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“不验自明”的教训

“不验自明”的教训

尹传红

李政道与杨振宁荣膺诺贝尔奖,迄今整整61年了。这是华人科学家第一次在纯科学领域获得的轰动世界的影响。两位大佬依然健在,且不时成为公众话题,想来也真是有许多说道。不过,让我感到惊讶的是,如果细细追问一句,他们当年究竟取得了怎样的成就,在科学上又有着怎样的意义,却没见几个人能说出个道道来。

惯常我们听到的说辞是,李政道和杨振宁因揭示“弱相互作用中宇称不守恒”而获得1957年诺贝尔物理学奖。他们的重大发现打开了物理学的新视野,促成了人们对自然认识的一个根本性变革。

仔细探究,我觉得那是一种敏锐的观察力和深刻的洞察力结合而致的创新之举。

当年李、杨二人开展学术合作之时所关注的一个重点,是“宇称守恒定律”及其所引出的“θ-τ之谜”。

自古以来,人们就在讨论对称性问题,比如左和右之间的对称等。20世纪物理学中的一个重大发现是,所有守恒定律都对应一种对称性。如能量守恒对应的是时间的对称性,动量守恒对应的是空间的对称性。物理学定律好像一直显示出左右之间的完全对称。这种对称在量子力学中可以形成为一种守恒定律,成为宇称守恒,它和左-右对称原理完全相同。这个守恒的量被称为“宇称”(parity)。

跟质量、电荷等物理量一样,宇称也是描述基本粒子物理性质的一个物理量。人们由此一直认为存在着所谓的“宇称守恒”,即宇宙没有左右的区别。假如你走进一个四壁都镶满镜子的屋子里,那么你会发现,这里左和右相互对调,自然规则仍将保持不变,你无法确定哪一个是实际存在的,哪一个是镜像的。

20世纪40年代末至50年代初,物理学家惊讶地发现:最轻的奇异粒子(后来称之为K介子)在衰变时,真会导致奇异的结果:有一种粒子衰变成2个π介子,称为θ粒子;另一种粒子衰变成3个π介子,称为τ粒子。精确的测量表明,θ与τ具有相同的质量、寿命、电荷等性质,是同一种粒子。可是,从角动量和宇称守恒的要求看,θ与τ不可能是同一种粒子。

看起来似乎是一类K介子按实在的方式衰变,另一类按镜子中的方式衰变。它们就好像是以不同方式分裂的同一种粒子。这也意味着,如果同一种粒子可以按两种不同的方式衰变的话,那么宇称守恒定律就不再成立,自然界中的左和右就是能够区分开来的。

然而,当时大多数物理学家认为,这是两个不同的粒子,只是它们的怪异之处还无法解释。物理学界也普遍相信,宇称守恒定律就像能量、动量等守恒定律一样,是一条普适的规律。

物理学大厦确实存在着问题!李政道和杨振宁意识到,要解开宇称的“θ-τ之谜”,或许需要一种开放式思维的研究方式,对左右对称进行重新评价。1956年春夏之间的数次“约会”,他们两人都围绕那个谜团苦苦思索、讨论,最后他们认为,要走出困境,就要先假设宇称并不严格守恒。

1956年6月中旬,他们写成了一篇题为《弱相互作用中的宇称守恒问题》的论文,提交给《物理评论》杂志。他们在论文中指出,通过对已有实验的检查表明,宇称守恒在强相互作用和电磁相互作用中是高度准确的,但弱作用,如介子和超子衰变中,以及各种费米子相互作用中,宇称守恒到目前为止只是没有实验支持的外推的假设。

对弱相互作用来说,宇称守恒从未被检验过,那么用实验来检验就至关重要。1956年夏至1957年1月,美籍华裔物理学家吴健雄设计完成了一个实验,即用同位素钴60的β衰变来做观察,终于得到一个明确的结果:宇称在弱相互作用下不守恒!一直被视为不容置疑的宇称守恒定律,被推翻了。

吴健雄后来感慨道:“这件事给了我们一个教训,就是永远不要把所谓‘不验自明的定律视为是必然的。”她的老师、美籍意大利裔物理学家埃米利奥·吉诺·塞格雷也评价道:“(弱相互作用的)宇稱守恒定律的崩溃……消除了一种偏见,这种偏见未经足够的实验验证,就被当作一条原理。”

破除一个“想当然”的俗见,就如同打开了一个全新的视野。创新,有时候好像也不是那么“难”啊!

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