杨振宁:物理学的诱惑(下)

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杨振宁:物理学的诱惑(上)

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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。
1956年论文预印本封面
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。
Wolfgang Pauli(1900-1958)
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。
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
Felix Bloch(1905-1983)
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。
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)。我们可以说,因为宇称守恒是一个基本的观念,现在突然有了一个漏洞,就好像一个堤坝被攻破了,所以物理学家们就都赶紧去测试在各种弱相互作用下宇称是否守恒。接下来的五年里,人们进行了几百个类似的实验。因为这是一个普遍现象,所以不只是高能物理学家,很多其他方向的物理学家都可以做这个实验。几百个实验做出来的结果是什么呢?就是证实了宇称不守恒是所有弱相互作用下的一般特征。

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吴健雄的实验导致了以后几年很多不同的研究路径——不只是一个实验,而是整个路径都有了一些改变。第一,她把“对称观念”提升为基本理论里头的一个中心观念。第二,除了宇称(parity),P守恒不守恒以外,还有两种离散对称性——一个叫C(Charge conjugation,电荷共轭),一个叫T(Time reversal,时间反演),在吴健雄的P不守恒实验做出后,C也被证明不守恒。1964年,有两个美国的物理学家带领了两个学生,他们证明了T也不守恒。后来他们在1980年得到了诺贝尔奖。第三,在β衰变里头除了有电子出现以外,还有中微子出现,对中微子性质的研究具有决定性影响。这个深入的研究导致了三个诺贝尔奖。在1988年,因为发现有两个不同的中微子而得了诺贝尔奖。到了1995年,发现了还有第三种中微子,又有了一个诺贝尔奖。到了2002年,发现这三种中微子之间可以互相转换(中微子振荡),这是以前没想到了,这又得了一个诺贝尔奖(编注:2002年诺贝尔物理学奖的一半奖励的其实是“探测宇宙中微子”)。
可是吴健雄始终没有获得她应该得到的诺贝尔奖。这是什么道理呢?这有很多种不同的讨论。一个讨论呢,是说诺贝尔奖有一个规矩,必须是在那年的2月1号以前发表的文章才有可能得诺贝尔奖。她的文章是发表在2月1号以后,所以那一年的诺贝尔奖不能够包含吴健雄。这个话虽然有道理,可是你当然也很容易问了:很显然应该也给吴健雄。因为李政道跟我只是提出来这个理论,这个理论不能算证实,必须有实验支持,而这个实验室吴健雄做的。所以假如在那年的十月底,他们在讨论诺贝尔奖的时候,最容易的一个办法就是:今年我们不给这个方面的,而给别的方面——这是常常有的事情——然后到第二年,到了1958年,吴健雄的文章就合格了,就也给吴健雄。这不是很简单的一个解释吗?所以这个解释不能够自圆其说。
可是又有一个解释说,诺贝尔奖还有另外一个规矩,就是诺贝尔奖不能给四个人,只能给一个、两个或者三个。那么吴健雄实验的重要伙伴,就是那几个国家标准局的合作人,其中有一个是最重要就是Ambler,Ambler后来做了国家标准局的主任。Ambler当时是一个很年轻的杰出的低温物理学家。所以当时你要给吴健雄,那必须要给Ambler,所以就变成四个人。所以他们讨论了一下,结果就没有给吴健雄。这个理论有人赞成——通常是低温物理学家赞成这个理论——可是做β衰变的物理学家不赞成这个理论。
到底哪个是对的,现在还不知道。不过诺贝尔奖金委员会也有一个规矩,说是一个奖给了五十年以后,可以让科学史的研究者看看五十年前的档案。所以我猜想现在一定已经有科学史的研究者到斯德哥尔摩,去看五十年前的档案了,那么也许他们会得出来一个结论。(编注:关于吴健雄的实验原理以及为何没能获得诺奖的问题,我们推荐读者阅读此前《返朴》发表的这篇文章《邮票上的吴健雄与镜子中的物理学》)
吴健雄在伯克利获得博士学位的时候,她的导师是Emilio Segre,Emilio Segre后来在1959年也得到了诺贝尔奖。Emilio Segre是意大利出身的,他是在相当有名了以后才搬到美国去,以后长期住在美国。他在晚年的时候写了一本书,这本书我印象中现在好像已经有中文翻译了,我推荐给在座的年轻的同学From X-rays to Quarks,中文名《从X射线到夸克》,这本小小的书把20世纪理论和实验———不过是以实验为主———基本物理学的发展用一个通俗的语言讲出来。我把这个书推荐给大家。我特别要提出来的是他这个书里头有一段,这本书里当然也讲到了宇称不守恒,也讲到了他的这个学生,我把它翻译念给大家听。
“这三位中国物理学家显示了下面的预测:历史上中国曾扮演世界文化领袖的角色。当中国从她(目前)的浴血革命时代走出,重新担任她的历史角色以后,她对未来世界的物理学将有多么大的贡献。”
我跟在座的各位年轻的同学讲,你们是处在一个大时代。全世界人民都已经看出来了,说是中华民族已经走出了浴血革命的时代,希望而且一定可以在世界文化里头扮演领导角色。那么我希望Segre的这一段话,你们能够想到它的深意。
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