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杨振宁:物理学的诱惑

更新时间:2021-08-19 10:33:16
作者: 杨振宁  

   那么宇称可不可以不守恒?为什么大家根深蒂固地相信宇称守恒呢?这是因为有三个原因。宇称守恒的意思其实是说物理世界是左右对称的。Newton方程、Maxwell方程式都是左右对称的,可以很容易证明它们是不分辨左右的。既然两个物理学最重要的支柱是左右对称的,那么显然认为物理世界是左右对称的,这是个基本的道理。第二,左右对称有很大的直觉与审美的感召力,使得人们觉得非得是对称才好,所以大家自然相信左右绝对对称。第三,1920年后量子力学极大发展,人们发现宇称非常准确地在原子物理中守恒。而且宇称守恒在理论和实验中都成为了一种工具,以此来研究新现象;工具用久后人们也就自然而然相信这是天然的。

   许多实验中都证明了宇称是守恒的,特别是在众多的β衰变的实验中。前面提到居里夫人等发现的放射性,就有β衰变——一个原子核变成另一个原子核放出一个电子,当时就被称为β衰变。所以到二战后已经做过上千个实验,都符合宇称守恒。再加上刚才说的三个原因,所以宇称不守恒是不可思议的。

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   在上世纪50年代中期,李政道和我像许多物理学者一样,投入到了这方面的研究中。当时我们有了三个想法,后来被证明是很重要的。首先,Newton、Maxwell的方程式里所讲的力(引力和电磁相互作用)是宇称守恒的,而我们现在所要讨论的衰变是比较弱的力量,猜想对绝大多数的力而言宇称是守恒的,但在弱力下未必如此。就是说,是不是在强的力量里头左右是对称的,可是在弱的力量里头左右不对称?β衰变跟K衰变都是一种弱相互作用,它们是否左右不对称,我们就立刻开始研究。我刚才说了,β衰变已经有成百上千个实验了,但那些实验都是建立在宇称守恒的观念上头。

   所以第二步,得要把这些实验重新估价一下。我们把上千个实验拿来研究,其中有5种不同的β衰变——过去所做过的很多实验归纳成5种——我们把每一种都去仔细算了一下。最后得出来了一个惊人的结论,就是原来大家以为这些β衰变的实验是跟宇称守恒有非常大的关系,而且大家都是讲得头头是道,其实完全是错误的——之前所有的β衰变实验都跟宇称守恒无关。过去所有的实验都不能证明左右在β衰变里是不是对称的。我们经过计算以后发现,事实是过去在β衰变里头并没有人做过一个实验是直接证明左右是对称的。换句话说,就是宇称守恒一直到那个时候,从来没有在β衰变实验中被测验过,既不能证明是对的,也不能证明是错的。

   因此第三步,我们就提出,用什么样的实验来测试在β衰变和其他弱相互作用中宇称是守恒的呢?这就是表明要做一个比从前所有β衰变实验都要复杂的实验,才能够测量出来。之后我们就提出来了5种不同的实验,其中一种是关于β衰变的。我们的文章在1956年6月22日寄出。

   我们的预印本寄出去之后的反应,就是大家都觉得不相信。当时有一个大物理学家Pauli,在英文叫作“Formidable Pauli”,中文翻译成“可畏的Pauli”。Pauli比我大22岁,他在量子力学开始的时候就做了极为重要的工作。而且他是非常严格的,也许因为他非常严格的个性,他批评人也是不容情的,讲话是非常不客气的。如果你做演讲,他要来了你就要担心了。他矮胖矮胖的,通常坐在第一排,而且有个习惯喜欢坐着前后摇来摇去,这是大家都知道的。如果他摇摆的振幅变大了(频率增加了),就表示他就要问你很困难的问题了。

   Pauli知道我们的工作后,就写信给他的一个有名的学生,Pauli说:“我不相信上帝是一个弱的左撇子。”他这个“弱”当然就是讲弱相互作用,“左撇子”就是说左右是不对称的。他还说:“我准备投注一笔很大的金额,实验将会得出一个对称的分布。”换句话说就是左右是对称的。过了半年多,等到吴健雄的实验做出来以后,发现左右是不对称的,他又给从前的助手写了一封信,他说,“我上回跟人说我要打赌,幸亏没有人跟我打,假如打了的话,那我现在要破产了。我是没有够多的钱,所以要破产。现在这样呢,我只损失一点名誉,不过我名誉很多,所以我不怕。” Pauli跟吴健雄,后来跟李政道、跟我都很熟。他是一个维也纳出身的人,后来住在瑞士,也常常到Princeton,所以他在40年代底就跟吴健雄和袁家骝很熟,那么后来跟我与李政道也都很熟。

   大家也知道Feynman,他是一个大理论物理学家。当年Feynman还很年轻,36岁,他跟人说宇称是绝对不可能不守恒的。他说,我愿意跟你用50块美金赌一块美金,这个宇称是一定守恒的。等到发现宇称不守恒之后,他就乖乖地写了一张支票:50块美金。可是跟他打赌的那个人呢,觉得这是一张很重要的支票,就没有把这个支票拿到银行里头去兑现,而是将它放在像框里,挂在他的办公室里。

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   Richard Feynman(1918-1988)

   Felix Bloch是另一位重要的理论和实验物理学家,也是诺贝尔奖获得者,因为核磁共振(Nuclear magnetic resonance,NMR)的贡献——大家也许晓得NMR后来就引导出来了核磁共振成像(MRI)。MRI对于今天的医学简直是太有意义了。他呢,绝对不相信左右可以不对称。他说如果宇称不守恒,他会把自己的帽子吃掉。Bloch是Heisenberg的学生,他取得博士学位时正是世界大萧条时期,他找不到事情做。当时他在德国,接到了一封来自斯坦福大学的邀请信。在20世纪30年代初,斯坦福大学还只是很小的大学,没什么人知道。Bloch向很多人打听,后来问Heisenberg,后者想了半天告诉他是个很小的学校,从旧金山坐streetcar去,走一个钟头就到了。后来二战后学校大大发展,Bloch成为该校第一个得到诺贝尔奖的科学家。

   我们指出了一个非常重要的事实,就是:在弱相互作用之中,宇称守恒缺乏实验证明。而我们觉得我们指出来的是很好的实验,可以来研究。可是我们并不觉得宇称会在任何相互作用力中都不守恒。换句话说,我们也跟所有人的直觉想法是一样的,宇称是守恒的。所以认为写出的文章并不会解决θ-τ之谜。我们只是觉得文章写得很好,因为指出需要再做一个实验,以证明它是守恒的,因此还需另找θ-τ之谜的解释。为什么这样说呢,因为当时发表这篇文章后,我们没有立即投入到不守恒的研究中,而是去做了一些统计物理相关的。直到半年后,吴健雄的实验发现宇称确实不守恒,于是我们立刻放弃了统计力学的工作。

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   那么吴健雄的实验是怎么发生的呢?那个时候,大部分的实验物理学家都不愿进行我们提出的实验,因为他们认为我们提出的实验非常困难,五种实验没有一个是简单的。不过后来发现,其实有一种实验是非常简单的,可是当时没人了解到。而且人们觉得,即便做出实验的结果,肯定会是前人已经知道的,即宇称守恒,所以认为这些实验都不值得做。那年夏天我在Berkeley见到了一位后来获得诺奖的实验物理学家,他喜欢开玩笑。我跟他说,这里有几个实验你值得想想。他耸了耸肩说,如果我有个很好的研究生,我就让他去做这个实验。后来知道吴健雄发现不守恒,他很快就做实验,结果在3天之内也证明了宇称不守恒。后来再看他的实验其实比吴健雄的简单,可是当初没有人看出来。

   吴健雄为什么会做这个实验呢,她有战略性的眼光,她开始也不认为宇称不守恒。她是Pauli的朋友,也非常崇拜Pauli。战争时期Pauli和吴健雄、袁家骝夫妇都住在Priceton,他们常常交往。而Pauli也很佩服吴健雄,因为她做的实验非常精细,扫清了许多前人因为实验不精细所产生的困扰,在实验物理里很有名气,是重要的实验物理学家。后来Pauli回到欧洲与吴健雄通信(Pauli不打电话,整天写信),在信中就提到宇称是守恒的,实验不值得做。但吴健雄超人的地方在于,她了解到,一个基本的自然定律必须要实验验证。所以决定做这个实验,她的动力也是好奇心引导出来的,穷追不舍。后来我曾经讲过,吴健雄“独具慧眼”。基本没有其他物理学家像她一样去尝试很困难的实验。

   她是一个伟大的β衰变实验物理学家,她要做这个β衰变的实验要在低温环境下做,但她自己没有这个条件。当时只有两个地方有这个条件,一是国家标准局(National Bureau of Standards),另一个是橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)。但橡树岭做理论的人反对做这个实验,所以只能选择国家标准局。吴健雄就给那边一个年轻人Ernest Ambler打电话,说这里有很重要的关于β衰变的实验,但需要非常低的温度,希望我们合作。Ambler含糊地回答我想一想,挂掉电话后就立刻给他一个朋友Evans Hayward打电话。Hayward是做核物理的,很知道吴健雄。Amber就问,刚才有个女的,中国血统的物理学家叫C. S. Wu,要做个β衰变的实验。她这人怎么样?据Ambler后来说,Hayward回答很简单,“She is the topest”。所以Ambler就决定合作实验。

   吴健雄之后便从国家标准局请了四位低温物理学家一起进行其中的一个实验,是李政道跟我提出来的五种实验中的一个。这个实验是“β-decay of polarized radioactive Co60”。Co60是Co(钴)的一种放射性同位素(β衰变核素),现在在医药界很有用处。这个放射性的Co60不是普通的Co60,而是极化的。Co60的原子核是在旋转的,螺旋的,有各种不同方向的转动,所以平均是没有转的。我们提出的实验,必须让它里面多半都向一个方向转,就是极化polarize。这个极化是要在低温底下做。

   在那个夏天之后的5个月里头,一直到1957年年初,吴健雄就往来于纽约跟华盛顿之间。因为国家标准局在华盛顿。他们的实验遇到了很多困难,因为β衰变和低温都是新的技术,在他们之前,从来没有人把这两个技术合在一起做一个实验。所以这是一个新的领域,里面有很多战术上的问题需要解决。比如,因为低温的需要,他们要做的这个Co60要放在一个大的结晶表面上,因为如此低的温度,太小的话可能会出现扭曲的现象,这个结晶需要相当大,小的结晶不行。他们第一步就要造一个大的晶体,在上面涂Co60。所以他们要先学习制造大晶体的技术。吴健雄回忆,她当时到Columbia化学系的图书馆把造晶体的书拿来看,因为化学系的人常常要做晶体,把做晶体的书都找来。她后来自己说,这些书上有很多灰尘,他们把它们打开来进行研究,弄了两个礼拜,还是做不出来。这些溶液里头可以做出来小结晶,做不出来大的。经过三个星期的艰苦奋斗,她跟她的哥伦比亚的学生们终于成功制造了一个大约1厘米的晶体。

   他们是如何做出来的呢?因为之前一直做不出来,吴健雄的一位女学生就把带有溶液的烧杯带回了家。第二天早上醒来她就忽然发现这个溶液里头出了很大的晶体,所以她就把这个溶液带到实验室里头去观察。经过研究发现,原来她把这个溶液放在厨房的炉子旁边,厨房的炉子当然温度比较高,所以他们就懂了,这个窍门就是要控制温度。那么这么一来,他们就做出来一个大的晶体。后来这位女研究生成了Rutgers大学的教务长。

   吴健雄后来说是“Beautiful like a diamond”,像一颗钻石一样漂亮。她还说:“那天当我把晶体带去华盛顿,我知道我是全世界最快乐和最骄傲的人。”

   最后在1956年圣诞节前,她得出了实验里宇称稍有不守恒的结论。因为她对自己实验的准确性很有信心,他们就宣称在β衰变中宇称不守恒。

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吴健雄宣称了她的实验以后,美国最重要的报纸《纽约时报》头版有了这个消息(见上图)。(点击此处阅读下一页)


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本文责编:陈冬冬
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