导读:李政道与杨振宁提出的弱相互作用下的宇称不守恒,经同为华人科学家的吴健雄与美国标准局合作的实验验证,是科学史上的重要篇章:对称主导物理是常态,但在弱相互作用下,镜像却不再对称。这一发现完全改变了人们固有的认知,堪称科学史上的一场观念革命。
本篇为资深科普作家邢志忠在《赛先生》的专栏“标准模型小史”的第七篇。
1947年,英国曼彻斯特大学的乔治·罗彻斯特和柯利佛德·巴特勒在众多云室照片中发现了两张由宇宙线轰击大气层所导致的次级“V”字型事例,后者可以解释为一个不稳定的电中性粒子衰变成携带正反单位电荷、在磁场中分道扬镳的介子。该反应背后神秘的电中性母粒子就是如今熟知的介子,它和自己的反粒子以及带电伙伴介子在随后的近二十年中,将粒子物理学带入了一个崭新的时代。
与这些新粒子密切相关、具有里程碑意义的重大发现和进展包括:基于对称性的夸克模型的建立、弱相互作用中宇称(Parity,简称P)不守恒的发现、以及电荷共轭(charge-conjugation)与宇称联合变换对称性(简称CP)破坏的发现。
宇称在粒子物理学中是一种只能取分立值、遵守相乘规则的量子数。
如果某一粒子的波函数在镜像反射变换或者空间反演变换下保持不变(或改变符号),则定义该粒子具有“偶”宇称(或“奇”宇称)。长期以来,物理学家们普遍相信宇称在电磁、强和弱相互作用过程中都是守恒的;直到1956年底和1957年初,这种信念才在无可争议的实验事实面前发生了根本性的改变——弱相互作用其实最大程度地破坏宇称!
引领这场观念革命的两位理论物理学家,就是当时仍持有中国护照、年仅30岁的李政道和34岁的杨振宁。他们二人因此于1957年获得诺贝尔物理学奖,成为有史以来首次获得此项殊荣的中国科学家。
李政道出生于1926年11月24日,在1943年考入浙江大学,1946年赴美留学,就读于芝加哥大学,师从恩里科·费米。1950年获得博士学位后,李政道在多个研究机构从事理论研究,1956年成为哥伦比亚大学最年轻的正教授。
杨振宁于1922年10月1日出生在安徽合肥,1938年考入西南联大,1945年赴美留学,师从爱德华·泰勒,1948年获得博士学位,1949年进入普林斯顿高等研究院。1954年,他与罗伯特·米尔斯合作,推导出非阿尔规范场的理论结构,即著名的“杨-米尔斯场论”。
1956年,杨振宁与李政道合作,提出了弱相互作用宇称不守恒的革命性思想,成功地解决了当时困扰粒子物理学界的“−之谜”。
该“−之谜”指的是实验测量发现,携带一个单位正电荷的介子和反介子拥有完全相同的质量和寿命,但它们却分别衰变到3和2末态。李政道和杨振宁发现,尽管有诸多的实验证据表明宇称在电磁和强相互作用过程中是严格守恒的,但是对于弱相互作用而言,宇称守恒只是一个外推式的假设,并没有得到任何直接实验证据的支持。
1956年6月22日,李政道和杨振宁向《物理评论》期刊提交了题为“弱相互作用中宇称守恒的问题”的论文,成为粒子物理学发展史上的一篇极其重要、影响深远的文献。1957年1月15日,哥伦比亚大学为本校的两组实验物理学家举办了一场史无前例的“科学”新闻发布会,吴健雄和莱德曼两个团队分别报告了他们的独立而相互认证的重大科学发现:宇称在弱相互作用中的确是不守恒的!
1957年1月17日,沃夫冈·泡利写信给维克托·魏斯科普夫,强烈质疑宇称在弱相互作用中不守恒的结论,声称自己不相信上帝是一个软弱无力的左撇子。泡利和理查德·费曼都曾对实验结果表示怀疑,但最终实验结果证实了宇称不守恒的事实。
基于自己的理论猜想和吴健雄的初步实验结果,李政道和杨振宁于1957年1月上旬完成了一篇论文,提出了中微子的二分量理论。他们认为宇称在弱相互作用过程中会发生最大程度的破缺,因此中微子只拥有左手螺旋度。与此同时,苏联理论物理学家列夫·朗道也完成了一篇探讨弱相互作用宇称不守恒的论文,假设中微子质量为零。
虽然李政道、杨振宁、朗道和萨拉姆发表于1957年初的论文为理解中微子的弱相互作用属性提供了重要启发,但也在某种程度上冲淡了人们对中微子质量可能并不严格等于零的思考和探索的热情。最终,实验结果证实了中微子确实拥有极其微小的质量,尽管对绝大多数弱相互作用过程的影响微乎其微。