物理学史中的十二月

2022-03-21萧如珀杨信男

现代物理知识 2022年6期

萧如珀杨信男译

(1.自由业；2.台湾大学物理系 10617)

1956年12月27日：宇称守恒的推翻(译自APS News，2001年12月)

在物理学中，“对称性”长久以来都扮演着关键性的角色。自从1925 年以来，科学家就一直认为我们的世界和镜子内的影像是无法区别的——即为人所知的宇称守恒的观念，而主要的理论也印证了此假设。宇称守恒和能量、动量与电荷守恒等最基本的物理法则一样，在物理方面都享有极高的地位，一直到1956 年美国国家标准局(现在的美国国家标准与科技研究院)进行了一系列重要的试验后才改观。正如相对论一般，大自然再一次证明了它并不总是遵循着“常识”的法则。

宇称守恒意味着大自然是对称的，所以向左、向右旋转或是任何亚原子粒子的另一对半(镜像粒子)都没有差别。例如，两个相似的放射粒子绕着一个垂直的轴朝相反的方向旋转衰变，所放射出向上与向下质点的强度应该是相同的。虽然在强作用中有许多实验证明宇称守恒的成立，但在弱作用中却从未有实验证明其也成立。事实上，当弱作用力首度提出来解释基本粒子的分裂时，若在当时说宇称守恒不成立的话，似乎是令人难以置信的。

图1 吴建雄领导的团队在美国国家标准局做实验时所摄(图片来源：http://physics.nist.

20世纪50年代，当高能物理学家开始观察无法由既有理论解释的现象时，一切都改观了，其中最著名的是高能质子和原子核碰撞时所放射出K 介子的衰变。K 介子出现在两个完全不同的情况，可以衰变成二或三个π介子，(它们必须有相反的宇称)，但在其他的特性上，K介子似乎完全相同。1956年6月，理论物理学家杨振宁1和李政道2写了一短篇论文，寄到《物理评论》(Physical Review)，提出宇称在弱作用中是否能守恒的问题，还建议了几个可以解答此问题的实验。

当李政道和杨振宁的论文在1956 年刊登出来时，物理学家除了好奇外，并未有任何立即的回响。戴森(Freeman Dyson，著名的理论物理学家，任职于普林斯敦高等研究院)后来承认说，他当时认为这篇论文很有趣，“我并无足够的想象力说：‘天啊！假如这是真的，它将为物理开启一个全新的领域！’我认为当时的物理学家，几乎没有例外，都和我一样不够有想象力。”理查德·费曼(Richard Feynman，译者注：1965 年获得诺贝尔物理奖)宣称违反宇称的想法“不太可能，也许可能性很小，是很令人兴奋但可能性微乎其微，”但他后来还是和一位朋友打赌50 美元，说宇称守恒不会被推翻。

图2 图左的椭圆球体表示大量朝同一方向旋转的钴60原子核所放射出的β射线；图右是镜中所见的相同过程，旋转的方向相反，但所放射出来的大多数β射线方向是相同的，因此镜中的世界和真实的世界可区别出来，空间倒置后的世界和真实的世界并不完全相同；宇称不守恒

在所建议的实验中，最简单的方法之一是，以强磁场将钴60原子核的自旋排在同一方向，然后测量它在衰变时各方向所射出β射线的强度。宇称守恒成立的话，所放射出来的β射线在两极之间的分布必须相同，假如有一极的β粒子比另一极多的话，就可能区别出镜中影像的原子核与其相对物的不同，那就等于推翻了宇称的守恒性。

在1956年的圣诞节与新年期间，美国国家标准局的科学家开始着手进行β粒子衰变的试验，整个研究团队由哥伦比亚大学的吴健雄教授所领导。吴教授于1912年诞生在中国，1940年获得加州大学的博士学位，第二次世界大战期间曾参与曼哈顿计划。1975年，她出任美国物理学会第一位女性会长。

实验的结果出炉后，美国国家标准局的研究团队得到了令人惊奇的结论：β粒子在原子核旋转的反方向所放射出的数目比较多。因此，由于β放射线的分布与旋转的钴60原子核的镜中影像不一致，明确地证实了宇称不守恒。莱德曼(Leon Lederman)当时在哥伦比亚大学的回旋加速器做研究，他独立以此设备做了宇称的测试，透过π和μ介子的衰变，亦得到了违反宇称的确切证据。

简而言之，大自然是一个半灵巧的左撇子，而费曼赌输了。此结果粉碎了30 年来全球所接受的核物理的基本概念，促使人们重新思考物理的理论，也因此有了全新，更深远的发现——最显著的是对基本粒子特性有进一步的了解，并对基本作用力有更完整的理论。