1957 年诺贝尔物理学奖——宇称守恒定律的破坏

 

 

1957 年诺贝尔物理学奖授于美国新泽西州普林斯顿高等研究所来自中国的杨振宁（1922—）和美国纽约州哥伦比亚大学来自中国的李政道（1926—），以表彰他们对宇称定律的透彻研究，这些研究导致一些基本粒子的重要发现。

宇称不守恒的发现

宇称是描写粒子在空间反演下变换性质的物理量，有正负之分，如果在空间反演下波函数不变，则粒子具有正宇称，如果改变符号，则为负宇称。粒子系统的宇称等于各粒子宇称的乘积，还要乘上轨道运动的宇称。如果粒子或粒子系统在相互作用前后宇称不改变，就叫做宇称守恒，它反映了物理规律在空间反演下的对称性。

宏观物理规律在空间反演下具有不变性，早已为人们所熟知。例如牛顿定律和电磁原理都具有这种性质。图 57 – 1 就是一幅描述宇称守恒的示意图。在微观领域内空间反演下的不变性，由于量子理论的发展，早就得到人们的注意。

1924 年拉坡特（O.Laporte）在研究铁原子辐射的光谱后，认为可以把铁的状态分为两类，他取名为受折（gestrichene）和不受折（ungestrichene），即现在所谓的偶能级和奇能级。他发现只有当原子从一类能级跃迁到另一类能级时才发生辐射。他当时没有给出说明。在物理文献中，这项选择定则又叫拉坡特定则。

1927 年，维格纳（E.Wigner）对拉坡特定则作出了说明。他应用了宇称概念，将拉坡特的两种类型的能级归结为一种是正宇称，一种是负宇称。辐射的光子本身具有负宇称，为了使辐射前、后整个系统的宇称保持守恒，原子的宇称必须改变。也就是说，从宇称守恒原理出发，原子在同一宇称的状态间跃迁是禁戒的。后来，这一原理迅速推广到其他许多新的领域，例如核反应、β 衰变、介子相互作用以及奇异粒子的物理，成为物理学界公认的定律之一。这是 1956 年以前的情况。不过，物理学界面临一个难解的问题：θ – τ 之谜。

1953—1954年，戴利兹（R.Dalitz）和法布里（E.Fabri）分别指出，从 θ 介子和 τ 介子衰变过程：

θ → π⁺ + π⁰

τ → π⁺ + π⁺ + π⁰

可以分别获得这两种介子的自旋和宇称的信息。初步看来，这两种介子的宇称是一正一负。为了进一步确证，许多实验室测量研究了 π 介子的动量分布和角分布。到了 1956 年春，积累的实验数据肯定 θ 和 τ 确实具有不同的宇称，因此不可能是同一种粒子。然而，这两种粒子却具有相同的质量和寿命，应该属于同一种粒子。这就是一个明显的矛盾，所以称为 θ – τ 之谜。

开始物理学家，包括李政道和杨振宁，都试图在常规理论的框架内处理这一疑案。1955 年，李政道和奥利尔（J.Orear）猜测是不是较重的介子先衰变为较轻的。1956 年 4 月 3—6 日在罗彻斯特（Rochester）召开的第六届罗彻斯特会议上，阿尔瓦雷斯（L.W.Alvarez）报告说，没有观察到李政道-奥利尔所预言的 γ 射线脉冲。

于是李政道和杨振宁提出了另一种解释 θ 和 τ 介子质量相等的建议。他们设想每一种奇异粒子都是宇称的双子，形成另一对称性。他们称之为宇称共轭（parity conjugation）。于是其他各种奇异粒子，例如 Λ₀¹ 及 Λ₀² 等均应有相反的宇称。然而不久有实验说明 Λ⁰ 粒子没有这类现象。

在第六届罗彻斯特会议上，马夏克（E.R.Marshark）还提出另一设想，会不会单个的 θ、τ 粒子具有更大的自旋值。不久奥利尔等人又确证这是不可能的。

物理学家开展了广泛而激烈的讨论。众说纷纭，莫衷一是。但也有人敞怀遐想。就在李、杨提出宇称双子的建议时，费曼（R.Feynman）发言说，他和同室的布洛克（M.Block）讨论过好几夜，布洛克提出了一个问题，会不会 θ、τ 是同一类粒子而又具有不同的宇称态。杨振宁回答，他和李政道考虑过这个看法，但还没有作出定论。那位首先提出宇称守恒原理的维格纳教授也表示或许一种粒子有两种宇称。如果不是主席奥本海默（J.R.Oppenheimer）宣布休会，讨论还会继续进行下去。

李政道和杨振宁受到著名物理学家如此热情的鼓励，感到有必要对宇称守恒定律的实验基础作一番详细的调研。他们认真分析了已有的实验资料，发现在基本粒子弱相互作用的领域内，没有一个例子证明宇称是守恒的。于是他们大胆设想，在弱相互作用的领域内，宇称可以不守恒，他们还研究了几个有关的现象，提出利用这些现象可以进行实验，对他们的假说进行验证。这些现象就是：β 衰变、介子衰变和超子衰变。

这里顺便提一下，宇称不守恒的实验证据其实在 1928 年和 1930 年就已经显露了出来。1928 年，柯克斯（R.T.Cox）等人以题名《β 粒子射线的极化的明显证据》的论文，报道了他们对镭中发射的 β 射线的双重散射进行了研究，观察到当镭源处于 90° 与 270° 的位置时，探测器得到的结果有显著的不对称性。

1930 年切斯（C.T.Chase）重复了柯克斯等人的实验，进一步证实了这一现象。但是由于实验的不确定性和当时理论发展还未达到足够的高度，他们的结果未被重视，直到 1959 年，才有人作为历史资料向公众推荐，而这时宇称不守恒原理早已得到公认。当时找的是 β 衰变和弱相互作用方面的资料，而那些早期实验则是在电子散射方面的，只是用 β 衰变作为电子束源。由于早在 20 世纪 30 年代就被人们忽略，自然李、杨也就无从查找了。

也许有人会这样想：θ – τ 之谜本身就是宇称不守恒的确凿证据。李、杨完全可以根据这一事实作出论断，为什么还要千方百计去找新的实验方案，以验证自己的假说呢？

这是因为粒子物理学还处于初创阶段，人们对奇异粒子的行为分类规律都还不大清楚，杂乱无章的状态使人们无法作出明确的结论，甚至还没有肯定θ、τ 是同一类粒子。所以，必须在纷乱的局面中理出头绪，关键要设法找到某种毫不含糊的，也即判决性的实验证据来为自己的假说提供支持。他们首先找到 β 衰变，这是非常明智的，是在占有了充分的资料和信息之后，经过周密研究作出的合理建议。

李政道在哥伦比亚大学有一位精通 β 衰变实验的同事，就是吴健雄博士。1956 年春，李政道来找吴健雄请教，向她提出了一系列有关 β 衰变方面实验现状的问题，并且向她介绍了 θ – τ 之谜以及为什么对 β 衰变感兴趣的原因，说明如果在极化核的 β 衰变中测出空间分布的不对称性，就可以对宇称的守恒性作出判断。但是必须测量膺标量 〈σ·p〉，（其中 σ 是核的自旋，p 是电子角动量），看 〈σ·p〉 的符号是否对称。

吴健雄当时无法提供任何有关 〈σ·p〉 的信息，还没有人对这方面进行过测量。吴健雄问李政道，有没有人想到要去做实验研究这个问题。李政道回答说，有人建议用核反应得到的极化核或从反应堆取出的极化慢中子束做实验。吴健雄对 β 衰变实验有丰富的经验，她建议不要采用那些办法，最好还是用钴-60（Co）作为 β 源，它可以经去磁法极化，极化率可达 65 %。李政道听了喜出望外，立即向她借阅有关这类方法的参考书。

非常幸运的是，就在 1956 年之前，吴健雄自己对高频磁极化方法发生了很大兴趣，已经研究了好几年。据吴健雄回忆说：“这是基于如下事实：在某些顺磁盐中由于存在不成对的电子，在顺磁离子的核附近会有很强的磁场（~ 10⁶ Gs），在量级为 0.01 K 的温度下，核磁矩就会沿磁场取向。这是因为电子磁性在低温下容易饱和，只要几百高斯的磁场就足够了。核极化就自动随之而来。由于我很熟悉这套技术的功能和局限性，自然我首先想到的是要用极化的钴-60 源。”

吴健雄继续回忆道：“在李政道教授来访之后，我通盘考虑了一番。这可是对 β 射线物理学家的一次极好的机会，来完成一个判决性实验。我怎么能放过它呢？即使做出的是在 β 衰变中宇称是守恒的，实验结果至少也提供了一个破坏守恒的上限值，就可以制止进一步猜测宇称是否未受破坏。

作为实验者，我受到两件事挑战，这是我从来没有试过的困难问题。一件事就是将电子探测器放到液氦温度的恒温器内并让其工作，另一件是把 β 源置于薄表层上，让它极化，时间又要长到足够作出统计。那年（指 1956 年）春季，我丈夫袁家骝和我已经计划好要到日内瓦参加高能物理国际会议，然后到远东去作一次演讲旅行。我们两人都是 1936 年离开中国的，正好过了 20 年。我们的船票都已订好，是英国的伊丽莎白女王号。这时我突然意识到，在物理学界尚未认识到这个实验的重要性之前，我必须立刻抢先做。尽管我感到证明宇称守恒定律是错误的时机还很遥远，我还是急切地要去作出明确的实验。于是我恳求袁家骝让我留下，他自己一个人走。很幸运，他完全了解时间因素的重要性，终于同意单独前往。”

吴健雄的实验结果在 1957 年年初发表，但在发表前几个月，消息就已透露，于是有好几起针对宇称不守恒的实验利用不同的方案，得到了宇称不守恒的实验结果，并且几乎同时发表在 1957 年的《物理评论》杂志上。其中一篇是莱德曼（L.Lederman）等人用回旋加速器根据李、杨建议的另一实验方案，即在 π – μ – e 衰变过程检验宇称守恒，也得到了宇称不守恒的结论。1957 年 1 月 16 日哥伦比亚大学举行记者招待会，宣布推翻了宇称守恒定律，引起了世界物理学界的震惊。

获奖者简历

杨振宁  1922 年 9 月 22 日出生于安徽省合肥县，在西南联大物理系由吴大猷指导完成毕业论文，1942 年毕业后留校当研究生，在老师王竹溪教授指导下研究统计物理学。他的数学才能，特别是群论方面的知识得益于其父杨武之教授。1945 年杨振宁赴美国入芝加哥大学，深受著名物理学家费米的影响，经费米的介绍后来当了泰勒（E.Teller）的研究生，1948 年获博士学位。1948—1949 年任芝加哥大学教员，1949—1955 年在普林斯顿高级研究院工作，后任该院教授。他对理论物理学的贡献极其广泛，从统计物理学、凝聚态物理学到粒子物理学。他的工作有特殊的风格，有很强的创造性和独立性，既涉及理论框架也涉及唯象分析。他眼光深远，既注重历史经验又关心最新实验成果。在统计物理学方面，杨振宁的贡献有：1952 年提出二维伊辛模型的自发磁化强度，同年与李政道合作提出关于相变的理论，1966—1969 年与杨振平合作提出关于数种模型的严格解，等等。在凝聚态物理学方面，杨振宁的贡献有：1961 年与拜尔斯合作给出对磁通量量子化的解释，1962 年提出非对角长程序观念，等等。在粒子物理学方面，杨振宁除了 1956 年与李政道合作提出宇称不守恒原理以外，还在 1949 年与费米合作提出费米-杨模型，1954 年与密尔斯（L.Mills）合作提出杨-密尔斯场理论，1957 年与李政道合作提出二分量中微子理论等一系列开创性的工作。

李政道  1926 年 11 月 25 日出生于上海，1943—1944 年在浙江大学（当时一年级在贵州省的永兴镇）物理系学习，得到老师束星北的启迪，很早就开始了学术生涯。1944 年因翻车受伤停学，乃于 1945 年转学入西南联大物理系，在吴大猷教授指导下学习。1946 年经吴大猷推荐，大学未毕业就获国家奖学金赴美国入芝加哥大学研究院深造，1950 年获博士学位，留在该校和伯克利加州大学，任讲师并从事研究工作，1951 年到普林斯顿高级研究院工作。从 1953 年起，一直在哥伦比亚大学任教，1956 年任教授。1957 年和杨振宁一起获诺贝尔物理学奖时只有 31 岁，是历史上第二位最年轻的诺贝尔物理学奖获得者。（第一位最年轻的是英国的劳伦斯·布拉格）。值得指出的是，杨振宁和李政道荣获诺贝尔物理学奖时，他们持有的是当年留学出国时的中国护照。

和杨振宁一样，李政道在理论物理学研究方面也是硕果累累，从统计物理学、凝聚态物理学到粒子物理学都有他的贡献。例如，1949 年与罗森布拉斯及杨振宁合作提出中间玻色子的存在，1952 年与派尼斯合作研究固体物理学中极化子的构造，同年与杨振宁合作提出统计物理学中关于相变的杨振宁-李政道定理与李-杨单圆定理，1954 年发表量子场论中的李模型理论，1959 年与杨振宁合作分析高能中微子的作用，20 世纪 60 年代后期提出场代数理论，70 年代初期研究 CP 自发破缺问题，提出真空的“色介常数”的概念，等等。杨振宁和李政道于 1957 年获得诺贝尔物理学奖，这是中国人首次获得如此殊荣，炎黄子孙为之深感自豪。

官网链接，杨振宁论文链接，李政道论文链接。

发布时间：2023/9/19 下午10:01:19  阅读次数：3378