諾貝爾物理獎“弱相互作用下宇稱不守恒”的發(fā)現(xiàn)案例研究*

董彥邦 劉 莉**， 姜燕媛

（1.上海交通大學(xué)高等教育研究院，上海200240；2.上海交通大學(xué)李政道研究所建設(shè)指揮部辦公室，上海200240）

1957年10月，瑞典皇家科學(xué)院宣布：1957年的諾貝爾物理獎由楊振寧、李政道共同獲得，以表彰其在宇稱定律透視性研究這一基本粒子方面的重大發(fā)現(xiàn)：弱相互作用下宇稱不守恒。這一劃時代的發(fā)現(xiàn)推翻了在物理學(xué)領(lǐng)域被奉為基本定律的宇稱守恒定律，使之下降為只適用于強(qiáng)相互作用和電磁相互作用的一般規(guī)律，進(jìn)而說明對稱性是不普遍的。本研究通過對李政道好友中國高等科學(xué)技術(shù)中心葉銘漢院士及王垂林研究員的半結(jié)構(gòu)式訪談并整理李政道個人傳記，深入分析宇稱不守恒理論的產(chǎn)生過程及成功要素。

1 發(fā)現(xiàn)過程

1947年，羅切斯特和巴特勒發(fā)現(xiàn)了一個新的奇異粒子，k介子。k介子會發(fā)生兩種衰變，既能衰變成兩個π介子，也能衰變成三個。起初物理學(xué)家假定k介子不只一種，把衰變成兩個π介子的稱作θ介子，衰變成三個的稱作τ介子，但經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，θ介子和τ介子實(shí)際上是同一種k介子。為什么兩種粒子的其它性質(zhì)相同，唯獨(dú)宇稱不同？k介子的衰變屬于弱相互作用，也就是在弱相互作用下宇稱守恒嗎？“θ-τ”之謎就這樣擺在物理學(xué)家面前。李政道也被這一問題所吸引，不斷嘗試新的解決方案。

宇稱守恒定律，是微觀世界里一條被全世界科學(xué)家公認(rèn)的金科玉律，無人相信宇稱會真的在弱相互作用中不守恒，他們更愿意在宇稱守恒定律的指引下通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法，尋找θ和τ介子的其它不同點(diǎn)，以證明它們是不同的兩種粒子。李政道也不例外，在不違反宇稱守恒定律的前提下提出了兩種解決方案：1955年夏，李政道和賈·奧里爾用一種級聯(lián)機(jī)制來揭示“θ-τ”之謎，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確否定了他們的假設(shè)；1956年李政道和楊振寧共同提出了宇稱雙重態(tài)的新理論，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這依舊是錯誤的嘗試。

1956年4月的羅徹斯特會議上，在與同事斯坦伯格討論超子的產(chǎn)生平面與衰變平面之間的二面角φ時，李政道突然意識到雖然這個二面角與宇稱無關(guān)，如果改變它的定義，那么在φ從0到π和從π到2π之間的事例數(shù)就可能會是不對稱的，后來經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明確實(shí)有差別，但因統(tǒng)計(jì)有限，還不能由此引出結(jié)論。若以較低標(biāo)準(zhǔn)來看，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可認(rèn)為是首次證明了宇稱不守恒。

盡管與斯坦伯格的討論使李政道產(chǎn)生了解決“θ-τ”之謎的新想法，但李政道深知科學(xué)發(fā)現(xiàn)需要嚴(yán)密的邏輯和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此，又和楊振寧找來了西格本的核譜學(xué)相關(guān)書籍，共同研究以往的β衰變實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其并未證實(shí)宇稱是否守恒。1956年10月，二人合作撰寫并發(fā)表了《弱相互作用中的宇稱守恒問題》，認(rèn)為：雖然在所有強(qiáng)相互作用中，宇稱守恒的證據(jù)是強(qiáng)有力的，但在弱相互作用中，宇稱守恒的證據(jù)卻一個也找不到，即在弱相互作用中宇稱守恒定律也許根本就不成立。如果是這樣，則“θ-τ”之謎就可以輕而易舉地被解決，θ介子和τ介子原本就是一個粒子，即 k介子。之后，吳健雄、安布勒、赫德森、海華德、霍普斯等運(yùn)用李政道和楊振寧在論文中提到的實(shí)驗(yàn)方法去驗(yàn)證這一理論，并于1956年12月通過充分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，宇稱守恒在 β衰變中并不成立。至此，宇稱守恒定律被正式推翻。

2 成功要素

1）站在理論高度去解決小問題

創(chuàng)造性思維是人類創(chuàng)造活動的靈魂和核心。正是這種創(chuàng)造性思維能力，使李政道聯(lián)想到了斯坦伯格實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與宇稱不守恒的相關(guān)性，認(rèn)為要解決某個問題，不能就事論事。以“θ-τ”之謎為例，關(guān)鍵在于其它的弱相互作用下宇稱是否守恒，如果也都不守恒，那就可以建立新的物理定律。更概括地說，即：

首先將小問題擴(kuò)大化，變成一個普遍的規(guī)律性問題，再由普遍規(guī)律去解釋更具體的小問題。

2）多元學(xué)術(shù)觀點(diǎn)碰撞

李政道、楊振寧所從事的研究并不是在一個孤立的環(huán)境中進(jìn)行的，當(dāng)時“θ-τ”之謎已經(jīng)引起了物理學(xué)界的廣泛關(guān)注，他們二人只不過是該研究領(lǐng)域諸多物理學(xué)家中的兩位。李、楊在探索過程中頻繁地與其他理論物理學(xué)家以及實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家（幫其分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）接觸、請教，取百家之長，進(jìn)行廣泛、慎重和深入地討論，研討對象包括奧本海默、斯坦伯格（1988年獲諾貝爾物理學(xué)獎）、維格納（首次發(fā)表關(guān)于宇稱守恒想法的人）、費(fèi)曼（1965年獲諾貝爾物理學(xué)獎）、布洛克等資深物理學(xué)家。尤其是在1956年4月召開的羅徹斯特會議（國際高能物理最重要的會議）上，與會物理學(xué)家就“θ-τ”之謎的不同解決方案進(jìn)行了廣泛、深入的交流。也正是在這次會議上，李政道在與斯坦伯格的討論中產(chǎn)生了新的想法。更概括地說，即：

“學(xué)術(shù)交流是原始創(chuàng)新的源頭之一，科學(xué)發(fā)現(xiàn)需要多元學(xué)術(shù)觀點(diǎn)的碰撞”。

3）知識和個性的互補(bǔ)

宇稱不守恒理論的發(fā)現(xiàn)離不開李政道與楊振寧之間的密切合作，他們經(jīng)常通過不定期的相互訪問來面對面分享、交流最新的研究進(jìn)展。兩人有一個共同習(xí)慣是不喜歡看他人的文章，以避免形成習(xí)慣性思維，同時又在專業(yè)上各有優(yōu)勢，相互取長補(bǔ)短，相得益彰，這就是合作成功的原因。楊振寧在數(shù)學(xué)物理方面極具天賦，而李政道吸收新知識的速度很快，而且興趣廣泛，閱讀量大，各種的信息收集得更全面。兩個人在一起辯論一個問題，參照著相互的意見，能夠獲得一個人研究問題時想象不到的成果。此外，在氣質(zhì)、感受和趣味等諸方面的差異，也對他們的合作很有裨益。更概括地說，即：

相比各自分開來獨(dú)立工作，知識和個性的互補(bǔ)往往使其能夠產(chǎn)出更具優(yōu)勢的創(chuàng)新思想。

3 啟示

為了提高我國的科技原始創(chuàng)新能力，早日取得重大原創(chuàng)性成果，首先，研究者要善于運(yùn)用創(chuàng)造性思維方法和技巧，特別是在科學(xué)的危機(jī)期和革命期，傳統(tǒng)的思維方法已毫無用處，只有突破傳統(tǒng)思維方式的束縛，才有機(jī)會獲得重大突破；其次，應(yīng)重視研究者之間的科研合作，科研合作的主觀條件是研究者自身在知識和個性上的互補(bǔ)，此外是營造有利于科研合作的外部條件，“要在政策上、管理上、實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)等方面為科研人員的科研合作創(chuàng)造良好的客觀條件”；最后，應(yīng)重視國內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流活動，提供專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，鼓勵研究者積極參與國際頂尖學(xué)術(shù)會議，與國外頂尖學(xué)者展開交流，可以及時掌握所在領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與研究前沿，激發(fā)原始創(chuàng)新的靈感。