宇宙不守恒定律發(fā)現(xiàn)的啟示(上)：提出問(wèn)題比解決問(wèn)題更重要

□王震元

宇宙不守恒定律發(fā)現(xiàn)的啟示(上)：提出問(wèn)題比解決問(wèn)題更重要

□王震元

世界萬(wàn)物，千姿百態(tài)，絢麗多彩。但是如果你細(xì)加研究就不難發(fā)現(xiàn)，有一種普遍的現(xiàn)象，就是“對(duì)稱(chēng)”。

雄偉的天安門(mén)、壯麗的天壇，均因其建筑的對(duì)稱(chēng)性留給人們以莊嚴(yán)肅穆、和諧優(yōu)美之感。再看幾何圖形，等腰三角形明顯為軸對(duì)稱(chēng)，中心對(duì)稱(chēng)則在平行四邊形中表現(xiàn)出來(lái)。人亦然。一個(gè)人“五官端正”，指的就是眼、耳、鼻等臉部器官的對(duì)稱(chēng)。

在物理學(xué)中，對(duì)稱(chēng)是指一種規(guī)律在某種客觀變換下所表現(xiàn)出的不變性。而不變性又往往與某種規(guī)律的守恒相對(duì)應(yīng)。例如人們已經(jīng)熟知的質(zhì)量守恒、能量守恒定律等等。當(dāng)現(xiàn)代物理學(xué)研究深入微觀世界之后，1927年匈牙利物理學(xué)家維格納又提出了一條“宇稱(chēng)守恒定律”。正是這條定律是否適用于微觀世界領(lǐng)域的爭(zhēng)論，譜寫(xiě)了20世紀(jì)科學(xué)史上光輝燦爛而又發(fā)人深省的一頁(yè)……

李政道、楊振寧聯(lián)手挑戰(zhàn)“上帝”

“宇稱(chēng)”是描述微觀粒子狀態(tài)波函數(shù)與其鏡像粒子波函數(shù)之間對(duì)稱(chēng)性的一個(gè)物理量。所謂“鏡像”,如同人在鏡子中所照出的像，兩者是完全對(duì)稱(chēng)的。“宇稱(chēng)守恒”，是指微觀粒子的總宇稱(chēng)始終保持不變，通俗地說(shuō)，就是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與其鏡像粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全一致。

在這里，首先對(duì)微觀世界的“心臟”——原子核的情況作一簡(jiǎn)單介紹。我們對(duì)“萬(wàn)有引力”（如蘋(píng)果落地）和“電磁力”（如正負(fù)電荷互相吸引）已不陌生。但是研究表明，在原子核中還存在著另外兩種力，即強(qiáng)相互作用力與弱相互作用力。在原子核中，引力的作用基本上可以略去不計(jì)。宇稱(chēng)守恒定律在強(qiáng)作用和電磁作用這兩種力中已經(jīng)得到證實(shí)，它對(duì)原子光譜的分析更有實(shí)用價(jià)值。至于是否同樣適用于弱作用力還沒(méi)有被懷疑過(guò)。直

朋友，在這里首先對(duì)微觀世界的“心臟”——原子核作一簡(jiǎn)單介紹。我們對(duì)“萬(wàn)有引力”（如蘋(píng)果落地）和“電磁力”（如正負(fù)電荷互相吸引）再熟悉不過(guò)了，但研究表明，在原子核中還存在著另外兩種力……到1954-1956年間出現(xiàn)了所謂“θ-τ”之謎，這條定律才受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

“θ-τ”之謎是由一種號(hào)稱(chēng)“奇異粒子”的K介子所引發(fā)的。K介子因質(zhì)量“介于”電子與質(zhì)子之間而得名，它之所以“奇異”，是因?yàn)樗男愿裼悬c(diǎn)“怪”，即產(chǎn)生得快、衰變得慢。前者表明是強(qiáng)作用力的結(jié)果，后者的過(guò)程則受弱作用力的支配。

科學(xué)家的“挑戰(zhàn)”也正是從這里開(kāi)始的：K介子在衰變過(guò)程中有時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)π介子，有時(shí)產(chǎn)生三個(gè)π介子。根據(jù)波函數(shù)的描述，π介子的宇稱(chēng)為-1，因而前者的K介子總宇稱(chēng)就是（-1）（-1）=+1，而后者必然是（-1）（-1）（-1）=-1。

這樣，根據(jù)宇稱(chēng)守恒定律，這兩種K介子就不可能是同一種粒子，故當(dāng)時(shí)前者被命名為θ粒子，后者為τ介子。但是θ和τ不僅有相同的質(zhì)量，而且電荷、自旋、壽命完全一樣。人們不禁產(chǎn)生疑問(wèn)：它們之間難道存在著兩種粒子，其他性質(zhì)都相同，唯獨(dú)宇稱(chēng)不同嗎？

從邏輯上說(shuō)，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題只有兩種答案：或者宇稱(chēng)守恒定律嚴(yán)格成立，θ和τ確是兩種不同的粒子；或者宇稱(chēng)守恒定律不能成立，θ和τ系同一種粒子。

當(dāng)時(shí)，物理學(xué)界普遍接受的是前一種觀點(diǎn)。例如由于預(yù)言中微子的存在，維護(hù)能量守恒定律而聞名于世的學(xué)者泡利就俏皮地說(shuō)：“我就不相信上帝竟然是一個(gè)左撇子!”然而，美籍華裔物理學(xué)家李政道和楊振寧的見(jiàn)解卻與眾不同。他們?cè)谏钊胙芯克腥跛プ兊膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，這里竟絲毫未涉及宇稱(chēng)是否守恒的問(wèn)題，或者更確切地說(shuō)，并無(wú)任何宇稱(chēng)守恒的證明。

1956年4月，李政道、楊振寧兩人在一次國(guó)際高能物理學(xué)術(shù)會(huì)議上正式提出：“目前的θ-τ之謎可以看作是宇稱(chēng)守恒定律在弱相互作用中并不成立的一個(gè)跡象。”他們對(duì)此不但進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，還設(shè)計(jì)了檢驗(yàn)宇稱(chēng)是否守恒的實(shí)驗(yàn)方案。李、楊的大膽質(zhì)疑立即在物理學(xué)界引起轟動(dòng)。

誠(chéng)然，一條新的物理定律要獲得公認(rèn)是很不容易的。特別是對(duì)這種難度很大的實(shí)驗(yàn)方案，許多人都持觀望態(tài)度。那位泡利更進(jìn)一步寫(xiě)信給他助手說(shuō)：“我愿意出大價(jià)錢(qián)和人打賭，電子角分布將是左右對(duì)稱(chēng)的！”

晶體難長(zhǎng)大山窮水盡

在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)工作的吳健雄有“中國(guó)的居里夫人”之稱(chēng)譽(yù)。為了進(jìn)一步研究這條新的物理定律，李政道、楊振寧決定邀請(qǐng)吳健雄“加盟”。

為讓讀者在下文中更好地理解這位杰出女實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家是怎樣工作的，這里先打一個(gè)比喻：假設(shè)一架?chē)姎馐斤w機(jī)向右噴氣，其所產(chǎn)生的反推力就會(huì)使它向左飛行。旁邊有一面鏡子，顯然鏡子里看到的飛機(jī)是向左噴氣，向右飛行。

而這種“鏡像運(yùn)動(dòng)”，在現(xiàn)實(shí)世界里則是完全可以實(shí)現(xiàn)的，只需把飛機(jī)的頭調(diào)過(guò)來(lái)就行。這種運(yùn)動(dòng)（或過(guò)程）在物理學(xué)上就是“宇稱(chēng)守恒”（或“鏡像對(duì)稱(chēng)”）。

吳健雄要做的實(shí)驗(yàn)是觀測(cè)鈷60的β衰變。在此之前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種衰變屬于弱作用力衰變，并有電子產(chǎn)生。由于鈷60原子核不僅有自旋，而且有磁矩。就是說(shuō)，它既像個(gè)陀螺，也像塊小磁鐵。吳健雄用電流通過(guò)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)“規(guī)范”鈷60原子核的行為，使它們的自旋都按相同方向排列。這在專(zhuān)業(yè)上叫做“極化”。同時(shí)，為了盡量減少樣品內(nèi)鈷60原子核的熱運(yùn)動(dòng)對(duì)這種排列的干擾，整個(gè)實(shí)驗(yàn)還必須保持在比絕對(duì)零度（-273.16℃）僅高出1/100度的超低溫狀態(tài)。

如果這個(gè)定律成立，或者說(shuō)電子的“鏡像運(yùn)動(dòng)”也會(huì)像噴氣式飛機(jī)掉頭那樣在現(xiàn)實(shí)世界中能夠?qū)崿F(xiàn)，那么鈷60原子核自旋的“順”和“逆”兩個(gè)方向，由于衰變而飛出的電子數(shù)應(yīng)該相等。反之，就不能成立。進(jìn)行這種對(duì)比其實(shí)并不難，只需改變線圈中的電流方向就可以了。

那一年，吳健雄放棄了和丈夫袁家騮的故國(guó)及東亞之行，為的就是要盡快地進(jìn)行這個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)，而且她特別希望在整個(gè)物理學(xué)界還沒(méi)有足夠意識(shí)到這個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要性之前，搶先做出結(jié)果來(lái)。

實(shí)驗(yàn)的思路無(wú)疑是嚴(yán)謹(jǐn)正確的，也很容易理解。但付諸實(shí)踐，遇到的困難遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了吳健雄的預(yù)料。首先，她所在的哥倫比亞大學(xué)普平實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，無(wú)法滿足這種超低溫的要求。

一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，她得知全美國(guó)唯一擁有這種裝置的實(shí)驗(yàn)室設(shè)在華盛頓特區(qū)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局里，而且有位叫安伯勒的就是這一領(lǐng)域研究的先驅(qū)者，是幾年前從牛津大學(xué)轉(zhuǎn)到那里工作的。吳健雄喜出望外，立即請(qǐng)求安伯勒幫助，但對(duì)方不是推托就是婉言拒絕。

吳健雄三天兩頭打電話找安伯勒。最后到7月底，他才給吳健雄來(lái)了一封信，說(shuō)自己有機(jī)會(huì)，擇日與她面談一次。不過(guò)信中又提到，他從8月4日起要休假兩個(gè)禮拜。

因此，她在5-7月的準(zhǔn)備中一邊盡心盡力工作，一邊心急如焚地等待著。直到9月中旬安伯勒游興方盡，才請(qǐng)吳健雄到華盛頓來(lái)會(huì)晤。

安伯勒與吳健雄談判的條件是，這一項(xiàng)目除他本人外還有三個(gè)低溫專(zhuān)家，實(shí)際上是他的三名助手也必須參加，因?yàn)榫唧w操作絕對(duì)離不開(kāi)他們。吳健雄希望從紐約帶自已的助手，而安伯勒則堅(jiān)決拒絕。最后對(duì)方同意這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)人、決策及安排、對(duì)外聯(lián)系等統(tǒng)統(tǒng)由吳健雄負(fù)責(zé)。

口頭協(xié)議達(dá)成后，安伯勒就帶吳健雄參觀了實(shí)驗(yàn)室，并將參加這個(gè)實(shí)驗(yàn)的三個(gè)助手向吳健雄作了介紹，說(shuō)第一位是哈德森博士，是跟安伯勒一起從英國(guó)牛津大學(xué)轉(zhuǎn)來(lái)的，第二位是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局放射性組的黑渥，第三位是黑渥的研究助手哈潑斯，他原本就是具體管理這個(gè)低溫室的。

超低溫問(wèn)題解決了，新的困難卻接踵而來(lái)。

起初，吳健雄在紐約哥倫比亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)組做成了幾個(gè)具有鈷60放射源的晶體，帶到華盛頓，放入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局冷環(huán)境中發(fā)現(xiàn)放射源“極化”后發(fā)射的電子只能維持幾秒鐘，根本無(wú)法觀測(cè)。“極化”很快消失的原因，是放射源輻射產(chǎn)生的熱量使樣品溫度升高、原子核擾動(dòng)所造成的。為解決這個(gè)問(wèn)題，必須用一個(gè)大的晶體把整個(gè)帶放射源的小晶體屏蔽起來(lái)，阻隔溫度上升。

于是，她去請(qǐng)教一些晶體學(xué)專(zhuān)家。遺憾的是他們證實(shí)了吳健雄的擔(dān)心，即生長(zhǎng)大尺寸的晶體（直徑25毫米）需特別小心，要有精巧的設(shè)備和足夠的耐心。但實(shí)驗(yàn)小組既缺乏經(jīng)費(fèi)又時(shí)間緊迫，吳健雄與同事們一起去圖書(shū)館收集所有關(guān)于硝酸鈰鎂結(jié)晶性質(zhì)的文獻(xiàn)。

為了防止干擾，吳健雄回到了紐約普平，開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)所的地下室中生長(zhǎng)晶體，可惜晶體只長(zhǎng)到幾毫米就停止生長(zhǎng)了，距實(shí)驗(yàn)需要的尺寸還遠(yuǎn)著哩。

(未完待續(xù))