“不驗(yàn)自明”的教訓(xùn)

尹傳紅

李政道與楊振寧榮膺諾貝爾獎，迄今整整61年了。這是華人科學(xué)家第一次在純科學(xué)領(lǐng)域獲得的轟動世界的影響。兩位大佬依然健在，且不時(shí)成為公眾話題，想來也真是有許多說道。不過，讓我感到驚訝的是，如果細(xì)細(xì)追問一句，他們當(dāng)年究竟取得了怎樣的成就，在科學(xué)上又有著怎樣的意義，卻沒見幾個(gè)人能說出個(gè)道道來。

慣常我們聽到的說辭是，李政道和楊振寧因揭示“弱相互作用中宇稱不守恒”而獲得1957年諾貝爾物理學(xué)獎。他們的重大發(fā)現(xiàn)打開了物理學(xué)的新視野，促成了人們對自然認(rèn)識的一個(gè)根本性變革。

仔細(xì)探究，我覺得那是一種敏銳的觀察力和深刻的洞察力結(jié)合而致的創(chuàng)新之舉。

當(dāng)年李、楊二人開展學(xué)術(shù)合作之時(shí)所關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)，是“宇稱守恒定律”及其所引出的“θ-τ之謎”。

自古以來，人們就在討論對稱性問題，比如左和右之間的對稱等。20世紀(jì)物理學(xué)中的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)是，所有守恒定律都對應(yīng)一種對稱性。如能量守恒對應(yīng)的是時(shí)間的對稱性，動量守恒對應(yīng)的是空間的對稱性。物理學(xué)定律好像一直顯示出左右之間的完全對稱。這種對稱在量子力學(xué)中可以形成為一種守恒定律，成為宇稱守恒，它和左-右對稱原理完全相同。這個(gè)守恒的量被稱為“宇稱”（parity）。

跟質(zhì)量、電荷等物理量一樣，宇稱也是描述基本粒子物理性質(zhì)的一個(gè)物理量。人們由此一直認(rèn)為存在著所謂的“宇稱守恒”，即宇宙沒有左右的區(qū)別。假如你走進(jìn)一個(gè)四壁都鑲滿鏡子的屋子里，那么你會發(fā)現(xiàn)，這里左和右相互對調(diào)，自然規(guī)則仍將保持不變，你無法確定哪一個(gè)是實(shí)際存在的，哪一個(gè)是鏡像的。

20世紀(jì)40年代末至50年代初，物理學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn)：最輕的奇異粒子（后來稱之為K介子）在衰變時(shí)，真會導(dǎo)致奇異的結(jié)果：有一種粒子衰變成2個(gè)π介子，稱為θ粒子;另一種粒子衰變成3個(gè)π介子，稱為τ粒子。精確的測量表明，θ與τ具有相同的質(zhì)量、壽命、電荷等性質(zhì)，是同一種粒子。可是，從角動量和宇稱守恒的要求看，θ與τ不可能是同一種粒子。

看起來似乎是一類K介子按實(shí)在的方式衰變，另一類按鏡子中的方式衰變。它們就好像是以不同方式分裂的同一種粒子。這也意味著，如果同一種粒子可以按兩種不同的方式衰變的話，那么宇稱守恒定律就不再成立，自然界中的左和右就是能夠區(qū)分開來的。

然而，當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，這是兩個(gè)不同的粒子，只是它們的怪異之處還無法解釋。物理學(xué)界也普遍相信，宇稱守恒定律就像能量、動量等守恒定律一樣，是一條普適的規(guī)律。

物理學(xué)大廈確實(shí)存在著問題！李政道和楊振寧意識到，要解開宇稱的“θ-τ之謎”，或許需要一種開放式思維的研究方式，對左右對稱進(jìn)行重新評價(jià)。1956年春夏之間的數(shù)次“約會”，他們兩人都圍繞那個(gè)謎團(tuán)苦苦思索、討論，最后他們認(rèn)為，要走出困境，就要先假設(shè)宇稱并不嚴(yán)格守恒。

1956年6月中旬，他們寫成了一篇題為《弱相互作用中的宇稱守恒問題》的論文，提交給《物理評論》雜志。他們在論文中指出，通過對已有實(shí)驗(yàn)的檢查表明，宇稱守恒在強(qiáng)相互作用和電磁相互作用中是高度準(zhǔn)確的，但弱作用，如介子和超子衰變中，以及各種費(fèi)米子相互作用中，宇稱守恒到目前為止只是沒有實(shí)驗(yàn)支持的外推的假設(shè)。

對弱相互作用來說，宇稱守恒從未被檢驗(yàn)過，那么用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)就至關(guān)重要。1956年夏至1957年1月，美籍華裔物理學(xué)家吳健雄設(shè)計(jì)完成了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，即用同位素鈷60的β衰變來做觀察，終于得到一個(gè)明確的結(jié)果：宇稱在弱相互作用下不守恒！一直被視為不容置疑的宇稱守恒定律，被推翻了。

吳健雄后來感慨道：“這件事給了我們一個(gè)教訓(xùn)，就是永遠(yuǎn)不要把所謂‘不驗(yàn)自明的定律視為是必然的。”她的老師、美籍意大利裔物理學(xué)家埃米利奧·吉諾·塞格雷也評價(jià)道：“（弱相互作用的）宇稱守恒定律的崩潰……消除了一種偏見，這種偏見未經(jīng)足夠的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，就被當(dāng)作一條原理?！?/p>

破除一個(gè)“想當(dāng)然”的俗見，就如同打開了一個(gè)全新的視野。創(chuàng)新，有時(shí)候好像也不是那么“難”??！