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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  

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   很多人认为物理学是很艰难的学问,其实不然,研究物理学的动力是好奇心。有了好奇心,钻研物理就不难,而研究的结果可以改造人类的生产力跟福利。

   下面讲几个例子。1831年,英国人Faraday做了一个很简单的实验。关于法拉第,他出身贫穷,父亲是一个乡村铁匠。Faraday自学成才,20岁的时候经过一个偶然的机会,被著名化学家Humphry Davy雇佣为助手,从此就开始了研究生涯。那时,虽然大家知道有电和磁,可是对电和磁的性质不清楚,尤其是对两者关系不清楚。大家知道冬天脱毛衣的时候常常有火花,这就是因为毛衣跟周围的东西有了静电。在Faraday早年的时代,欧洲有一个魔术,一个金属的盘子,上面站着一个女孩,你把金属的盘子里充了静电,那个时候知道怎么样用刚才讲的火花的办法继续累积,可以弄很多静电跑到这个金属的盘子上,那个女孩子全身都有静电。电有个倾向,走到身体的表面极端,所以这个女孩子的头发肩上都有静电。这是当时很有名的一个魔术。可是到底这电是怎么回事,就是像Faraday他们这样的人研究。

   Faraday在1831年做了一个划时代的实验,这个实验其实非常简单:一个线圈里放了一个磁铁,此时他发现这个线圈没有电;他发现当线圈不动,把磁铁往里面塞一下,立刻就有了电。假如把这个磁铁往外拉一下也有电,反过来也可以;磁铁不动,把线圈向右或向左动,也产生了电。这是个大发现。在物理学里面有一个专有名词叫作“电磁感应”,英文是Electromagnetic induction。

   这个简单的实验的影响是没办法估计的。今天我们所有用的电,都是从大发电厂发出来的。发电厂所用的原理是什么的呢?它用的就是Faraday的原理,就是用一些不动的磁铁,在这个不动的磁铁里,弄些线圈来动,照刚才讲的这个Electromagnetic induction使得这些动的线圈里有电,然后把电通到我们家里来,通到礼堂来,所以是Faraday把人类带进了电的时代。电对今天人类的影响我们当然是没办法估计的。

   这幅油画是Faraday在他的实验室里。这时的Faraday已经有名了,所以他主持这个实验室。

  

   这是另外一张画。那个时候在伦敦每年圣诞节的前后有一个圣诞演讲(Charismas Lecture)。Faraday曾经讲过好几次。我想这是当时英国上流社会的一个很有趣味的活动(编者注:圣诞演讲活动持续至今),而这个活动对于整个英国的科学的发展,以及以后人类整个的发展有决定性的影响。所以,一些社会活动对于人类常常有很重要的影响。那么今天我们在这里,之所以有这个活动是华英基金会所组织的,所以我们也可以了解到华英基金会设立它的社会意义。

   Faraday以后来了一个年轻的理论物理学家Maxwell,他比Faraday小了40岁。Maxwell大学毕业的时候,二十几岁,他就想要来研究电。可是他刚大学毕业,不知道怎么研究,所以他就写了封信给William Thomson。William Thomson是公认的天才,他只比Maxwell大7岁,可是当时已经是有名的教授了,写过好多关于电与磁的文章。William Thomson后来被封为男爵,即Lord Kelvin。第一个从美国到英国的海底电话线就是他参与建设的。在19世纪末20世纪初,William Thomson不只在学术界,在工业界也是非常有名的人。

   可以想象Maxwell觉得向Thomson请教最好,所以就给他写了封信。这封信现在还保留下来了。Maxwell的信中间有这么一句:“我最近得到学士学位,想要多了解电的现象。不知道怎样才能得到一些深入的了解(insight into the subject),你如果能给我们一些指点,我们会十分感激。”这里用“我们”是因为Maxwell还有三个同班同学,他们四人讨论。尽管那时已有Faraday的电磁感应,但对于电与磁具体的相互作用到底是怎么回事,还没有定量的了解。

   Thomson是认识Maxwell的,他们都是苏格兰人。Thomson的回信现在失传了,可是我们可以想象到,他一定是告诉Maxwell你要看Faraday的文章,里面有重要的实验结论;我们猜想他一定也告诉Maxwell要看我所写的理论的文章,这些文章有密切关系。Faraday是个大实验物理学家,可是他不懂理论。他的文章很多,编成好几本书,这些书里面没有一个公式,因为他没有学过很多的数学,尤其是他没有学过微积分,可是他有丰富的想象力,他有丰富的几何直觉。在Maxwell有了大成就以后,Faraday故去了,Maxwell写了一篇很长的追悼文。在这篇追悼文里,Maxwell说:“Faraday的书里没有一个公式,可是他其实是一个伟大的几何学家”。因为他引进了一个直觉的观点,这个直觉的观点就是“电场”。电跟磁的力量都可以变成一个东西,就是一个场。场这个名词是20世纪到21世纪理论物理学的中心思想,这个思想的来源是那个不会写公式的Faraday是所提出来的。Maxwell去研究了Thomson所告诉他的这些文章,六、七年以后他就写下了四个方程式,就是有名的“Maxwell方程”,告诉我们电与磁最基本的定量关系,并且可以推导出电磁波的存在。这四个方程式我想是19世纪最最重要的物理贡献,也许可以说,这四个方程式跟达尔文的进化论都是19世纪最重要的科学结晶。

   Maxwell在1861年的秋天计算发现,这种波的速度是每秒钟19万3千英里,于是他就去查一查文献。当时他知道已经有人测量过光的速度,也是19万3千英里。他就想这两个不可能是偶然,所以就大胆提出来光波——当时已经知道光是波———其实就是电磁波。这个结论对人类的影响又是没办法估计的,这个发现把人类带入电磁波通讯时代。

   1854年6月28号日,Faraday已经63岁了,他写了一封信给一个年轻的英国的物理学家John Tyndall,Tyndall后来也成了一个大物理学家。Faraday信里边说:“你还年轻,我已老了......可是我们知道我们研究的题目是如此崇高美丽,在其中工作使弱者陶醉,强者振奋。”

   从这两个例子我们可以看到,在19世纪因为好奇心所引导出来Faraday的发现,把人类带进了电的世界,Maxwell的发现把人类带进电磁波的时代。这两个发现创造了数不清的财富。但如果你去问Maxwell,他能想象他当初的insight into the subject会有如此之大的影响吗?当然不会了。他只是想对电多了解一点,是好奇心诱惑着学者的钻研。

  

  

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   我再给大家讲第三个例子,是关于吴健雄的例子。我想在座的都非常熟悉吴健雄这个名字,因为在东南大学就有一个吴健雄纪念馆。吴健雄是当初中央大学毕业的学生,后来到美国,在加州大学伯克利分校获得博士学位。这张照片是她五十几岁的时候,在哥伦比亚大学的实验室里照的。1957年1月,吴健雄宣布了她的实验,证实了在β衰变中宇称不守恒。她的这篇著名的文章在当年1月份只是一个预印本,到2月才正式刊印出来。

  

   这一发现迅速传遍整个物理学界,因为她的实验证明了一个物理学家普遍认为的原理被打破了——不是某一领域而是整个物理学,所以引发极大的轰动。那年2月2日,美国物理学会年会在纽约的New Yorker Hotel举行,这届大会盛况空前。吴健雄在最大的演讲厅做报告,后来的大会记录上说:“那间屋子挤满了人,有些人甚至从天花板上的大吊灯爬到那个上面去,使得能够听这些演讲。”那一次的震荡跟三十年以后一样——1987年的“Woodstock”高温超导体会议,它们是第二次世界大战以来物理学界两次最大的震荡。最大的原因,是因为这两个震荡都是遍及物理学很多的方向,不只是其中一个领域。

   为什么吴健雄的实验会引起如此大的轰动?关于β衰变跟宇称不守恒,我后面要跟大家稍微解释一下。

   19世纪末,人类第一次发现放射性。有一些像铀之类的元素,它发出来一些放射性的东西。这个发现使得居里夫妇以及贝克勒尔获得了诺贝尔奖。这些放射性里面放出来的光和射线,有一部分是X光或者是γ光,可是还有一些当时叫作β光的辐射,β光其实是一个粒子(电子)。所以关于放射性在20世纪初期就研究得很多了,吴建雄在20世纪50年代的时候,放射性已经扮演一个非常重要的角色了。大家都知道她的工作非常准确,而且是选的题目非常好。

   关于吴健雄这个实验的背景,我底下给大家解释一下。二战之前,物理的实验都是小规模的。二战以后核物理成为非常热门的研究题目。因为二战以后,所有的政府都知道这方面的物理研究与国防有密切的关系。第二次世界大战中,两个新出现的重要军用设备都跟物理研究有关系:一个是雷达,一个是原子弹。所以第二次世界大战以后,所有的国家都知道为了国防必须要研究物理,就纷纷走进了物理研究,尤其走进了核物理的研究。要做核物理的研究就要用加速器,所以就做越来越大的加速器。

   二战后最大的加速器Cosmotron,在纽约州。像这样子的加速器这是第一个,后来又有更大的。比如说你在这里做了10年,得到了很多成果,现在你要想做到更精细,就好像你要做一个放大倍数更大的显微镜一样,所以就做一个更大的加速器。这样一代一代的加速器就越做越大。今天最大的加速器在瑞士日内瓦, 大型强子对撞机(LHC),是欧洲的一个联合组织CERN组织建设的。恰巧就是最近这一个月(编注:指2008年9月),这个机器宣告完成了。所以,就是在上一个礼拜,他们把欧洲的很多元首都请去参观。欧洲各个国家和美国,也包括中国也稍微贡献了一点点,前后花了80亿美金才造成这个机器。不过一个月以前不幸发生了小的火灾,所以现在看起来真正对撞恐怕要到明年夏天才可以开始。这个实验上面动不动就是几百个拥有博士学位的研究工作人员在里头做,有几千个研究生,中国也有一些研究生跟研究员在里面工作。但其实他们和J. J. Thomson一个人发现电子的工作是一样的。

   有了这些加速器,还有宇宙射线,人们知道了很多从前不为人知的基本粒子。事实上,在我读研究生的年代,多半的粒子都是从宇宙射线中发现的。所以在上世纪50年代,最重要的研究方向就是研究这些粒子的性质,是否带电、是否有自旋等。其中就有一个重要的θ粒子,衰变成两个π,一个带正电,一个中性,让我们知道了电荷守恒。守恒是物理学的重要现象。

   1954-1957年间讨论最多的就是θ-τ之谜。τ衰变成3个π粒子。越来越多准确的实验指出θ和τ具有几乎相同的质量(准确度达1%-2%),寿命也相当,准确度达20%。这是很稀奇的,因为当时发现的其他粒子质量可能差几十倍甚至上百倍,寿命则可差距上万倍。所以就有人认为θ与τ可能是同一种粒子。但另外一些人就认为不可能,因为每个粒子都有一个宇称,当时就有一个基本定律称为宇称守恒。θ宇称是+1,变成2个π,每个是-1,即(-1)×(-1)=1,宇称守恒。而τ变成3个π,(-1)×(-1)×(-1)=-1,τ的宇称是-1。它们两个的宇称不同,就不是同一种粒子。

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本文责编:陈冬冬
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