宇称不守恒是如何发现的？原创 施郁 知识分子 2024-08-13 13:32:208.13知识分子The Intellectual 图源：pixabay 导读 这三位中国物理学家显示未来中国对物理学的贡献可以多大。——塞格雷(1959年诺贝尔物理学奖获得者) 撰文丨施郁
θ-τ之谜与奇异粒子
1956年，粒子物理前沿的一个谜团是θ-τ之谜。
θ和τ是两种奇异粒子（某一类粒子，具有一种叫做“奇异数”的性质，在强相互作用和电磁相互作用支配的过程中，奇异数之和保持不变），质量和寿命都一样，但是衰变不一样，分别衰变成2个和3个π子。每个粒子的宇称用1或-1代表，衰变产物的总宇称是各个粒子的宇称相乘。每个π子的宇称是-1，因此如果假设衰变过程中宇称守恒，可以推论，θ和τ的宇称分别是1和-1，不一样。所以有两个可能。
一个可能是，两种粒子是同种粒子，但是宇称不守恒；另一个可能是，宇称守恒，这两种粒子不同，那么就很难理解它们质量和寿命完全一样。
1956年4月3日至6日，第6届罗切斯特会议（这个系列会议后来称作国际高能物理大会）上，杨振宁做了关于奇异粒子的综述报告。随后费曼帮布洛克（M. Block）问了上面所说的第一种可能。杨振宁说，他和李政道研究过这个问题，但是没有明确的结论。李政道在1986年的回忆中，也确认这一点，并说当时他们考虑到，如果假定宇称不守恒只是发生在θ-τ的弱衰变，那么可测量的效应正是已经观察到的现象。
θ的产生途径之一是由π^-与质子碰撞。π^-与质子碰撞可以产生奇异粒子Λ^0和θ^0，Λ^0又衰变为π^-与质子。当时关于Λ^0的产生平面和衰变平面之间的夹角也有很多讨论。
哥伦比亚大学的斯坦伯格（J. Steinberger）研究组在布鲁克海文实验室做实验，研究了这个过程，但是“没有观测到产生和衰变的角关联有明显各向异性”，文中有个注释“我们这里希望感谢李政道就这些问题的非常有帮助的讨论以及卡普拉斯的通讯（We wish here to acknowledge some very helpful discussions with T. D. Lee on these questions, and a communication from R. Karplus）”。
此文1956年6月15日收稿，9月15日发表，没有被李政道-杨振宁的诺奖论文（一周后，即6月22日收稿，10月1日发表，1957年10月获诺贝尔奖）引用。
理论突破
当时杨振宁在普林斯顿高等研究院，4月17号开始，在布鲁克海文实验室长期访问，李政道在哥伦比亚大学。
他们的想法如下：将两种过程的宇称情况区分开来，一种是由强相互作用主宰的粒子产生过程，其中宇称确实是守恒的，另一种是由弱相互作用主宰的粒子衰变过程，其中宇称是否守恒需要核实；将θ-τ之谜扩展为一个弱相互作用普遍性问题，就是说是整个弱相互作用的问题，所以他们考察“宇称在强与电磁相互作用中守恒，但在弱相互作用中也许不守恒”的可能，这样也就可以通过研究其他的弱相互作用过程获得知识；如果弱相互作用是违反宇称守恒的，那么θ和τ就可以是同一种粒子，只是衰变成宇称不同的末态，那么θ-τ之谜就迎刃而解。
他们将问题理出了头绪，并转而研究其他由弱相互作用主宰的系统，因为这是弱相互作用的普适问题。弱相互作用中研究得最多的过程就是β衰变，所以他们研究β衰变中宇称是否守恒。这是一个重大战略转移，对最后的胜利起到关键作用。
首先，他们去检查以前关于β衰变的实验，有没有确定宇称是否守恒。他们做了具体的理论计算：在弱相互作用中，在宇称守恒的项上，加上宇称不守恒的项，然后计算以前的实验观测量，特别是衰变发出的电子的分布。
吴健雄也在哥伦比亚大学。李政道去和她讨论，吴健雄借给李政道西格班（K. Siegbahn）编的β衰变文集。
杨振宁1950年和蒂欧姆诺（Jayme Tiomno）合作研究过β衰变，经验和结果都派上用场。在李政道-杨振宁诺奖论文中，谈到宇称守恒和不守恒的区分时，引用了杨振宁-蒂欧姆诺论文。
杨振宁和李政道的计算表明，不论宇称是否守恒，都不影响以前的实验结果，因此这些实验结果不能作为宇称是否守恒的证据。
杨振宁在布鲁克海文做了个学术报告，塞诺夫（W.Selove）问，为什么以前的实验不能证明β衰变中宇称是否守恒，一两天后，杨振宁和李政道一起研究这个问题，领悟到，以前实验上测量的物理量都是标量，在空间反演下总是保持不变，而不涉及赝标量，所以以前的实验没有真正检验宇称是否守恒；如果实验上测量的物理量是赝标量，空间反演下是否不变就取决于宇称是否守恒了，这就是实验需要检验的。
李政道1986年回忆：“当我们停止计算，开始思考，在很短的时间里就清楚，没有证据的原因是一个简单的事实，即没人试图从一个本来似乎左右对称的装置中观测一个物理的赝标量！”
他们注意到，有一个赝标量是螺旋度，或者说自旋-动量关联。是某个动量在某个自旋方向的分量的平均值。如果宇称守恒，螺旋度为0；如果宇称不守恒，螺旋度不为0。
他们想到，一个简单的验证方法是，对于一个自旋给定的原子核（叫做极化原子核），测量它β衰变向上发出的电子与向下发出的电子是不是一样多。如下图所示，向右上和向左下这两个过程互为宇称变换(P)，如果宇称守恒，两个过程的概率相等，也就是说，在很多这样的原子核发出很多电子时，这两个方向发出的电子数相等。实验上，可以测量非对称性，定义为两种电子数之差除以两种电子数之和。
极化原子核的β衰变，左右两个情况中，电子向相反方向发出，两者互为宇称(P)变换。
在布鲁克海文实验室，哥德哈伯（Maurice Goldhaber）向杨振宁建议用极化钴60原子核的β衰变来做这个实验，因为前几年牛津大学的一个低温物理研究组用低温技术实现了极化。
在哥伦比亚大学，李政道再次找吴健雄讨论，问她有没有人测量过螺旋度这样的赝标量。吴健雄说没有，建议用极化钴60原子核，因为她对这项技术已经关注了几年，而钴60的自旋性质不会导致衰变时降低可能的非对称性。
1980年代，李政道回忆了第一次与吴健雄讨论时，吴健雄借书给他；第二次，与吴健雄讨论自旋-动量关联的测量，所以吴健雄1973年关于赝标量讨论的回忆是指第二次，她没有提第一次借书之事。
所以极化钴60成了杨振宁和李政道的论文里面讨论的一个可能的实验系统。他们还讨论了介子和超子作为可能的实验系统。首先，宇称不守恒会给Λ超子带来电偶极矩。第二，考虑π子撞击质子，产生Λ超子，然后Λ超子衰变成π子和质子，用入射π子、Λ超子和产物π子这三个粒子的动量构成三重积，这是一个赝标量，测量这个赝标量的取值分布是不是对称的，就可以检验宇称是否守恒。
杨振宁受某个讨论启发，又加入了第三个实验，考虑π衰变为μ，再衰变为电子，如果宇称不守恒，μ的自旋多半沿着运动方向，从而类似极化原子核，电子的分布也就不对称, 还提到类似过程衰变为，再衰变为质子。
顺便插一句，在密切的科研合作中，常常合作者不分彼此，一人说出的论断可能建立在合作者的想法和意见之上，一人的反对也可能像自己的慎重考虑，甚至为了周全而故意提出反对意见，被称作“魔鬼代言人”。
吴实验的准备
吴健雄建议用极化钴60后，立即想到，这个实验对于一个β衰变实验家来说，是一个黄金机会，不应该放弃，即使实验做出来后，宇称是守恒的，也是有意义的，因为给出了一个宇称破坏的上限。她还觉得，自己必须在物理学界其他人意识到重要性之前，立即做这个实验。为此她放弃了原定的参加日内瓦的国际会议，然后回远东的旅行计划，而让她的丈夫袁家骝独自去，即使这本来将是她离开中国20年后第一次回去。
然后她就开始准备实验。她注意到新版的核数据改变了钴60的自旋，如果确实，这意味着钴60并不像她原来考虑的那样适合用来检验宇称是否守恒。她与助手通过实验，确定了新版的自旋是不对的，原来的是对的。这也反映了吴健雄的科学精神，不人云亦云。
吴健雄还向本系的低温组,特别是研究生布鲁斯?比尔瓦蒂了解低温技术，布鲁斯是她的研究生玛丽恩?比尔瓦蒂的丈夫。
极化的方法是将钴60原子嵌于顺磁晶体中，具体来说是硝酸铈镁（cerium magnesium nitrate，简写CMN）晶体。低温下，较弱的磁场就使得顺磁晶体中的未配对电子沿某个方向排列，从而通过超精细相互作用，使得原子核的自旋确定在这个方向。这就是所谓的Rose-Gorter方法。通过绝热退磁实现低温，因为绝热情况下，温度正比与磁场。极化的程度通过β衰变产生的γ射线的各向异性来探测。
吴健雄发现，这个实验面对两个挑战，一个是要将电子探测器放在液氦温区的低温恒温器中工作，另一个是要将钴60放在薄的CMN晶体表面层，极化要维持足够长的时间。也就是说，低温技术必须与β衰变研究有效地结合。
吴健雄曾邀请伽温（Richard Garwin）合作进行这个实验，因为他正在做退磁制冷机。但是伽温没有接受，因为忙于超导计算机项目。
1956年6月4日，吴健雄打电话给华盛顿的国家标准局的安伯勒（Ernest Ambler），邀请他合作，安伯勒热心地接受。在此几年前，牛津大学的科柯蒂（Nicholas Kurti）领导的低温物理小组实现钴60的低温极化时，而论文第一作者正是安伯勒，他是柯蒂的研究生。
6至7月，吴健雄和研究生玛丽恩做了一些准备工作，包括测试β探测器，考虑很多技术问题，如哪种闪烁计数器适合、光导头的形状、如何将有机玻璃光管道引出低温恒温器，能否将计数器留在低温恒温器里，磁场如何影响计数，等等。这期间，李政道-杨振宁论文6月22日收稿。
7月24日，吴健雄致信安伯勒，告知液氦温区下的β粒子探测实验的进展。31日安伯勒寄来低温恒温器的粗略图，然后去度假乐两周。8月，吴健雄又研究磁场对β计数的效应、β粒子被CMN晶体的散射。
9月中旬，吴健雄去华盛顿的国家标准局，与安伯勒会面。胡德森（R. P. Hudson）、海伍德（R. W. Hayward）、霍普斯（D. D. Hoppes）后来也加入合作。
吴健雄第三次去标准局时，带去两个嵌有钴60原子核的CMN晶体，一个是薄的，其中钴60原子核均匀分布；另一个是厚的，钴60原子核只嵌于表面。前者发出的光子的各向异性分布将给出钴60原子核极化的信息，后者发出的电子的分布就给出宇称的信息。
吴实验的进行
10月1日，吴健雄和研究生在哥伦比亚大学准备的恒温器和光导管被带到华盛顿的标准局，实验开始。10月份进行了多次退磁实验。整个合作组都付出很大努力。吴健雄和研究生比尔瓦蒂夫妇经常来到标准局参加实验工作。
12月上旬，实现了厚的CMN晶体中的钴60的极化，但是却不能实现薄的CMN晶体中的钴60的极化。为解决这个问题，他们决定将薄的CMN晶体放入大的CMN单晶做的“房子”中。在哥伦比亚大学，借助化学助理弗莱什曼找到的信息，玛丽恩?比尔瓦蒂和吴健雄生长了所需要的晶体。
12月13日，在标准局。用这些晶体做成了“房子”, 吴健雄亲自分析测量数据。
吴健雄1973年回忆，1956年12月中旬合作组首次看到很大的非对称信号，就是说，向上和向下发出来的电子数目大不一样。但是吴健雄认为，在对外宣布前，需要做系统的核实，排除其他因素。某个周四，在哥伦比亚物理楼经过李政道办公室时，遇到李政道和杨振宁，被问起实验情况，告诉他们效应很大，而且可重复，但是交代，这只是初步结果。杨振宁问，有没有人计算伽莫夫-特勒作用项和费米作用项的干涉。
吴健雄说她组里的莫里塔算过，她很高兴钴60β衰变纯粹是伽莫夫-特勒型，否则观测到的非对称性会大减。一周后，合作组开始排除其他可能因素。
根据实验组的记录本，12月22日，吴健雄在场时，合作组观察到一些β衰变各向异性的迹象，但是还不能重复。吴健雄1973年回忆，她1956年圣诞节前夜在纽约火车站给李政道打电话，告知实验结果，李政道也说“我记得清楚极了，那是圣诞节前夜。”那么可以根据实验组记录本判断，电话告知的应该是22日观察到的各向异性迹象。
12月27日，合作组终于观察到明确的β衰变不对称，即宇称不守恒的迹象。当时吴健雄并不在场。胡德森回忆，28日安伯勒电话告知吴健雄，吴健雄又将消息告诉李政道和杨振宁。
伽温1973年回忆：“哥伦比亚大学物理系的很多的物理和直接交流发生于星期五的一个中餐馆的午餐桌。1956年12月底，在这样的一次午餐中，我们得知了吴教授的钴60实验中的宇称不守恒的正结果。
”12月底的周五正好就是12月28日，所以如果胡德森和伽温的回忆都无误，可以推测，吴健雄12月28日从安伯勒电话中得到消息，可能同事们从当天的午餐会上就了宇称不守恒迹象的消息。伽温1996的一个电子邮件中说，12月28日吴健雄本人简要汇报了实验结果。不过2022年我问伽温，是不是12月28日的午餐会上就有吴健雄实验正结果的消息，他说：“我不知道。
”所以，“12月底”之说也不无可能是粗心写下，实指1月4日。
杨振宁1983年回忆：“1956年秋，吴健雄领导的哥伦比亚-标准局实验令人满意地取得进展。她往返于纽约和华盛顿，保持让我们了解实验进展。圣诞节前后，她终于说，他们正在得到表明β衰变中宇称不守恒的非对称性，但是她警告说结果还很初步，因此我们不应该传播消息。我们没有，但是小道消息还是传播起来，我们接到好多电话询问或提供信息。
更多的检查证实了初步的结果，吴和她的合作组揭开了保密的面纱，冲击波传遍了物理学界。那是1957年新年前后。
1957年1月2日至12日，吴健雄在标准局。1月4日，根据实验结果，吴健雄计算出非对称参数几乎达到-1，也就是说，绝大部分电子都向与钴60极化方向相反的方向运动。
吴健雄一定当天将结果立即告知了李政道和杨振宁，因为莱德曼回忆，1月4日李政道在周五同事午餐会上介绍，吴实验的效应很大。
1983年杨振宁说：“1月5日，我给在维京（Virgin）岛度假的奥本海默发了个电报：‘吴实验给出了大的非对称性，说明G和G’相等。因此中微子是二分量波函数。”最近我得到这份电报的照片。电报正文中还有一句：“这是一个纯粹的螺丝（This a pure screw）。致意（Greeting）。”
“纯粹的螺丝”意思是中微子全是左旋的，螺旋度总是等于动量值；反中微子完是右旋的，螺旋度总是等于负动量值。这就是中微子的二分量理论。
杨振宁1957年1月5日发给奥本海默的电报
吴实验的结果说明中微子二分量理论的正确。杨振宁和李政道在夏天已经做了宇称不守恒前提下的中微子二分量理论，但是没有投稿，因为实验上还不知道宇称是否守恒。现在他们将此文章投出，1月10日收稿。
另一方面，根据李政道、欧米（Reinhard Oehme）和杨振宁三人刚完成的关于3种分立对称性（宇称、时间反演、电荷共轭，即正反粒子）的分析，吴实验发现的那么大的宇称非对称性也说明电荷共轭对称也是违反的。他们三人的理论文章1月7日收稿。因此，吴实验不仅发现了宇称确实不守恒，还推动了杨振宁和李政道的理论工作。
后续
前面提到，杨振宁和李政道的文章里，还建议了用π衰变为μ，再衰变为电子这样的级联衰变过程（π-μ-e），宇称不守恒就导致电子的分布也不对称。他们敦促莱德曼做这个实验，因为他在哥伦比亚大学的Nevis实验室经常与这个过程打交道。莱德曼不大愿意做，因为忙于其他实验，也因为担心宇称破坏效应很小，在级联衰变中效应也就更小。
莱德曼1994年回忆：“李宣布吴正在得到的大的对称破坏的结果，而之前人们认为宇称破坏的是小的。因此，那天晚上在开车去Nevis实验室时，我思考了大的效应对π-μ-e级联过程的后果。到实验室后，我检查了温瑞奇的缪子寿命实验后，我意识到，我们可以简单地将这个实验改为检验宇称。”
伽温1973年的回忆中，在上面“12月底”之说后面，又写道：“1月4日，我在Poughkeepsie,没参加每周一次的午餐。
我8点左右回到家时，接到莱德曼的电话。他想出一个方法，利用以下熟知的事实，即从飞行的π子向前发出的缪子的能量比向后发出的缪子的能量高，得到极化的缪子……如果宇称真的不守恒，这些缪子已经极化了！我建议我们15分钟后在回旋加速器碰面。”当晚，莱德曼与伽温、温瑞奇立即开始实验。这一夜主要用于摸索实验方法。早晨6点，因为到了周末，机器停下。周一白天又是机器维护，他们半夜才开始数据采集。
凌晨3点，还没看到宇称破坏的迹象，莱德曼回家。但是3个小时后，宇称不守恒以22个标准偏差呈现出来，证明了宇称不守恒。莱德曼立即打电话给李政道：”宇称定律已死。”这是8号凌晨6:00。
现在出现了一个危机，吴实验推进了杨振宁和李政道的理论，引发了π-μ-e实验，伽温-莱德曼-温瑞奇结果已出，但是吴实验本身结论还没有完成最后确认！这段时间是合作组最紧张的阶段，但是合作组不松懈，直到排除其他因素，完全确认结果。10号凌晨庆祝宇称破坏。后面2天又做了控制实验。12号下午，合作组对论文最后定稿。
1月15日, 哥伦比亚大学在拉比的办公室召集了新闻发布会，拉比主持，吴健雄、安伯勒、海伍德、胡德森、伽温、莱德曼、李政道、杨振宁参加。次日纽约时报头条报道。两个组的论文1月15日投稿，2月15日背靠背同时发表，吴组的文章在前。
弱相互作用中宇称不守恒是由吴健雄小组首先发现的。伽温-莱德曼-温瑞奇实验是在知道吴健雄的结果以后才做的。他们的文章最后声明：“我们感激吴健雄教授关于钴60的初步结果的报告，这在本实验前于哥伦比亚大学的讨论中扮演了重要角色。”
1997年，伽温和莱德曼重申，他们的实验是由吴在1月4日星期五的午餐报告激发,并从当天晚上到1月8日做出来的,同时也作证吴是钴60实验的发起者。这里说的吴的午餐报告应是李政道的，因为莱德曼的书上有详细描述，而且吴健雄那几天在华盛顿。
另外，芝加哥大学的泰莱格第和弗里德曼从夏天开始独立进行π-μ-e实验，但是进行很慢。他们的探测基于乳胶法，而伽温-莱德曼-温瑞奇实验的探测是基于伽温符合计数器等电子学方法。泰莱格第和弗里德曼在知道有关吴健雄实验和伽温-莱德曼-温瑞奇实验的消息后，匆忙投稿，但是置信度不够，所以经改进后，迟了一期才发表。
1957年，李政道、杨振宁、斯坦伯格、芬博格、卡比尔和合作者仔细分析了超子衰变的宇称问题。接着，斯坦伯格组实验确认，在超子衰变中宇称确实不守恒。理论文章引用了斯坦伯格组1956年的文章，实验文章反而没有引用。
1957年到1958年，有一些β衰变电子的双散射实验也展现出宇称不守恒。莫特1928年指出，由于自旋-轨道耦合，电子相继被两个库伦电场散射时，散射截面正比于由电子源和两个散射点所决定的一个矢量与自旋的标量积，这就是一个赝标量，因此它在两个相反方向的不相等就代表了宇称不守恒。
1958年，哥德哈伯、格罗津斯、桑亚尔用中微子的纵向极化研究宇称不守恒的程度。格罗津斯想到，会不会有早期的β电子其实已经显示宇称不守恒。他查到，1928年至1930年考克斯和他的学生蔡斯关于β电子双散射的一系列实验确实已经显示宇称不守恒。他们用放射性镭发出的β电子。但是，这些工作太超越时代，超越当时的物理，以至于被忽略。
小结
杨振宁和李政道经具体计算发现, 以前并没有实验证明在弱相互作用中宇称是否守恒，并指出几类弱相互作用关键性实验，以测试弱相互作用中宇称是否守恒，但是他们并没有说宇称一定守恒或者不守恒。事实上他们当时也提出了宇称守恒框架下的宇称双重态来解决θ-τ之谜。宇称是否守恒需要实验裁定。
长期以来，宇称守恒有着直觉吸引力，被当作自然、神圣的，而且非常有用，特别是在核物理方面。因此李政道-杨振宁的论文受到普遍的轻视、异议乃至嘲弄。吴健雄决定做钴60的β衰变实验，这需要极大的勇气。如果李政道-杨振宁论文对宇称是否守恒给出明确的理论预言，那么反而会有很多人抢做实验。
吴健雄最初决定去做这个实验，以及伽温-莱德曼-温瑞奇实验结果出来后吴健雄坚持继续对吴实验完成核实，都体现出吴健雄伟大的科学精神。合作者的贡献必不可少、非常重要，他们中有这样那样的不快。但是最重要的事实是，吴健雄发起、组织和领导了这个实验，是这个实验的灵魂人物。因此，这个实验被称为“吴实验”是恰当的。
杨振宁说：“吴健雄的工作以精准著称于世，但是她的成功还有更重要的原因：一九五六年大家不肯做测试宇称守恒的实验，为什么她肯去做此困难的工作呢？因为她独具慧眼，认为宇称守恒即使不被推翻，此一基本定律也应被测试。这是她的过人之处。”李政道说：“我对健雄讲了一下高能物理中K介子的θ-τ之谜，同时也讲了一下原因可能是宇称不守恒。假如宇称不守恒，β衰变中一定可以做出结果的。
怎么去检验?那天我们讨论了很多方案，用是健雄提出来的。我离开以后，她认为这是一个‘黄金机会’，也是对她的一个挑战。因为这类实验从来没有人做过, 虽然宇称这个观念在β衰变里已经用得很多了，而且大家都以为宇称守恒当然是对的，可是从来没有被检验过。所以这个实验是很难的，是一个挑战……健雄是个事业心很强的女性，她的个性、决断力也是很强的，而且极有毅力，为了科学事业她是很能舍却自己的利益的。
”宇称不守恒发现后，人们知道θ和τ是同一种粒子，叫做K介子。
吴实验证明弱相互作用中宇称确实不守恒，引起整个物理学界的巨大震荡，成为20世纪物理学最重要的实验之一。克罗宁因发现电荷共轭-宇称联合不守恒而获得1980年诺奖，他曾经说：“吴健雄的伟大发现开启了粒子物理的黄金时代。”当然，这个实验发现的缘起是杨振宁和李政道的伟大的开创性的理论突破。1958年普林斯顿大学授予李政道、杨振宁、吴健雄名誉博士学位。