宇称的瓦解

宇称的瓦解

对于反质子的发现多少有点期待，而与此相对照，就在同一时期内，曾经统治物理学许多领域的、一直被认为不存在什么问题的一个原则却被推翻了。如果我们做任何一个物理实验，无论是直接观察这个实验，或者是通过一个完美无缺的镜子的反射来观察这个实验，我们是无法区分究竟是在直接观察实验还是在通过镜子来观察实验的。若是我们直接观察一个人或是通过镜子来观察他，我们肯定可以说出他的上衣扣得是否正确。同样，我们也可以说出螺丝是左旋的还是右旋的。这些是任意约定的，而不是自然定律。可能读者会认为，有些电流定律包含有固有的左手或右手定则，但仔细分析之后，我们会看到情况并非如此，左右手定则是与电荷符号的约定有关的。所有强相互作用和电磁作用都严格遵守这个反射对称性。某种现象与其镜象要么全都存在，要么全都不存在的情况，我们称之为宇称守恒。

一旦某一规则在许多情况下都能成立时，人们就喜欢把它扩大到一些未经证明的情况中去。甚至把它当作一项“原理”。如果可能的话，人们往往还要使它蒙上一层哲学色彩，就象在爱因斯坦之前人们对待时空概念那样。对宇称守恒原理也出现过这种情况，一旦用实验证明它不成立时，象泡利这样的物理学家也会大为震惊。

1955年，在观察当时称为θ和τ粒子的某些K粒子的衰变现象时，发生了一些导致后来发现宇称不守恒的事件。根据实验测量，这两个粒子的质量相等、具有相等的平均寿命，但其衰变方式不同。因此，人们很自然地认为它们是以不同方式衰变的同一种粒子。这件事本身并没有什么不寻常的，自从居里和卢瑟福时代以来，人们就知道放射性原子可以不同方式衰变，例如，放射出β或α粒子进行衰变，就象人会死于不同疾病一样。但是，K衰变的异常之处，在于其看来不遵守宇称守恒。宇称守恒禁止一个粒子通过发射两个π介子或三个π介子来进行衰变，而θ和τ却正好就是这样衰变的。中国物理学家杨振宁和李政道用一种完全出乎预料的方法解决了这个严重的困难。他们指出，没有直接证据可以证明，在费米于1933年发现的、引起β衰变现象的弱相互作用中，宇称也应该是守恒的。如果弱相互作用中宇称不守恒的话，困难也就不存在了。他们还提出了可以证明宇称不守恒这一假设的一些实验。这和故事皇帝的新衣中的情况有点相像。两个骗子拿到金线要为皇帝织件金衣服，声称只有聪明的人才能看见这件金衣服。这样，每个人都不愿说他看不见这件衣服，反而都夸奖它非常漂亮，只是在观看盛典的人群中一个小孩子嚷喊：“皇帝没穿衣服！”时，才出现了真理。

就在李政道和杨振宁的论文发表后不久，由另一位中国物理学家吴健雄（图12.8）领导的、来自哥伦比亚大学和华盛顿特区国家标准局的一组物理学家，以及另外二组物理学家，各自独立地证明了在弱相互作用中，宇称守恒简直就是一种神话。

吴健雄领导的小组发现，放射性钴的原子核取向时，若是使它们的自旋全部保持在一个方向上，则它们总是倾向于发射和该方向平行的、而是不反平行的电子。如果宇称守恒的话，平行方向与反向平行方向两者应该是机会均等的。对于发射γ射线这种电磁现象来说，情况确是如此，但对由弱相互作用引起的β发射来说，宇称就不守恒了。

这几位中国物理学家是怎样的人物呢？吴健雄是我在伯克利的第一个学生，当时她是从故乡上海到达那里的。她的毅力和对工作的献身精神使人想起了玛丽·居里，但她更成熟、更漂亮、更机灵。她的大部份科学工作是从事β衰变的研究，并且在这方面作出了一些重要的发现。她嫁给了另一位中国物理学家袁家骝，他们的孩子文森特（Vincent）也是位年轻的物理学家。

杨振宁于1922年生于安徽省合肥市，兄弟五人，他是长子，他的父亲是北京近郊清华大学的数学教授。杨振宁和他的朋友李政道都曾在昆明的西南联大学习过。战后，杨振宁来到美国，希望当费米的研究生，但他不知道费米在什么地方。当赶到哥伦比亚大学时，发现费米已迁居芝加哥了。于是他又到了芝加哥，终于和费米在一起工作了。开始时，他在实验工作中未取得多少成就，但不久之后，他就显示出了他的理论研究才能。1946年，他在忒勒的指导下，完成了他的博士论文，但这以后，他却与费米在一起进行工作了。

李政道1926年生于上海，并在上海读书。他在大学里认识了杨振宁。他的教授吴大猷为他在芝加哥太学学习争取到了奖学金。在芝加哥大学，他在费米的指导下，于1950年取得了博士学位。在取得了博士学位后，李政道和杨振宁都曾在几个主要的美国大学中工作过，并相互合作了许多年。除了他们过去关于宇称不守恒的论文外，他们在从统计力学到场论等许多领域中都取得了重要的成果（图12.9）。现在，杨振宁在石溪纽约州立大学工作，李政道在哥伦比亚大学工作。

古代的欧洲旅行者很早就惊诧地发现了中国这个国家历史悠久的文明了。而从当代这三个中国物理学家所取得的成就，也可看出中国这个伟大的国家在渡过当前的革命震动时期，并恢复其作为世界文明发源国之一的作用后，将来可能对物理学作出什么样的贡献。(https://www.daowen.com)

另外两组物理学家确证了μ子衰变中宇称的不守恒性——这是A.M.弗里德曼（A.M.Friedman）和V.特莱格迪（V.Telegdi）在芝加哥用照相乳胶，R.L.伽温（R.L.Garwin），L.M.莱德曼（L.M.Lederman）和M.温里克（M.Weinrich）在哥伦比亚用电子学方法实现的。他们发现了μ子自旋方向和衰变电子发射方向之间的关系。在第一次发现宇称不守恒之后不久，许多科学家都赶紧研究由宇称不守恒性所开放的所有供选择的可能途径，在很短的时间里，发表了几百篇有关这个课题的论文。实验结果同样很快地在提出的可能性中作出了选择，从而对β衰变作出了满意的解释。

如前所述，宇称的不守恒，使我们能把一个物理现象与它的镜象区别开来（图12.10）。但是，令人惊讶的是，在不同级别上又重建了对称性。物理现象的镜象，恰恰是我们用反物质进行实验时所能看见的情况。通过镜面反射，我们从一个实际的情况变换到了我们称之为P变换的情况。用反粒子取代每个粒子时，我们就实现了C变换。通过实行两个变换，我们就得到了PC变换。若我们首先把一个粒子变换成它的反粒子，然后在镜面中反射它，即有所谓CP变换，CP变换和PC变换的结果是相同的。如果我们从一个真实情况出发，CP或者PC变换会使我们再次回到真实情况中来。

除了C和P变换外，我们再看一下T变换。T变换中，所有速度都要颠倒过来，产生的现象，就象我们正在看一部从末尾向开首放映的实验的电影片一样。从真实情况出发，实行所有三种变换——C，P和T变换——我们可再次得到一个真实的或可能的现象。这个事实对理论物理学家来说，非常珍贵和重要，他们可根据诸如相对论这样非常一般的假定来对此作出证明。宇称不守恒的发现，证明了CP变换本身是能成立的，因此若CPT能成立，则T变换本身也必须成立。

如果事情到此为止，倒也十分方便。但若要严格的话，则情况就更复杂一些。1964年，J.H.克里斯坦森（J.H.Christenson），R.特利（R.Turlay），V.L.菲奇（V.L.Fitch）和J.W.克罗宁（J.W.Cronin）在中性K介子衰变中，发现了一种违反CP对称的情况，这是一个微弱的效应，但却是无可争辩的事实。另一方面，由于相应地违反了T变换，因而抵消了对CP变换的相应的违反，从而使CPT变换保持不变。目前我们所知道的就只有这些了。

违背宇称守恒，这也许是战后最伟大的理论发现，它消除了一种偏见，这种偏见未经足够的实验验证，就曾被当成一条原理。

作为一个脚注，我要附带指出，一个美国物理学家R.T.考克斯（R.T.Cox）可能早在1928年就观察到了β衰变中宇称的不守恒性。他在双散射实验中，使用了衰变电子，观察到某种不对称性，这些不对称性表明初始电子是极化的，这就与宇称守恒相矛盾了。但他丝毫也没有怀疑宇称守恒性，因而改用了非极化的热电离电子来重复这个实验。由于不发生极化，在用热电离电子时，这种效应就没有了。他在解释实验结果时，认为实验的第一部份有点毛病。这是由于研究人员未能对发现惊人的结果作好精神准备，从而错过取得一个重要发现好机会的又一个例子。