宇宙不守恒定律发现的启示(上)：提出问题比解决问题更重要

□王震元

宇宙不守恒定律发现的启示(上)：提出问题比解决问题更重要

□王震元

世界万物，千姿百态，绚丽多彩。但是如果你细加研究就不难发现，有一种普遍的现象，就是“对称”。

雄伟的天安门、壮丽的天坛，均因其建筑的对称性留给人们以庄严肃穆、和谐优美之感。再看几何图形，等腰三角形明显为轴对称，中心对称则在平行四边形中表现出来。人亦然。一个人“五官端正”，指的就是眼、耳、鼻等脸部器官的对称。

在物理学中，对称是指一种规律在某种客观变换下所表现出的不变性。而不变性又往往与某种规律的守恒相对应。例如人们已经熟知的质量守恒、能量守恒定律等等。当现代物理学研究深入微观世界之后，1927年匈牙利物理学家维格纳又提出了一条“宇称守恒定律”。正是这条定律是否适用于微观世界领域的争论，谱写了20世纪科学史上光辉灿烂而又发人深省的一页……

李政道、杨振宁联手挑战“上帝”

“宇称”是描述微观粒子状态波函数与其镜像粒子波函数之间对称性的一个物理量。所谓“镜像”,如同人在镜子中所照出的像，两者是完全对称的。“宇称守恒”，是指微观粒子的总宇称始终保持不变，通俗地说，就是微观粒子的运动规律与其镜像粒子的运动规律完全一致。

在这里，首先对微观世界的“心脏”——原子核的情况作一简单介绍。我们对“万有引力”（如苹果落地）和“电磁力”（如正负电荷互相吸引）已不陌生。但是研究表明，在原子核中还存在着另外两种力，即强相互作用力与弱相互作用力。在原子核中，引力的作用基本上可以略去不计。宇称守恒定律在强作用和电磁作用这两种力中已经得到证实，它对原子光谱的分析更有实用价值。至于是否同样适用于弱作用力还没有被怀疑过。直

朋友，在这里首先对微观世界的“心脏”——原子核作一简单介绍。我们对“万有引力”（如苹果落地）和“电磁力”（如正负电荷互相吸引）再熟悉不过了，但研究表明，在原子核中还存在着另外两种力……到1954-1956年间出现了所谓“θ-τ”之谜，这条定律才受到严峻的挑战。

“θ-τ”之谜是由一种号称“奇异粒子”的K介子所引发的。K介子因质量“介于”电子与质子之间而得名，它之所以“奇异”，是因为它的性格有点“怪”，即产生得快、衰变得慢。前者表明是强作用力的结果，后者的过程则受弱作用力的支配。

科学家的“挑战”也正是从这里开始的：K介子在衰变过程中有时产生两个π介子，有时产生三个π介子。根据波函数的描述，π介子的宇称为-1，因而前者的K介子总宇称就是（-1）（-1）=+1，而后者必然是（-1）（-1）（-1）=-1。

这样，根据宇称守恒定律，这两种K介子就不可能是同一种粒子，故当时前者被命名为θ粒子，后者为τ介子。但是θ和τ不仅有相同的质量，而且电荷、自旋、寿命完全一样。人们不禁产生疑问：它们之间难道存在着两种粒子，其他性质都相同，唯独宇称不同吗？

从逻辑上说，对于这个问题只有两种答案：或者宇称守恒定律严格成立，θ和τ确是两种不同的粒子；或者宇称守恒定律不能成立，θ和τ系同一种粒子。

当时，物理学界普遍接受的是前一种观点。例如由于预言中微子的存在，维护能量守恒定律而闻名于世的学者泡利就俏皮地说：“我就不相信上帝竟然是一个左撇子!”然而，美籍华裔物理学家李政道和杨振宁的见解却与众不同。他们在深入研究所有弱衰变的实验数据时发现，这里竟丝毫未涉及宇称是否守恒的问题，或者更确切地说，并无任何宇称守恒的证明。

1956年4月，李政道、杨振宁两人在一次国际高能物理学术会议上正式提出：“目前的θ-τ之谜可以看作是宇称守恒定律在弱相互作用中并不成立的一个迹象。”他们对此不但进行数学推导，还设计了检验宇称是否守恒的实验方案。李、杨的大胆质疑立即在物理学界引起轰动。

诚然，一条新的物理定律要获得公认是很不容易的。特别是对这种难度很大的实验方案，许多人都持观望态度。那位泡利更进一步写信给他助手说：“我愿意出大价钱和人打赌，电子角分布将是左右对称的！”

晶体难长大山穷水尽

在美国哥伦比亚大学工作的吴健雄有“中国的居里夫人”之称誉。为了进一步研究这条新的物理定律，李政道、杨振宁决定邀请吴健雄“加盟”。

为让读者在下文中更好地理解这位杰出女实验物理学家是怎样工作的，这里先打一个比喻：假设一架喷气式飞机向右喷气，其所产生的反推力就会使它向左飞行。旁边有一面镜子，显然镜子里看到的飞机是向左喷气，向右飞行。

而这种“镜像运动”，在现实世界里则是完全可以实现的，只需把飞机的头调过来就行。这种运动（或过程）在物理学上就是“宇称守恒”（或“镜像对称”）。

吴健雄要做的实验是观测钴60的β衰变。在此之前已经发现这种衰变属于弱作用力衰变，并有电子产生。由于钴60原子核不仅有自旋，而且有磁矩。就是说，它既像个陀螺，也像块小磁铁。吴健雄用电流通过线圈产生的磁场“规范”钴60原子核的行为，使它们的自旋都按相同方向排列。这在专业上叫做“极化”。同时，为了尽量减少样品内钴60原子核的热运动对这种排列的干扰，整个实验还必须保持在比绝对零度（-273.16℃）仅高出1/100度的超低温状态。

如果这个定律成立，或者说电子的“镜像运动”也会像喷气式飞机掉头那样在现实世界中能够实现，那么钴60原子核自旋的“顺”和“逆”两个方向，由于衰变而飞出的电子数应该相等。反之，就不能成立。进行这种对比其实并不难，只需改变线圈中的电流方向就可以了。

那一年，吴健雄放弃了和丈夫袁家骝的故国及东亚之行，为的就是要尽快地进行这个重要的实验，而且她特别希望在整个物理学界还没有足够意识到这个实验的重要性之前，抢先做出结果来。

实验的思路无疑是严谨正确的，也很容易理解。但付诸实践，遇到的困难远远超出了吴健雄的预料。首先，她所在的哥伦比亚大学普平实验室的设备，无法满足这种超低温的要求。

一个偶然的机会，她得知全美国唯一拥有这种装置的实验室设在华盛顿特区的国家标准局里，而且有位叫安伯勒的就是这一领域研究的先驱者，是几年前从牛津大学转到那里工作的。吴健雄喜出望外，立即请求安伯勒帮助，但对方不是推托就是婉言拒绝。

吴健雄三天两头打电话找安伯勒。最后到7月底，他才给吴健雄来了一封信，说自己有机会，择日与她面谈一次。不过信中又提到，他从8月4日起要休假两个礼拜。

因此，她在5-7月的准备中一边尽心尽力工作，一边心急如焚地等待着。直到9月中旬安伯勒游兴方尽，才请吴健雄到华盛顿来会晤。

安伯勒与吴健雄谈判的条件是，这一项目除他本人外还有三个低温专家，实际上是他的三名助手也必须参加，因为具体操作绝对离不开他们。吴健雄希望从纽约带自已的助手，而安伯勒则坚决拒绝。最后对方同意这个实验项目的领导人、决策及安排、对外联系等统统由吴健雄负责。

口头协议达成后，安伯勒就带吴健雄参观了实验室，并将参加这个实验的三个助手向吴健雄作了介绍，说第一位是哈德森博士，是跟安伯勒一起从英国牛津大学转来的，第二位是国家标准局放射性组的黑渥，第三位是黑渥的研究助手哈泼斯，他原本就是具体管理这个低温室的。

超低温问题解决了，新的困难却接踵而来。

起初，吴健雄在纽约哥伦比亚大学实验组做成了几个具有钴60放射源的晶体，带到华盛顿，放入国家标准局冷环境中发现放射源“极化”后发射的电子只能维持几秒钟，根本无法观测。“极化”很快消失的原因，是放射源辐射产生的热量使样品温度升高、原子核扰动所造成的。为解决这个问题，必须用一个大的晶体把整个带放射源的小晶体屏蔽起来，阻隔温度上升。

于是，她去请教一些晶体学专家。遗憾的是他们证实了吴健雄的担心，即生长大尺寸的晶体（直径25毫米）需特别小心，要有精巧的设备和足够的耐心。但实验小组既缺乏经费又时间紧迫，吴健雄与同事们一起去图书馆收集所有关于硝酸铈镁结晶性质的文献。

为了防止干扰，吴健雄回到了纽约普平，开始在实验所的地下室中生长晶体，可惜晶体只长到几毫米就停止生长了，距实验需要的尺寸还远着哩。

(未完待续)