物理學(xué)史中的十二月

蕭如珀 楊信男 譯

(1.自由業(yè)；2.臺灣大學(xué)物理系 10617)

1956年12月27日：宇稱守恒的推翻(譯自APS News，2001年12月)

在物理學(xué)中，“對稱性”長久以來都扮演著關(guān)鍵性的角色。自從1925 年以來，科學(xué)家就一直認為我們的世界和鏡子內(nèi)的影像是無法區(qū)別的——即為人所知的宇稱守恒的觀念，而主要的理論也印證了此假設(shè)。宇稱守恒和能量、動量與電荷守恒等最基本的物理法則一樣，在物理方面都享有極高的地位，一直到1956 年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(現(xiàn)在的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與科技研究院)進行了一系列重要的試驗后才改觀。正如相對論一般，大自然再一次證明了它并不總是遵循著“常識”的法則。

宇稱守恒意味著大自然是對稱的，所以向左、向右旋轉(zhuǎn)或是任何亞原子粒子的另一對半(鏡像粒子)都沒有差別。例如，兩個相似的放射粒子繞著一個垂直的軸朝相反的方向旋轉(zhuǎn)衰變，所放射出向上與向下質(zhì)點的強度應(yīng)該是相同的。雖然在強作用中有許多實驗證明宇稱守恒的成立，但在弱作用中卻從未有實驗證明其也成立。事實上，當(dāng)弱作用力首度提出來解釋基本粒子的分裂時，若在當(dāng)時說宇稱守恒不成立的話，似乎是令人難以置信的。

圖1 吳建雄領(lǐng)導(dǎo)的團隊在美國國家標(biāo)準(zhǔn)局做實驗時所攝(圖片來源：http://physics.nist.

20世紀50年代，當(dāng)高能物理學(xué)家開始觀察無法由既有理論解釋的現(xiàn)象時，一切都改觀了，其中最著名的是高能質(zhì)子和原子核碰撞時所放射出K 介子的衰變。K 介子出現(xiàn)在兩個完全不同的情況，可以衰變成二或三個π介子，(它們必須有相反的宇稱)，但在其他的特性上，K介子似乎完全相同。1956年6月，理論物理學(xué)家楊振寧1和李政道2寫了一短篇論文，寄到《物理評論》(Physical Review)，提出宇稱在弱作用中是否能守恒的問題，還建議了幾個可以解答此問題的實驗。

當(dāng)李政道和楊振寧的論文在1956 年刊登出來時，物理學(xué)家除了好奇外，并未有任何立即的回響。戴森(Freeman Dyson，著名的理論物理學(xué)家，任職于普林斯敦高等研究院)后來承認說，他當(dāng)時認為這篇論文很有趣，“我并無足夠的想象力說：‘天?。〖偃邕@是真的，它將為物理開啟一個全新的領(lǐng)域！’我認為當(dāng)時的物理學(xué)家，幾乎沒有例外，都和我一樣不夠有想象力。”理查德·費曼(Richard Feynman，譯者注：1965 年獲得諾貝爾物理獎)宣稱違反宇稱的想法“不太可能，也許可能性很小，是很令人興奮但可能性微乎其微，”但他后來還是和一位朋友打賭50 美元，說宇稱守恒不會被推翻。

圖2 圖左的橢圓球體表示大量朝同一方向旋轉(zhuǎn)的鈷60原子核所放射出的β射線；圖右是鏡中所見的相同過程，旋轉(zhuǎn)的方向相反，但所放射出來的大多數(shù)β射線方向是相同的，因此鏡中的世界和真實的世界可區(qū)別出來，空間倒置后的世界和真實的世界并不完全相同；宇稱不守恒

在所建議的實驗中，最簡單的方法之一是，以強磁場將鈷60原子核的自旋排在同一方向，然后測量它在衰變時各方向所射出β射線的強度。宇稱守恒成立的話，所放射出來的β射線在兩極之間的分布必須相同，假如有一極的β粒子比另一極多的話，就可能區(qū)別出鏡中影像的原子核與其相對物的不同，那就等于推翻了宇稱的守恒性。

在1956年的圣誕節(jié)與新年期間，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的科學(xué)家開始著手進行β粒子衰變的試驗，整個研究團隊由哥倫比亞大學(xué)的吳健雄教授所領(lǐng)導(dǎo)。吳教授于1912年誕生在中國，1940年獲得加州大學(xué)的博士學(xué)位，第二次世界大戰(zhàn)期間曾參與曼哈頓計劃。1975年，她出任美國物理學(xué)會第一位女性會長。

實驗的結(jié)果出爐后，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的研究團隊得到了令人驚奇的結(jié)論：β粒子在原子核旋轉(zhuǎn)的反方向所放射出的數(shù)目比較多。因此，由于β放射線的分布與旋轉(zhuǎn)的鈷60原子核的鏡中影像不一致，明確地證實了宇稱不守恒。萊德曼(Leon Lederman)當(dāng)時在哥倫比亞大學(xué)的回旋加速器做研究，他獨立以此設(shè)備做了宇稱的測試，透過π和μ介子的衰變，亦得到了違反宇稱的確切證據(jù)。

簡而言之，大自然是一個半靈巧的左撇子，而費曼賭輸了。此結(jié)果粉碎了30 年來全球所接受的核物理的基本概念，促使人們重新思考物理的理論，也因此有了全新，更深遠的發(fā)現(xiàn)——最顯著的是對基本粒子特性有進一步的了解，并對基本作用力有更完整的理論。

圖3

延伸閱讀：

S.Weinberg,Review of Modern Physics,52,515(1980);

A.Salam,p.525;S.L.Glashow,p.539.

補充資料：

?http://physics.nist.gov/GenInt/Parity/cover.html

?http://ccreweb.org/documents/parity/parity.html

注1：楊振寧，1922年出生于中國，1946年1月考取清華留美公費生赴美，1948年獲得芝加哥大學(xué)的博士學(xué)位，1957年因推翻宇稱守恒的研究與李政道同獲諾貝爾物理獎。

注2：李政道，1926年出生于中國，1946年9月考取中國公費生到美國芝加哥大學(xué)進修，畢業(yè)后和楊振寧合作研究宇稱守恒，于1957年和楊振寧同獲諾貝爾物理獎，他當(dāng)年31歲，是最年輕的諾貝爾獎得主之一。