杨振宁:物 理学的诱惑

土豪捕鱼 2019-07-11 19:27195http://www.argoykt.com/admin


好奇心诱惑学者们钻研

法拉第是“电磁感应”现象的发现者,他用一个简单的设备做了一个非常重要的实验:在闭合线圈里面放一块磁铁,静态放置时不会产生电流,但是将磁铁向外拉或向里捅时,线圈便立刻产生了电。这个现象就是我们现在所称的“电磁感应”。这也是发电机的运作原理,这项发现对于人类社会的影响是无法估量的———法拉第带领人类走进了电的时代。

麦克斯韦是电磁场理论的提出者,他刚取得学士学位后便着手在法拉第“电磁感应”的基础上对电的现象做更深入的研究,经过六年的努力,麦克斯韦提出了四个“电”和“磁”定量关系的方程式,证明了电磁波的存在,并计算出电磁波的速度和光速几乎相同,于是大胆地提出了“光就是电磁波”的结论———麦克斯韦把人类带入了电磁波通信的时代。

从这两个例子里我们可以发现,是好奇心引导出了一个个伟大的发现,就连科学家本身也无法预知在好奇心驱使下所做出的研究竟然可以带来如此大的影响。

“宇称不守恒”是可能的?
  
1957年1月,吴健雄宣布“在β衰变中宇称不守恒”,她的实验打破了一个被人们普遍认为是正确的原理。当时美国物理学会的秘书长这样描述吴健雄作报告时的场景:“屋子里挤满了人,甚至有人从吊灯上爬了下来”。那么吴健雄是如何证明“宇称不守恒”的呢?
  
守恒观念根深蒂固
  
二次世界大战之前,物理实验都是小规模的,典型的例子就是汤姆生用一个很简单的仪器发现了人类所知道的第一个基本粒子———电子。二战后,核物理成为热门的研究领域,世界各国制造了越来越大的加速器。有了这些加速器,再加上宇宙射线,许多以前不为人知的基本粒子都被发现了。到了20世纪50年代,最热衷研究的就是这些基本粒子的性质,也发现了“电荷守恒”定律,与之前牛顿提出的“能量守恒”一样,守恒现象在物理学界是一个非常重要和普遍的现象。
  
每一个粒子都有一个“宇称”,而“宇称守恒”的意思就是衰变前的宇称和衰变后的宇称是相同的,而在一个研究θ粒子和τ粒子的实验中,用理论证明出了“宇称不守恒”。于是我们就提出了这样的疑问:宇称能不能不守恒呢?大家都不相信“宇称不守恒”
  
有三个根深蒂固的原因使得人们相信宇称是守恒的:物理世界是左右对称的;左右对称有很大的直觉和审美感召力;1920到1930年以后,量子力学非常准确地指出在原子物理中宇称一定是守恒的。如果宇称不守恒,那么很多实验结果都将被推翻,所以大家认为宇称不守恒是绝对不可思议的。
  
我和李政道研究了之前所有的β衰变实验,发现了一个令人震惊的现象,就是所有这些实验都和宇称守恒还是不守恒无关。于是我们提出了这样的想法:对绝大多数的力量而言,宇称是守恒的,但对另一些力量,则未必是这样(例如衰变)。接着又提出了新的更为复杂的实验,测试β衰变及其他的弱相互作用中宇称是否守恒。
  
我们的文章于1956年6月22日寄出,寄出后得到的反应是———大家都不相信。“宇称守恒”将被实验证明?
  
当时声名显赫的泡利教授就指出:“我不相信上帝是一个弱的(指弱相互作用)左撇子(指左右不对称),我准备投注一笔很大的金额,实验将会得出一个对称的分布(即宇称守恒)。”还有布洛赫教授,他因为发明了核磁共振(NMR)而获得了诺贝尔奖。他说要是宇称不守恒,就要吃掉自己的帽子。
  
但是李政道和我认为我们指出了一个重要的事实,那就是在弱相互作用中宇称是否守恒缺乏实验证明。可是我们自己也不相信,宇称在任何相互作用中会不守恒,换一句话说,我们跟所有人直觉的想法是一样的,认为宇称当然是守恒的。所以在文章发出去之后,我们就改变了方向,开始对其他领域进行研究。直到半年后,吴健雄证明了宇称不守恒之后,我们才立即回到了原来对宇称不守恒的研究。好奇心证明了“宇称不守恒”
  
大部分的物理学家都不想进行我们提出的实验,因为他们觉得我们提出的五个实验都非常困难,大家观念上都觉得这个假设不正确,一致认为实验结果一定是肯定了前人已经知道的规律,也就是“宇称守恒”,所以根本没有价值去做。
  
吴健雄具有战略性的眼光,最后完成了这个实验。她也不相信宇称不守恒是真的,但是她觉得一个基本的自然定律必须要用实验来验证。是好奇心引导她去尝试,完成了这个“独具慧眼”的实验。
  
吴健雄从国家标准局召集了四位低温物理学家一起进行其中一个我们提出的实验,但是遇到了很大的困难,光是制作一粒很大的晶体,就花费了她的团队三个星期的时间,当她带着这粒“美如钻石”般的晶体回华盛顿时,她说“我知道我是全世界最快乐最骄傲的人”。在经历了种种复杂和艰辛之后,1956年的实验结果证实了宇称不守恒,虽然差别比较微弱,但是她坚信实验的准确性,向外界宣称了宇称不守恒的发现,《纽约时报》在头版刊登了这条消息。
  
“宇称不守恒”的影响
  
这个曾经被视为攻不可破的堤坝被攻破了,物理学家纷纷测试在各种弱相互作用下宇称是否守恒,经过了大量的实验最终证实了“宇称不守恒”是弱相互作用下的一般特征。
  
吴健雄的实验对物理学的发展作出了很大贡献。首先,把“对称观念”提升为基本理论物理的一个中心概念;第二,引发了对“离散对称性”的深入研究,后来四位美国科学家所提出的“时间逆转不守恒”获得了诺贝尔奖;第三,对中微子性质的研究具有决定性的影响,之后有三个诺贝尔奖由此而产生。可以说吴健雄的实验导致了4个诺贝尔奖。

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