□王震元

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

□王震元

世界萬物，千姿百態(tài)，絢麗多彩。但是如果你細加研究就不難發(fā)現(xiàn)，有一種普遍的現(xiàn)象，就是“對稱”。

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

在物理學中，對稱是指一種規(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)律的守恒相對應。例如人們已經熟知的質量守恒、能量守恒定律等等。當現(xiàn)代物理學研究深入微觀世界之后，1927年匈牙利物理學家維格納又提出了一條“宇稱守恒定律”。正是這條定律是否適用于微觀世界領域的爭論，譜寫了20世紀科學史上光輝燦爛而又發(fā)人深省的一頁……

李政道、楊振寧聯(lián)手挑戰(zhàn)“上帝”

“宇稱”是描述微觀粒子狀態(tài)波函數(shù)與其鏡像粒子波函數(shù)之間對稱性的一個物理量。所謂“鏡像”,如同人在鏡子中所照出的像，兩者是完全對稱的。“宇稱守恒”，是指微觀粒子的總宇稱始終保持不變，通俗地說，就是微觀粒子的運動規(guī)律與其鏡像粒子的運動規(guī)律完全一致。

在這里，首先對微觀世界的“心臟”——原子核的情況作一簡單介紹。我們對“萬有引力”（如蘋果落地）和“電磁力”（如正負電荷互相吸引）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。宇稱守恒定律在強作用和電磁作用這兩種力中已經得到證實，它對原子光譜的分析更有實用價值。至于是否同樣適用于弱作用力還沒有被懷疑過。直

朋友，在這里首先對微觀世界的“心臟”——原子核作一簡單介紹。我們對“萬有引力”（如蘋果落地）和“電磁力”（如正負電荷互相吸引）再熟悉不過了，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，這條定律才受到嚴峻的挑戰(zhàn)。

“θ-τ”之謎是由一種號稱“奇異粒子”的K介子所引發(fā)的。K介子因質量“介于”電子與質子之間而得名，它之所以“奇異”，是因為它的性格有點“怪”，即產生得快、衰變得慢。前者表明是強作用力的結果，后者的過程則受弱作用力的支配。

科學家的“挑戰(zhàn)”也正是從這里開始的：K介子在衰變過程中有時產生兩個π介子，有時產生三個π介子。根據波函數(shù)的描述，π介子的宇稱為-1，因而前者的K介子總宇稱就是（-1）（-1）=+1，而后者必然是（-1）（-1）（-1）=-1。

這樣，根據宇稱守恒定律，這兩種K介子就不可能是同一種粒子，故當時前者被命名為θ粒子，后者為τ介子。但是θ和τ不僅有相同的質量，而且電荷、自旋、壽命完全一樣。人們不禁產生疑問：它們之間難道存在著兩種粒子，其他性質都相同，唯獨宇稱不同嗎？

從邏輯上說，對于這個問題只有兩種答案：或者宇稱守恒定律嚴格成立，θ和τ確是兩種不同的粒子；或者宇稱守恒定律不能成立，θ和τ系同一種粒子。

當時，物理學界普遍接受的是前一種觀點。例如由于預言中微子的存在，維護能量守恒定律而聞名于世的學者泡利就俏皮地說：“我就不相信上帝竟然是一個左撇子!”然而，美籍華裔物理學家李政道和楊振寧的見解卻與眾不同。他們在深入研究所有弱衰變的實驗數(shù)據時發(fā)現(xiàn)，這里竟絲毫未涉及宇稱是否守恒的問題，或者更確切地說，并無任何宇稱守恒的證明。

1956年4月，李政道、楊振寧兩人在一次國際高能物理學術會議上正式提出：“目前的θ-τ之謎可以看作是宇稱守恒定律在弱相互作用中并不成立的一個跡象?！彼麄儗Υ瞬坏M行數(shù)學推導，還設計了檢驗宇稱是否守恒的實驗方案。李、楊的大膽質疑立即在物理學界引起轟動。

誠然，一條新的物理定律要獲得公認是很不容易的。特別是對這種難度很大的實驗方案，許多人都持觀望態(tài)度。那位泡利更進一步寫信給他助手說：“我愿意出大價錢和人打賭，電子角分布將是左右對稱的！”

晶體難長大山窮水盡

在美國哥倫比亞大學工作的吳健雄有“中國的居里夫人”之稱譽。為了進一步研究這條新的物理定律，李政道、楊振寧決定邀請吳健雄“加盟”。

為讓讀者在下文中更好地理解這位杰出女實驗物理學家是怎樣工作的，這里先打一個比喻：假設一架噴氣式飛機向右噴氣，其所產生的反推力就會使它向左飛行。旁邊有一面鏡子，顯然鏡子里看到的飛機是向左噴氣，向右飛行。

而這種“鏡像運動”，在現(xiàn)實世界里則是完全可以實現(xiàn)的，只需把飛機的頭調過來就行。這種運動（或過程）在物理學上就是“宇稱守恒”（或“鏡像對稱”）。

吳健雄要做的實驗是觀測鈷60的β衰變。在此之前已經發(fā)現(xiàn)這種衰變屬于弱作用力衰變，并有電子產生。由于鈷60原子核不僅有自旋，而且有磁矩。就是說，它既像個陀螺，也像塊小磁鐵。吳健雄用電流通過線圈產生的磁場“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。這在專業(yè)上叫做“極化”。同時，為了盡量減少樣品內鈷60原子核的熱運動對這種排列的干擾，整個實驗還必須保持在比絕對零度（-273.16℃）僅高出1/100度的超低溫狀態(tài)。

如果這個定律成立，或者說電子的“鏡像運動”也會像噴氣式飛機掉頭那樣在現(xiàn)實世界中能夠實現(xiàn)，那么鈷60原子核自旋的“順”和“逆”兩個方向，由于衰變而飛出的電子數(shù)應該相等。反之，就不能成立。進行這種對比其實并不難，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及東亞之行，為的就是要盡快地進行這個重要的實驗，而且她特別希望在整個物理學界還沒有足夠意識到這個實驗的重要性之前，搶先做出結果來。

實驗的思路無疑是嚴謹正確的，也很容易理解。但付諸實踐，遇到的困難遠遠超出了吳健雄的預料。首先，她所在的哥倫比亞大學普平實驗室的設備，無法滿足這種超低溫的要求。

一個偶然的機會，她得知全美國唯一擁有這種裝置的實驗室設在華盛頓特區(qū)的國家標準局里，而且有位叫安伯勒的就是這一領域研究的先驅者，是幾年前從牛津大學轉到那里工作的。吳健雄喜出望外，立即請求安伯勒幫助，但對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，他才給吳健雄來了一封信，說自己有機會，擇日與她面談一次。不過信中又提到，他從8月4日起要休假兩個禮拜。

因此，她在5-7月的準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，才請吳健雄到華盛頓來會晤。

安伯勒與吳健雄談判的條件是，這一項目除他本人外還有三個低溫專家，實際上是他的三名助手也必須參加，因為具體操作絕對離不開他們。吳健雄希望從紐約帶自已的助手，而安伯勒則堅決拒絕。最后對方同意這個實驗項目的領導人、決策及安排、對外聯(lián)系等統(tǒng)統(tǒng)由吳健雄負責。

口頭協(xié)議達成后，安伯勒就帶吳健雄參觀了實驗室，并將參加這個實驗的三個助手向吳健雄作了介紹，說第一位是哈德森博士，是跟安伯勒一起從英國牛津大學轉來的，第二位是國家標準局放射性組的黑渥，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低溫室的。

超低溫問題解決了，新的困難卻接踵而來。

起初，吳健雄在紐約哥倫比亞大學實驗組做成了幾個具有鈷60放射源的晶體，帶到華盛頓，放入國家標準局冷環(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，根本無法觀測?！皹O化”很快消失的原因，是放射源輻射產生的熱量使樣品溫度升高、原子核擾動所造成的。為解決這個問題，必須用一個大的晶體把整個帶放射源的小晶體屏蔽起來，阻隔溫度上升。

于是，她去請教一些晶體學專家。遺憾的是他們證實了吳健雄的擔心，即生長大尺寸的晶體（直徑25毫米）需特別小心，要有精巧的設備和足夠的耐心。但實驗小組既缺乏經費又時間緊迫，吳健雄與同事們一起去圖書館收集所有關于硝酸鈰鎂結晶性質的文獻。

為了防止干擾，吳健雄回到了紐約普平，開始在實驗所的地下室中生長晶體，可惜晶體只長到幾毫米就停止生長了，距實驗需要的尺寸還遠著哩。

(未完待續(xù))