挑戰絕對

大　家

宇稱守恒，物理學領域不容質疑的基本定律。50年前，三位華裔物理學家大膽地向它發起挑戰。

面對整個國際物理學界的質疑，他們突破難關，讓諾貝爾獎的領獎臺上第一次出現中國人的面孔。

楊振寧（著名物理學家 諾貝爾物理學獎獲得者）: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家之外，還有時年35歲的華裔物理學家楊振寧，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:第二次世界大戰之前，物理實驗都是小規模的，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，發現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現的。這個儀器當然有歷史價值，今天它被保存在大英博物館里頭。

（2）圖組:（2－1）發現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

第二次世界大戰之后，核物理成為非常熱門的研究領域，制造了越來越大的加速器。第二次世界大戰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）。當時它是世界最大的，可以達到三個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）當今世界上最大的加速器實驗室

構成世界的最小微粒究竟是什么？在很長一段時間里，人們一直以為應該是原子;到20世紀初，科學家們在原子中發現了質子、中子和電子，當時很多人以為，這些粒子已經不可拆分了；然而基本粒子的發現卻顛覆了這一觀念。隨著科學儀器的不斷更新，興奮的物理學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現了。這些粒子是料想不到的，所以被稱為奇異粒子，strange particles。第一個發現的新的基本粒子，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。這個技術是膠片，是一種特別靈敏的膠片，它是上世紀40年代英國依爾福德公司所發展的新技術，這個新的技術對于物理學當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，成為基本物理學的主流研究。要研究這些基本粒子是不是帶電的，是正電還是負電，還是中性的，它們的質量是什么，它們是怎樣衰變，等等，這些都是當時需要研究的題目。

（5）奇異粒子π的衰變示意圖

20世紀50年代，人們先后發現了兩個神秘的粒子，θ和τ，它們的基本特征十分相似，衰變方式卻大相徑庭，這讓科學家們大惑不解。θ和τ究竟是什么關系？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?？墒窃絹碓蕉鄿蚀_的實驗指出θ跟τ有相同的質量，而且這個質量測量越來越準確。兩個質子，通常它的質量是差得很多的，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，用來表達左右對稱或者不對稱的性質。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，這是當時熱衷的題目。這就引出來了一個方法，叫達利茲的圖。達利茲是英國一個非常重要的理論物理學家，他發明了一個圖，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，達利茲總結了他前兩年的工作，指出幾百個τ衰變的研究在達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根據宇稱守恒，沒有軌道宇稱，它的宇稱就應該是-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）英國物理學家達利茲

（6－2）從達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。然而在當時的世界物理學界，“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，不要有不對稱的現象；三、1920年到1930年以后，量子力學指出：宇稱非常準確地在原子物理中守恒。

20世紀物理學的一個非常重大的革命性的發展，就是在頭30年間的量子力學的發展。這個量子力學的發展，不只是對于物理學，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，因為有半導體；所以有半導體，就是因為有量子力學的革命。而量子力學里說宇稱是非常準確地守恒，而且宇稱在理論跟實驗研究上都已經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于θ-τ之謎的爭論陷入僵局，很多試圖解謎的科學家都紛紛敗下陣來。然而在1956年的夏天，兩位年輕的華裔物理學家楊振寧和李政道卻聚到了一起，開始聯手向它發起挑戰。

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，電磁力是化學的基本。弱力呢，是20世紀才發現的，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，在上世紀四五十年代，已經變得很清楚了。

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現（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，就發現以前所有的β衰變實驗，原來都跟宇稱守恒沒有關系。這是一個使得我們非常驚訝的發現。換句話說，就是我們發現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？當時的編輯叫戈特斯密特，是一個有名的物理學家，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，而在質疑者中，不乏一些當時鼎鼎大名的物理學家。

楊振寧:我們這個預印本發出去以后，反應是什么呢？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，我準備投注一筆很大的金額，實驗將會得出一個對稱的分布?！睂嶒灥贸鰜韺ΨQ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，一位大理論物理學家，當年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。等到宇稱發現可以不守恒了，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，而這個技術后來引導出來MRI（核磁共振）。當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）可畏的物理學家泡利

來自四面八方的質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家站了出來，她就是有“核子物理學女王”之稱的吳健雄。

楊振寧:吳健雄有更深入的戰略性的眼光，她也不認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，他們之間經常有一些電話、信件的往來，泡利當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。她認為這是她的最基本的戰略性的眼光，后來我曾經說她是獨具慧眼。

吳健雄召集了四位低溫物理學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，所以有很多戰術上的問題需要解決。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化學系圖書館，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，仔細研究。經過三個星期的艱苦奮斗，吳健雄和她的學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論?？墒菫槭裁丛谌跸嗷プ饔美锊皇睾?，到現在卻還是不解之謎。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年可以發現出來。

就在這一年，宇稱不守恒現象的發現為35歲的楊振寧和31歲的李政道贏得了諾貝爾物理學獎。1957年12月10日，瑞典皇家科學院諾貝爾獎的領獎臺上，第一次出現了中國人的面孔（圖11）。而吳健雄的實驗則給物理學領域帶來了意義深遠的影響，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，由此導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家，他是吳健雄在伯克利攻讀博士學位的導師（圖12）。他在上世紀70年代寫了一本書，用通俗的語言描述了20世紀物理學的許多發展，其中有這么一段話:他說“這三位中國物理學家顯示了下面的預測，歷史上中國曾扮演世界文化領袖的角色，當中國從她目前的浴血革命時代走出，重新擔任她的歷史角色以后，她對未來世界物理學將會有多么大的貢獻”。

（12）曾獲得諾貝爾獎的實驗物理學家塞爾瑞