上帝是左撇子嗎

☉汪 詰

一

先從一個假想的故事開始。如果有一天，我們與距離地球極為遙遠的某個外星文明取得了聯系；又假定，由于某些奇怪的原因，我們只能給這個外星文明傳送嘀嗒嘀嗒的長短脈沖信號，除此之外，無法傳送任何東西供其觀察——現在，我們想告訴這個外星文明有關地球上人類的一切，大家想一想該怎么辦。

這個問題似乎并不難解決。第一步，先定義數字。數學是全宇宙通行的語言，用脈沖信號的長短來定義0和1這兩個數字就足夠了。因為數學規律與多少進制沒有關系，不論是幾進制，得出的數學規律都是一樣的。有了數字，我們就可以告訴外星人許多信息。例如，可以用數字3.1415926來指代圓。

但是，我們很快就會面臨一個難題：如何讓外星人把我們的心臟放在正確的位置？

你可能會說，放在左邊啊。可是，哪邊是左邊？這個問題如果是問地球人，他會回答“你的左邊就是左邊”，但現在與我們交流的是外星人。細想一下就不難發現，我們無法用自然語言準確地告訴外星人“左”和“右”的定義。這是一個不折不扣的難題。

如果這個問題出現在1956年之前，那么，所有科學家都會撓頭。究其原因，那時的科學家有一個共同信念：上帝不偏愛任何方向，在宇宙中，所有物理現象都是鏡面對稱的。如果觀察一個物理實驗，不論是直接觀察，還是通過一面鏡子觀察，最終得到的物理規律都是一樣的。

這個共同信念，在物理學上有一個名詞，叫作“宇稱守恒”。

在1956年以前，宇稱守恒與能量守恒一樣，被認為是物理學中的基本原理，是金科玉律，是共同信念。也正是基于這樣的共同信念，科學家會告訴你，對不起，我們真的沒有辦法用自然語言讓外星人在“左”和“右”的定義上與地球人達成一致。無論讓他們做什么樣的實驗，“左”和“右”都是完全對稱的，沒有任何區別。

既然說這是1956年以前的情況，那么劇情自然就在1956年發生了反轉。

這可謂一部發生在物理學黃金年代的懸疑大片。

二

事情得從1947年說起。

那一年，實驗物理學家發現，宇宙射線中有一種被稱為“θ粒子”（θ讀作“西塔”）的奇異粒子，它在衰變之后，產生了2個π介子。1949年，實驗物理學家又發現了一個新的奇異粒子，它衰變后產生了3個π介子，人們又把這種奇異粒子叫作“τ粒子”（τ讀作“桃”）。為了后面講述方便，我們姑且把這兩種粒子分別叫作“西子”和“桃子”。

西子和桃子的發現，當然不是什么令人矚目的大事，不同的粒子有不同的衰變方式，就好像人有不同的死法一樣，這很正常，沒什么好奇怪的。但是，接下來，這兩個“子”出了大問題，把物理學江湖攪了個天翻地覆。

隨著實驗的進行，人們發現，西子和桃子除了衰變方式不一樣，其他方面的性質全都一樣：質量和電荷是相等的，衰變所需時間也是相同的，再有，無論何時生成這兩種粒子，它們總是以一定的比例出現。比如說，14%是桃子，86%是西子。這就好像有兩只鴨子，無論用任何方式去觀察比對，它們都是完全一樣的。按理說，它們應該是同一種動物，但問題是，偏偏它們死掉以后會變得不一樣。西子和桃子唯一的不同點，用物理學術語來說，就是在它們衰變后測量到的宇稱不同。而宇稱是一個實實在在的物理量，是可以測量的，而且當時幾乎所有物理學家都秉持著一個信念，那就是宇稱守恒。既然西子和桃子死后的宇稱不同，那當然就不可能是同一種粒子嘛。這就好像有兩只鴨子被我們吃掉消化后，經過精確無比的測量，證實我們得到的能量有所不同，那么這兩只鴨子生前也肯定是不同的動物，因為能量守恒嘛。

于是，物理學家都在盡力改進實驗設備和方法，想尋找西子和桃子的不同點，因為他們堅信，既然它們是兩種不同的粒子，那就一定能找到不同點。然而，一切努力都徒勞無功，除了衰變后的宇稱不同，兩種粒子實在無法區分。

物理學家們陷入了迷惘和思索之中。這種困境，在當時被物理學界稱為“θ-τ之謎”。

在距離美國東海岸不遠的新澤西州，有一處學術圣地，偉大的愛因斯坦不久前在那里與世長辭，那就是著名的普林斯頓高級研究所。而此時，34歲的楊振寧和30歲的李政道，正形影不離地走在校園中，熱烈地討論著“西桃之謎”。

這對來自中國的青年才俊根本想不到，一年之后，他們將因此時此刻討論的問題，同時獲得諾貝爾獎。

三

就是在這一年，1956年，在紐約的一家餐館中，楊振寧和李政道突然想到，似乎之前所有證明宇稱守恒的實驗，都沒有仔細地按照不同的相互作用來分類。那么，宇稱會不會僅僅在弱相互作用中不守恒，而在其他相互作用中是守恒的呢？

這里解釋一下什么是弱相互作用。牛頓把“力”定義為物質之間的相互作用，萬有引力是人類發現的第一種相互作用；電磁力是第二種；進入量子時代后，在粒子物理學中，人們習慣性地使用“相互作用”這個詞，而不是“力”。強相互作用就是把質子和中子結合在原子核中的一種“力”。弱相互作用則只作用于電子、夸克、中微子等。

有一種弱相互作用叫作β衰變。1896年，物理學家貝可勒爾發現了鈾原子的放射性現象，92號元素鈾能夠自發衰變成82號元素鉛。盧瑟福和湯姆遜在一年后發現，鈾在衰變過程中會產生3種不同的放射線。準確地說，大自然中沒有線，所有的線都是由粒子組成的。你可能會問，他們怎么知道是3種不同的粒子呢？原理其實很簡單，就是讓放射線通過一個磁場，然后他們就發現，在磁場中，放射線的偏轉方向有所不同，根據電荷在磁場中受力的原理，也就知道了鈾在衰變過程中釋放出帶正電、負電和不帶電的3種粒子。他們把帶正電的叫作α射線，帶負電的叫作β射線，不帶電的叫作γ射線。那么，發出β射線的衰變過程，就叫作β衰變。

在隨后的兩個星期里，楊振寧和李政道設法找來大量有關β衰變的實驗數據，開始動手計算，驗證宇稱是否守恒。這個過程涉及極為枯燥和復雜的數學計算，而且當時還沒有計算機可以作為輔助。最后，他們算出的結果是一致的：數據不足，沒有結論。換句話說，他們驚訝地發現，過去所有β衰變的實驗數據都既不能證實，也不能證偽宇稱守恒。

這個突破口一旦被找到，后面的事情就如同開閘放水，一瀉千里。僅僅用了一個月，他們倆就共同完成了那篇名垂青史的論文——《弱相互作用中的宇稱守恒問題》，并投給了著名的學術期刊《物理評論》。1956年10月，文章被發表了。

這是近代物理學史上最重要的論文之一。在這篇論文中他們提出，在強相互作用和電磁相互作用中，宇稱在很高的精度上是守恒的；但在弱相互作用中，宇稱守恒只是一個外推性的假設，甚至可以認為，“西桃之謎”恰恰是弱相互作用中宇稱守恒的反例。為了毫不含糊地確定在弱相互作用中宇稱是否守恒，他們必須完成一個實驗，以確定在弱相互作用中“左”和“右”是否相同。

四

論文發表后，遭到了絕大多數著名科學家的反對——要打破一個信念何其艱難。物理學家菲利克斯·布洛赫在看了論文后決絕地說：“如果宇稱真的不守恒了，我就把我的帽子吃掉。”

實驗是檢驗物理理論的唯一標準。對楊振寧和李政道而言，比科學理論更重要的是科學實驗。不幸的是，他們倆都不是搞實驗的。

起初，他們找到了著名的實驗物理學家萊德曼，但遭到拒絕。萊德曼開玩笑說：“一旦能找到一位絕頂聰明的研究生供我當奴隸使用，那我就會去做這個實驗。”這當中還有一個很重要的原因就是，這個實驗的難度極高，而且花大量的時間和精力去做一個很可能沒有任何價值，只會反向證實一些人們早就相信的事情的實驗，是不值得的。

這時候，他們生命中最重要的貴人出現了，這就是他們的中國同胞，足以和居里夫人媲美的物理學家吳健雄博士。吳健雄在物理學史上的地位極高，她是當時全世界最優秀的幾位實驗物理學家之一——有些書甚至不加“幾位”“之一”。

李政道找到了在美國哥倫比亞大學執教的吳健雄。聽完說明后，吳健雄毅然放棄了和丈夫一起回中國探親的計劃。她已經20年沒有回過祖國，本來連船票都買好了。

吳健雄一頭扎進實驗室，這一年的物理學界注定要掀起軒然大波。

以“毒舌”著稱的著名物理學家泡利，在得知吳健雄正在做實驗的消息后對朋友說：“像吳健雄這么好的實驗物理學家，應該找一些更重要的事去做，不應該在這種顯而易見的事情上浪費時間。我不相信上帝是一個左撇子，我愿意打一個賭，實驗一定會給出一個守恒的結果。”

吳健雄選擇了楊、李論文中建議的一個實驗，就是把元素鈷-60的核冷卻到接近絕對零度，這樣原子的熱振動基本就消除了，然后再用一個磁場使得這束原子核按照同一個方向自旋。如果宇稱是守恒的，電子就會以相同的數量向兩個方向飛出；如果宇稱不守恒，那么一個方向上飛出的電子，將會比另一個方向飛出的電子多。

1957年1月9日凌晨兩點，吳健雄小組做了最后一次查證，實驗終于結束。好多天前，他們就已經知道結果，這次實驗是出于對重大成果的極度謹慎才進行的。實驗小組一共5個人，他們打開了事先準備好的葡萄酒，慶祝一項偉大物理學成就的誕生：弱相互作用下，宇稱不守恒。

6天后，哥倫比亞大學做了一件史無前例的事：為這個實驗舉行了一次新聞發布會。物理系主任在發布會上說：“在某種意義上，一個相當完整的理論結構已從根本上被打碎。”

沒過多久，包括之前拒絕做實驗、腸子都悔青了的萊德曼在內的幾個物理學家的驗證結果相繼出爐，以更加詳盡的實驗數據驗證了吳健雄的實驗結果。

整個物理學界都轟動了，“西桃之謎”終于被解開，這是一個無可比擬的、重大的、革命性的進展。這個實驗也被認為是繼“邁克耳孫-莫雷實驗”之后最重要的物理實驗。當年的諾貝爾物理學獎被以火箭般的速度頒給了楊振寧和李政道，創下了諾獎歷史上絕無僅有的“當年出成果當年頒獎”的傳奇。

按理說，吳健雄也完全有資格獲此殊榮。許多大科學家都對吳健雄未獲獎一事公開表示了失望。1988年的諾貝爾物理學獎得主史坦伯格就認為，那年的諾貝爾獎沒有同時頒給吳健雄，是諾貝爾物理學獎委員會最大的失誤。

由于諾獎甄選資料的保密期是50年，因此在2006年之前，這一直是個謎。后來文件解密了，大家才知道真正的原因：吳健雄的實驗也有美國國家標準局低溫實驗科學家安伯勒的功勞，但諾獎的評獎規則是最多同時頒給3位科學家，這樣一來，委員會就犯難了，如果頒給吳健雄而不給安伯勒，有失偏頗。他們權衡再三，只好將吳健雄的名字去掉。

到這里，本文開頭提出的那個問題就有了答案，現在我們可以對外星人說：“聽著，你們先制造一塊磁鐵，把線圈繞上去，讓電流通過，隨后取一些27號元素鈷，把它的溫度降低到盡可能接近絕對零度，然后……(此處略去幾百字專業性比較強的實驗描述)。好了，現在你們看到的電流流出的方向，就是我們地球人所謂的左邊。”

上帝他老人家居然真的是一個左撇子，他偏愛左邊。

科學再一次向我們展現了它強大的自我糾錯能力。

所有科學理論都有一個非常重要的特征：科學理論是有適用范圍的。任何一項科學理論，都只能說其在某個范圍內是正確的。這句話反過來理解會更重要、更有意義——當我們說推翻了一個現有的理論時，其實并不是說現有理論錯了，而只是將現有理論的適用范圍框定在了某個精度之下。

如果未來有一天，科學家告訴我們現在的量子理論是錯誤的，能量守恒也是錯誤的，那也并不會導致我們今天在這些理論指導下發明的手機、電腦不工作了。我們可以跟那時的人們說，對不起，在我們當前的適用范圍內，這些理論會一直、永遠正確下去。在相對論“推翻”牛頓力學的100年后，人類所有的航天器發射依然需要用到牛頓力學。科學精神，讓我們得以正確認識科學理論的錯誤。

（永遇樂摘自新星出版社《讀庫2201》一書，本刊節選，劉 宏圖）