全一樣的。按理說，它們應(yīng)該是同一種動(dòng)物，但問題是，偏偏它們死掉以后會(huì)變得不一樣。西子和桃子唯一的不同點(diǎn)，用物理學(xué)術(shù)語來說，就是在它們衰變后測(cè)量到的宇稱不同。而宇稱是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的物理量，是可以測(cè)量的，而且當(dāng)時(shí)幾乎所有物理學(xué)家都秉持著一個(gè)信念，那就是宇稱守恒。既然西子和桃子死后的宇稱不同，那當(dāng)然就不可能是同一種粒子嘛。這就好像有兩只鴨子被我們吃掉消化后，經(jīng)過精確無比的測(cè)量，證實(shí)我們得到的能量有所不同，那么這兩只鴨子生前也肯定是不同的動(dòng)物，因?yàn)槟芰渴睾懵铩?/p>

于是，物理學(xué)家都在盡力改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法，想尋找西子和桃子的不同點(diǎn)，因?yàn)樗麄儓?jiān)信，既然它們是兩種不同的粒子，那就一定能找到不同點(diǎn)。然而，一切努力都徒勞無功，除了衰變后的宇稱不同，兩種粒子實(shí)在無法區(qū)分。

物理學(xué)家們陷入了迷惘和思索之中。這種困境，在當(dāng)時(shí)被物理學(xué)界稱為“θ-τ之謎”。

在距離美國東海岸不遠(yuǎn)的新澤西州，有一處學(xué)術(shù)圣地，偉大的愛因斯坦不久前在那里與世長辭，那就是著名的普林斯頓高級(jí)研究所。而此時(shí)，34歲的楊振寧和30歲的李政道，正形影不離地走在校園中，熱烈地討論著“西桃之謎”。

這對(duì)來自中國的青年才俊根本想不到，一年之后，他們將因此時(shí)此刻討論的問題，同時(shí)獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

三

就是在這一年，1956年，在紐約的一家餐館中，楊振寧和李政道突然想到，似乎之前所有證明宇稱守恒的實(shí)驗(yàn)，都沒有仔細(xì)地按照不同的相互作用來分類。那么，宇稱會(huì)不會(huì)僅僅在弱相互作用中不守恒，而在其他相互作用中是守恒的呢？

這里解釋一下什么是弱相互作用。牛頓把“力”定義為物質(zhì)之間的相互作用，萬有引力是人類發(fā)現(xiàn)的第一種相互作用；電磁力是第二種；進(jìn)入量子時(shí)代后，在粒子物理學(xué)中，人們習(xí)慣性地使用“相互作用”這個(gè)詞，而不是“力”。強(qiáng)相互作用就是把質(zhì)子和中子結(jié)合在原子核中的一種“力”。弱相互作用則只作用于電子、夸克、中微子等。

有一種弱相互作用叫作β衰變。1896年，物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾原子的放射性現(xiàn)象，92號(hào)元素鈾能夠自發(fā)衰變成82號(hào)元素鉛。盧瑟福和湯姆遜在一年后發(fā)現(xiàn)，鈾在衰變過程中會(huì)產(chǎn)生3種不同的放射線。準(zhǔn)確地說，大自然中沒有線，所有的線都是由粒子組成的。你可能會(huì)問，他們?cè)趺粗朗?種不同的粒子呢？原理其實(shí)很簡單，就是讓放射線通過一個(gè)磁場(chǎng)，然后他們就發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)中，放射線的偏轉(zhuǎn)方向有所不同，根據(jù)電荷在磁場(chǎng)中受力的原理，也就知道了鈾在衰變過程中釋放出帶正電、負(fù)電和不帶電的3種粒子。他們把帶正電的叫作α射線，帶負(fù)電的叫作β射線，不帶電的叫作γ射線。那么，發(fā)出β射線的衰變過程，就叫作β衰變。

在隨后的兩個(gè)星期里，楊振寧和李政道設(shè)法找來大量有關(guān)β衰變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開始動(dòng)手計(jì)算，驗(yàn)證宇稱是否守恒。這個(gè)過程涉及極為枯燥和復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，而且當(dāng)時(shí)還沒有計(jì)算機(jī)可以作為輔助。最后，他們算出的結(jié)果是一致的：數(shù)據(jù)不足，沒有結(jié)論。換句話說，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，過去所有β衰變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都既不能證實(shí)，也不能證偽宇稱守恒。

這個(gè)突破口一旦被找到，后面的事情就如同開閘放水，一瀉千里。僅僅用了一個(gè)月，他們倆就共同完成了那篇名垂青史的論文——《弱相互作用中的宇稱守恒問題》，并投給了著名的學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論》。1956年10月，文章被發(fā)表了。

這是近代物理學(xué)史上最重要的論文之一。在這篇論文中他們提出，在強(qiáng)相互作用和電磁相互作用中，宇稱在很高的精度上是守恒的；但在弱相互作用中，宇稱守恒只是一個(gè)外推性的假設(shè)，甚至可以認(rèn)為，“西桃之謎”恰恰是弱相互作用中宇稱守恒的反例。為了毫不含糊地確定在弱相互作用中宇稱是否守恒，他們必須完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，以確定在弱相互作用中“左”和“右”是否相同。

四

論文發(fā)表后，遭到了絕大多數(shù)著名科學(xué)家的反對(duì)——要打破一個(gè)信念何其艱難。物理學(xué)家菲利克斯·布洛赫在看了論文后決絕地說：“如果宇稱真的不守恒了，我就把我的帽子吃掉?！?/p>

實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)物理理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)楊振寧和李政道而言，比科學(xué)理論更重要的是科學(xué)實(shí)驗(yàn)。不幸的是，他們倆都不是搞實(shí)驗(yàn)的。

起初，他們找到了著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家萊德曼，但遭到拒絕。萊德曼開玩笑說：“一旦能找到一位絕頂聰明的研究生供我當(dāng)奴隸使用，那我就會(huì)去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)?！边@當(dāng)中還有一個(gè)很重要的原因就是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的難度極高，而且花大量的時(shí)間和精力去做一個(gè)很可能沒有任何價(jià)值，只會(huì)反向證實(shí)一些人們?cè)缇拖嘈诺氖虑榈膶?shí)驗(yàn)，是不值得的。

這時(shí)候，他們生命中最重要的貴人出現(xiàn)了，這就是他們的中國同胞，足以和居里夫人媲美的物理學(xué)家吳健雄博士。吳健雄在物理學(xué)史上的地位極高，她是當(dāng)時(shí)全世界最優(yōu)秀的幾位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家之一——有些書甚至不加“幾位”“之一”。

李政道找到了在美國哥倫比亞大學(xué)執(zhí)教的吳健雄。聽完說明后，吳健雄毅然放棄了和丈夫一起回中國探親的計(jì)劃。她已經(jīng)20年沒有回過祖國，本來連船票都買好了。

吳健雄一頭扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，這一年的物理學(xué)界注定要掀起軒然大波。

以“毒舌”著稱的著名物理學(xué)家泡利，在得知吳健雄正在做實(shí)驗(yàn)的消息后對(duì)朋友說：“像吳健雄這么好的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，應(yīng)該找一些更重要的事去做，不應(yīng)該在這種顯而易見的事情上浪費(fèi)時(shí)間。我不相信上帝是一個(gè)左撇子，我愿意打一個(gè)賭，實(shí)驗(yàn)一定會(huì)給出一個(gè)守恒的結(jié)果?！?/p>

吳健雄選擇了楊、李論文中建議的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是把元素鈷-60的核冷卻到接近絕對(duì)零度，這樣原子的熱振動(dòng)基本就消除了，然后再用一個(gè)磁場(chǎng)使得這束原子核按照同一個(gè)方向自旋。如果宇稱是守恒的，電子就會(huì)以相同的數(shù)量向兩個(gè)方向飛出；如果宇稱不守恒，那么一個(gè)方向上飛出的電子，將會(huì)比另一個(gè)方向飛出的電子多。

1957年1月9日凌晨兩點(diǎn)，吳健雄小組做了最后一次查證，實(shí)驗(yàn)終于結(jié)束。好多天前，他們就已經(jīng)知道結(jié)果，這次實(shí)驗(yàn)是出于對(duì)重大成果的極度謹(jǐn)慎才進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)小組一共5個(gè)人，他們打開了事先準(zhǔn)備好的葡萄酒，慶祝一項(xiàng)偉大物理學(xué)成就的誕生：弱相互作用下，宇稱不守恒。

6天后，哥倫比亞大學(xué)做了一件史無前例的事：為這個(gè)實(shí)驗(yàn)舉行了一次新聞發(fā)布會(huì)。物理系主任在發(fā)布會(huì)上說：“在某種意義上，一個(gè)相當(dāng)完整的理論結(jié)構(gòu)已從根本上被打碎。”

沒過多久，包括之前拒絕做實(shí)驗(yàn)、腸子都悔青了的萊德曼在內(nèi)的幾個(gè)物理學(xué)家的驗(yàn)證結(jié)果相繼出爐，以更加詳盡的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了吳健雄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

整個(gè)物理學(xué)界都轟動(dòng)了，“西桃之謎”終于被解開，這是一個(gè)無可比擬的、重大的、革命性的進(jìn)展。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也被認(rèn)為是繼“邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)”之后最重要的物理實(shí)驗(yàn)。當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被以火箭般的速度頒給了楊振寧和李政道，創(chuàng)下了諾獎(jiǎng)歷史上絕無僅有的“當(dāng)年出成果當(dāng)年頒獎(jiǎng)”的傳奇。

按理說，吳健雄也完全有資格獲此殊榮。許多大科學(xué)家都對(duì)吳健雄未獲獎(jiǎng)一事公開表示了失望。1988年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主史坦伯格就認(rèn)為，那年的諾貝爾獎(jiǎng)沒有同時(shí)頒給吳健雄，是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)最大的失誤。

由于諾獎(jiǎng)?wù)邕x資料的保密期是50年，因此在2006年之前，這一直是個(gè)謎。后來文件解密了，大家才知道真正的原因：吳健雄的實(shí)驗(yàn)也有美國國家標(biāo)準(zhǔn)局低溫實(shí)驗(yàn)科學(xué)家安伯勒的功勞，但諾獎(jiǎng)的評(píng)獎(jiǎng)規(guī)則是最多同時(shí)頒給3位科學(xué)家，這樣一來，委員會(huì)就犯難了，如果頒給吳健雄而不給安伯勒，有失偏頗。他們權(quán)衡再三，只好將吳健雄的名字去掉。

到這里，本文開頭提出的那個(gè)問題就有了答案，現(xiàn)在我們可以對(duì)外星人說：“聽著，你們先制造一塊磁鐵，把線圈繞上去，讓電流通過，隨后取一些27號(hào)元素鈷，把它的溫度降低到盡可能接近絕對(duì)零度，然后……(此處略去幾百字專業(yè)性比較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)描述)。好了，現(xiàn)在你們看到的電流流出的方向，就是我們地球人所謂的左邊?！?/p>

上帝他老人家居然真的是一個(gè)左撇子，他偏愛左邊。

科學(xué)再一次向我們展現(xiàn)了它強(qiáng)大的自我糾錯(cuò)能力。

所有科學(xué)理論都有一個(gè)非常重要的特征：科學(xué)理論是有適用范圍的。任何一項(xiàng)科學(xué)理論，都只能說其在某個(gè)范圍內(nèi)是正確的。這句話反過來理解會(huì)更重要、更有意義——當(dāng)我們說推翻了一個(gè)現(xiàn)有的理論時(shí)，其實(shí)并不是說現(xiàn)有理論錯(cuò)了，而只是將現(xiàn)有理論的適用范圍框定在了某個(gè)精度之下。

如果未來有一天，科學(xué)家告訴我們現(xiàn)在的量子理論是錯(cuò)誤的，能量守恒也是錯(cuò)誤的，那也并不會(huì)導(dǎo)致我們今天在這些理論指導(dǎo)下發(fā)明的手機(jī)、電腦不工作了。我們可以跟那時(shí)的人們說，對(duì)不起，在我們當(dāng)前的適用范圍內(nèi)，這些理論會(huì)一直、永遠(yuǎn)正確下去。在相對(duì)論“推翻”牛頓力學(xué)的100年后，人類所有的航天器發(fā)射依然需要用到牛頓力學(xué)。科學(xué)精神，讓我們得以正確認(rèn)識(shí)科學(xué)理論的錯(cuò)誤。

（永遇樂摘自新星出版社《讀庫2201》一書，本刊節(jié)選，劉 宏圖）