2006年,当时我还是一名高中生。听到消息说诺贝尔物理学得主杨振宁教授要来学校举行一场主题为《我的生平》的讲座,作为刚决定将来要选择物理专业的我来说,那是非常激动人心的时刻。当即去图书馆上网输入了“杨振宁”、“诺贝尔物理学奖”等关键词准备来个现场提问。结果可想而知,以当时我所具备的知识,即使看完了一连串解释的文章,我也仅仅只记住了关键词。
现在回想起,只记得在讲座上他谈及了母亲对他有深远的影响,培育了他坚强的意志,以及父亲让他接触到了数学,认识了群论。还记得他说过自己深受爱因斯坦、费米和狄拉克的影响。最后,他以一个“圆”的标志来结束讲座,这个圆代表起点也是终点。
直到大三的时候,有一天我正在做实验,教授不知为何突然在旁边说起了吴健雄的故事,为她没有获得诺贝尔奖愤愤不平。才再次勾起我对杨振宁的好奇,究竟什么是弱相互作用中宇称不守恒?
故事要回到1950年代。当时粒子物理学是个非常热门的研究领域。物理学家花了大量的时间来理解那些新发现粒子的性质:它们的电荷、自旋、质量和衰变等等。其中有两个粒子(θ 和 τ)特别有意思,它们会分别衰变成两个和三个 π 介子。越来越多的精确实验显示 θ 和 τ 有几乎相同的质量和寿命,暗示着它们可能是同一种粒子,只是有两种不同模式的衰变。这并没有什么奇怪的,除了它违反了宇称守恒定律。
从1955年到1956年,杨振宁和李政道向这个问题发起了进攻,他们想出了许多解释方案。其中一个就跟宇称不守恒有关。在粒子物理学中,宇称就是所谓镜像对称性。现在想象有一个镜像宇宙,在这个宇宙中所有的东西都是相反的。在这个宇宙中,太阳会打西边升起,从东边日落等等。但基本上没有任何其它东西会改变,事实上我们只要把左边和右边的概念对换一下就会跟我们身处的这个宇宙没有任何区别。
至少,这种情景在宇称守恒的前提下是正确的。
1956年4月3日-6日,在纽约罗切斯特召开的高能物理会议上,θ-τ之谜引起了很多讨论,但没有一个解决方案是令人满意的。杨振宁在对该谜题做了总结报告后,引发了更激烈的讨论。在回答理查德·费恩曼提出的关于宇称不守恒的可能性中,杨振宁回答,他和李政道曾分析过这种可能性,但还没有得到确切的结论。
杨振宁和李政道并没有放弃探索这个难题。
在1956年4月末或五月初的一天,他们二人来到了纽约的一家中餐馆。据回忆,当他们坐下来的时候,脑中迸发出了一个重要的想法:支持宇称守恒的证据皆来自电磁相互作用的过程(如原子发光)或强相互作用的过程(如两个原子核的散射)。那时,θ - τ 衰变在1956年已经被确定为由弱相互作用所决定。
在两到三个星期后,通过许多的计算,他们证明了所有此前的β衰变实验实际上都太过于简单无法检验在β衰变中的宇称是否守恒。因此,在弱相互作用中宇称守恒仍值得探讨,他们也提出了许多实验方法来检验。
他们的论文在1956年6月完成,之后发表在《物理学评论快报》。当时这并没有引起关注。泡利在写给维克托·魏斯科普夫的一封著名信件中写道:“我不相信上帝是个弱左撇子…” 当时实验物理学家并不想尝试他们在论文中所提出的实验,因为没有一个是简单的。此外,物理界普遍认为他们的提议并不能解决θ - τ之谜。泡利和费恩曼都为此下了赌注,认为宇称必定守恒。
1957年初,吴教授和她的合作者发表了实验结果:电子主要从一个特定方向射出,在β衰变中宇称不守恒。整个物理界被这一结果惊得目瞪口呆!由于β衰变只是弱相互作用的一种类型,物理学家需要验证杨振宁和李政道建议的其它实验。短短几年内,许多实验室都着手不同的实验,结果表明,在所有弱相互作用过程中,宇称都不守恒。
杨振宁和李政道为此获得了1957年的诺贝尔物理学奖。
而他们的工作也直接或间接的导致了粒子物理学家在接下来的岁月中把精力集中在研究不同的对称性。宇称不守恒的发现深刻的改变了我们对自然先入为主的概念,自然远远要比我们想象的更加聪明,以及善于隐藏。同时,它的发现对于我们理解物理世界有着非常及时的和意义深远的冲击。而这仅仅只是杨振宁教授的贡献之一。
他在理论物理学的贡献包含了许多领域,从粒子物理学到统计力学再到凝聚态物理学,对抽象理论和现象学分析都产生了重大的影响。在他13项重大的科学贡献中,杨-米尔斯理论才是最重大的贡献。我相信,当你真正了解到杨教授的工作所带来的意义后,就会被他的思想所折服。我想,他在他人生中的每一个决定都有其非凡的意义。