世界熱消息：利昂·萊德曼：在那個周末的晚上，我想到了如何破壞宇稱

1957年1月4日，在哥倫比亞物理系傳統(tǒng)中式午餐聚會上，萊德曼從李政道那里聽得吳健雄正在進行的宇稱實驗正取得了初步成果。他想要通過另一種方法來驗證宇稱是否守恒——觀察自旋粒子π介子和μ子的衰變，正是李政道和楊振寧1956年論文中提出的其中一個實驗設(shè)想。當(dāng)天晚上，萊德曼構(gòu)思了實驗方案，如果成功，他們將看到“巨大的效應(yīng)”。在*The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?*一書中，萊德曼詳細(xì)回顧了這段經(jīng)歷，故事的結(jié)局是萊德曼和同事在四天內(nèi)就見證了“上帝的破壞”，并且等待吳健雄檢驗結(jié)果后一起發(fā)表論文。本文僅介紹萊德曼在開車路途中是如何想到把實驗的一連串奇跡變成現(xiàn)實的。

本文經(jīng)授權(quán)摘自《上帝粒子：諾獎大師寫給所有人的粒子物理趣史》（四川科學(xué)技術(shù)出版社，2022.6）中《間奏曲C：我們怎么在一個周末破壞了宇稱并發(fā)現(xiàn)了上帝》一節(jié)，有刪減，標(biāo)題為編者所加。

撰文 | 利昂·萊德曼（Leon M. Lederman） 、迪克·太雷西（Dick Teresi）

(資料圖)

翻譯 | 米緒軍、古宏偉、趙建輝、陳宏偉

校者 | 尹傳紅

我無法相信上帝竟然是一個軟弱的左撇子。

——泡利

所謂科學(xué)客觀性的測試，就是不要讓熱情影響到方法論和自我批評精神。

——利昂·萊德曼

上海餐館

又逢星期五。時間定格在1957年1月4日，中午12點。星期五是哥倫比亞大學(xué)物理系的教工們傳統(tǒng)的中式午餐日。10~15個物理學(xué)家先是聚集在李政道教授辦公室的門外，然后結(jié)伴從第120大街的普平物理樓向山下的第125大街和百老匯大街路口的上海餐館走去。午餐聚會始于1953年，當(dāng)時李政道剛剛拿到博士學(xué)位不久，從芝加哥大學(xué)來到了哥倫比亞大學(xué)。這時的他作為理論巨星，已有了極高的聲望。

星期五的午餐上人聲嘈雜，人們?nèi)齼蓛傻卣務(wù)撝?，享用著冬瓜湯的美味，品嘗著游龍戲鳳、小蝦球、海參或是其他辛辣的中國北方大菜。在1957年，這些菜還不算太流行。在去的路上，我們已經(jīng)很清楚這個星期五的交流主題了，那就是宇稱和我們哥倫比亞大學(xué)的同事、當(dāng)時正在華盛頓國家標(biāo)準(zhǔn)局指導(dǎo)一個實驗的吳健雄所帶來的最新消息。

在午餐會開始討論嚴(yán)肅話題之前，李政道先在一個恭敬的餐館領(lǐng)班遞來的小便箋本上點菜——每星期來吃飯他都要干這些瑣事。李政道點菜很有派頭，那真是一種藝術(shù)。只見他瞅了一下菜單、便箋本，用漢語向服務(wù)員問了一個問題，而后皺皺眉頭，提筆畫過紙面，認(rèn)真地寫了幾個符號。接著是另一個問題，在一個符號上做了一下改動。為了得到神的指引，他瞥了一眼錫制的浮雕天花板，然后，大筆一揮而就。最后再看時，他的兩只手都停在便箋本上，一只手五指伸開，傳遞著教宗對眾人的祝福，另一只手則握著鉛筆桿。一切盡在此間？陰陽和色香味的完美交融？把便箋本和筆都遞給服務(wù)員以后，李政道加入談話中來。

“吳女士打電話告訴我，她的初步數(shù)據(jù)表明了一個驚人的效應(yīng)！”他興奮地說。

讓我們回到那個一面墻上有塊鏡子的實驗室（上帝創(chuàng)造的那個真實的世界）吧。我們的一般經(jīng)驗是，不論我們對著鏡子舉起什么，不論我們在實驗室里做何種實驗——散射、制造粒子、像伽利略所做的那類重力實驗，等等——鏡中實驗室里的一切都遵從同樣的支配真實世界的各種自然定律。我們先來看一下違背宇稱守恒是如何表現(xiàn)出來的。為了給手性做一個最簡單的客觀測試，不妨找一個“特維洛”星球的居民，讓他使用一個右旋的螺釘?，F(xiàn)在，他面對著打洞的一端，順時針旋轉(zhuǎn)螺釘。如果螺釘鉆進一塊木頭里，則將其定義為右旋螺釘。顯然，鏡子里展現(xiàn)的是一個左旋螺釘，因為鏡子里的那位“特維洛”居民正在逆時針旋轉(zhuǎn)螺釘，且螺釘也鉆進去了。好，現(xiàn)在假設(shè)我們生活在一個不可思議的世界（比如《星際迷航》中的幻想星球）上。在這里不可能使用一個左旋的螺釘——完全與物理定律背道而馳。這樣，鏡像對稱將被破壞；右旋螺釘?shù)溺R像將不會存在，而宇稱守恒則被破壞。

這就是前奏。李政道和他在普林斯頓高等研究院的同事楊振寧建議檢驗一下弱相互作用下物理規(guī)律的有效性。我們需要右旋（或左旋）粒子的等價物。像機械螺釘那樣，我們需要把旋轉(zhuǎn)和運動方向組合起來。考慮一個自旋的粒子——μ子，把它看作一根繞著自己的中心軸自旋的圓柱體，我們就有了旋轉(zhuǎn)。因為μ子圓柱的兩端是完全相同的，我們不能說它是順時針自旋還是逆時針自旋。為了弄明白這一點，你可以把它放到你和你最喜歡的一個對手之間。當(dāng)你發(fā)誓說它是向右旋轉(zhuǎn)（順時針方向）的時候，他卻堅持它是朝左旋轉(zhuǎn)。沒有什么辦法爭出個你對我錯來。這是一個宇稱守恒的情況。

李、楊的天才就是：通過觀察自旋粒子的衰變，引入（他們想要檢驗的）弱相互作用。μ子的一個衰變產(chǎn)物是電子。假定大自然命令電子都只從圓柱的一端跑出來，這就給定了一個方向；而且，我們也就可以確定自旋的概念了——是順時針還是逆時針——因為一端已經(jīng)被定義（電子出來的方向）。這一端起到了螺釘釘尖的作用。如果相對于其剛剛衰變出來的電子，μ子的自旋方向向右（順時針），就像機械螺釘相對于釘尖的旋轉(zhuǎn)，那么我們就已經(jīng)定義了右旋的μ子?，F(xiàn)在，如果這些粒子總是按照定義的右手性方式衰變，那么我們也就有了一個違背鏡像對稱的粒子過程。這是我們在μ子的自旋軸平行于鏡面時看到的情形，鏡子中的像是一個左旋的μ子——但它并不存在（如下圖）。

鏡中實驗與宇稱守恒

雖然有關(guān)吳健雄的情況在圣誕假期前后就已經(jīng)傳開了，但新年后的星期五是放假后物理系的第一次聚會。1957年，吳健雄像我一樣在哥倫比亞大學(xué)任物理學(xué)教授，她是一名很有建樹的實驗科學(xué)家。她的研究專長是原子核的放射性衰變。她精力異常充沛，對學(xué)生和博士后要求很嚴(yán)格。在分析實驗結(jié)果時，她也相當(dāng)仔細(xì)、認(rèn)真，她發(fā)表的實驗數(shù)據(jù)以準(zhǔn)確性高而廣受贊譽。

1956年夏天，當(dāng)李政道、楊振寧挑戰(zhàn)宇稱守恒的正確性時，吳健雄幾乎馬上就著手驗證。她選擇不穩(wěn)定的放射性原子鈷60的原子核作為實驗對象。鈷60的原子核會自發(fā)地衰變?yōu)橐粋€鎳核、一個中微子，以及一個帶正電的電子（正電子）。我們能“看到”的是，鈷核會突然放射出一個正電子。這種形式的輻射被稱為β衰變，因為在這個過程中放射出來的電子不論正負(fù)最初都被稱為β粒子。為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象呢？物理學(xué)家稱其為弱相互作用，并認(rèn)為有一種可以引起這種反應(yīng)的力作用在自然界中。力不僅僅是推和拉、吸引和排斥，還可以引起物質(zhì)種類的改變，如鈷變成鎳并輻射輕子的過程就是這樣。從20世紀(jì)30年代起，大量的反應(yīng)被歸因于弱相互作用。偉大的美籍意大利科學(xué)家費米率先給出了弱相互作用的數(shù)學(xué)形式，這使得他可以預(yù)言像鈷60發(fā)生的這種反應(yīng)的許多細(xì)節(jié)。

李政道和楊振寧在他們于1956年發(fā)表的論文《弱力中的宇稱守恒質(zhì)疑》里，挑選了一系列反應(yīng)，并檢查了實驗中宇稱——鏡像對稱——不受弱相互作用支持的蛛絲馬跡。他們感興趣的是從自旋的原子核里放射出的電子的方向。如果電子更偏愛其中一個方向，那就像是給鈷核穿上了縫有紐扣的襯衫。這樣的話，我們也就能夠說出哪個是真實的實驗，哪個是鏡像了。

是什么區(qū)別了普通的科學(xué)工作和偉大的思想？對一首詩、一幅畫、一支曲子也可以問類似的問題——實際上，甚至連法律訴狀之間也會有天壤之別。藝術(shù)作品要靠時間去最終裁定；而在科學(xué)中，一個思想、一種觀念的對錯則要由實驗來判定。如果它是光輝的思想，那么往往就會開辟一個新的研究領(lǐng)域，催生一大批新的問題，而一大堆老問題則迎刃而解。

李政道思維縝密，無論是午餐時的點菜，評論一些中國古瓷器，抑或是評價一個學(xué)生的能力，他的觀點都鋒棱嶄然，有如巨匠運斤，不差分毫。在李政道和楊振寧（我不是很了解楊振寧）關(guān)于宇稱的論文里，那寶貴的思想就有許多尖銳的觀點。他們靠中國人的那股子沖勁，質(zhì)疑一個曾經(jīng)認(rèn)為是牢不可破的自然定律。李政道和楊振寧意識到，所有這些已導(dǎo)致“構(gòu)造完善”的宇稱定律的大量數(shù)據(jù)，與引起放射性衰變的自然現(xiàn)象即弱相互作用毫無關(guān)系。這又是一個閃光而尖銳的觀點：它第一次讓我們明白，自然界不同的力可以有不同的守恒定律。

李政道、楊振寧挽起袖子上陣，汗水涔涔，靈感不斷。他們查驗了大量有希望用來測試鏡像對稱的放射性衰變反應(yīng)。在論文里他們還十分細(xì)致地分析了可能的反應(yīng)，以便保持沉默的實驗家能夠檢驗鏡像對稱是否有效。吳健雄設(shè)計了其中的一個實驗，她使用的是鈷的反應(yīng)。她的方法的關(guān)鍵是確保鈷核——哪怕只有很少的一部分鈷核——能以同樣的方式自旋。吳健雄提出：要確保這一點，可以讓鈷60源在極低溫度下工作。她的實驗極其精密，需要用到很難找到的低溫裝置。為此她求助于國家標(biāo)準(zhǔn)局——那里擁有非常先進的自旋調(diào)節(jié)技術(shù)。

那個星期五宴席上的倒數(shù)第二道菜，是用黑豆醬油加上蔥和韭菜燜出的大鯉魚。在上這道菜的時候，李政道反復(fù)強調(diào)了這一關(guān)鍵信息：吳健雄發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)非常顯著，超出我們期望的10倍以上。雖說數(shù)據(jù)還沒有看到，是試探性的，而且還很初步，但（李政道給我夾了魚頭，他知道我喜歡）如果效應(yīng)的確非常顯著的話，就像我們所期待的那樣，如果中微子是兩種成分……我聽著聽著就走神了，不知道他繼續(xù)在說些什么，因為一個新的想法漸漸地浮現(xiàn)在我的腦海里。

巨大的效應(yīng)

午餐之后還有一個專題研討會、系里的一些例會、一個社交茶話會，以及一個學(xué)術(shù)討論會。所有這些活動我都心不在焉，心里一直掛念著吳健雄正在觀察一個“巨大的效應(yīng)”。8月份李政道在布魯克黑文的談話，讓我想起了宇稱會在π介子和μ子衰變時缺失的那個想法。我們一度忽略了它。

巨大的效應(yīng)？8月份我曾經(jīng)粗略地看過π-μ衰變鏈，并且意識到應(yīng)該設(shè)計一個合理的實驗，要在兩個連續(xù)的反應(yīng)中有宇稱破壞。我一直在回憶8月份我們曾經(jīng)做過的計算。然而，倘若效應(yīng)非常顯著的話……

下午6點左右，我驅(qū)車向北行駛，回到位于多布斯費里的家中吃晚飯。然后，又在這個寂靜的夜晚前往哈得孫河畔歐文頓的尼維斯實驗室跟我的研究生換班。尼維斯實驗室中的400兆電子伏加速器是生成介子及研究其性質(zhì)的主力干將，20世紀(jì)50年代，介子可是一種相當(dāng)新的粒子。在那些快樂的日子里，只有幾種介子值得關(guān)心，而尼維斯關(guān)注的是π介子和μ子。

在尼維斯實驗室，我們擁有高強度的π介子流，它們出自一個被質(zhì)子轟擊的靶。π介子并不穩(wěn)定，它們從靶里飛出，脫離開加速器，穿過屏蔽墻，再進入實驗廳，其間有大約20％的粒子經(jīng)歷了弱衰變，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€μ子和一個中微子。

π→μ+ν（在飛行過程中）

μ子通常與π介子沿同一方向飛行。如果宇稱規(guī)律被推翻，自旋軸的方向與運動方向一致的μ子數(shù)量，就會多于自旋軸的指向與其飛行方向相反的μ子的數(shù)量。如果效應(yīng)巨大，大自然或許會給我們提供粒子全都以同樣方式自旋的一個實例。這就是吳健雄把鈷60冷凍在溫度極低的磁場里的情形。關(guān)鍵是要觀察到已知自旋軸方向的μ子衰變?yōu)橐粋€電子和一些中微子。

靈感誕生于途中

星期五晚上，從索米爾河公園路驅(qū)車向北，一路上車水馬龍，甚是繁忙，沿途能夠模模糊糊看到為森林所覆蓋的美麗丘陵。這條路沿著哈得孫河蜿蜒曲折，經(jīng)過里弗代爾、揚克斯徑直向北。途中我盤算著可能的“巨大效應(yīng)”，不時有一種豁然開朗的感覺。

對于自旋的物質(zhì)來說，如果有任何一個方向的自旋軸在粒子衰變中占優(yōu)勢，那就會呈現(xiàn)出這種效應(yīng)。一個不明顯的效應(yīng)可能是，相對于自旋軸的方向，在一個方向上射出的電子有1030個，而另一個方向有970個，這就很難下結(jié)論。但一個巨大的效應(yīng)就是說1500∶500，這樣情況會簡單得多。這個幸運的巨大效應(yīng)還將有助于安排μ子的自旋。要做這個實驗，我們需要所有μ子都朝一個方向自旋的實例。由于粒子要從回旋加速器運動到我們的裝置里，因此μ子的運動方向可以作為μ子自旋的參照。我們需要大多數(shù)μ子都是右旋的（或者都是左旋的，這無關(guān)緊要），現(xiàn)在把運動方向看作“大拇指”。μ子將會飛出去，通過幾個計數(shù)器，最后在一個碳塊里停下來。而后我們數(shù)出有多少電子沿著μ子的運動方向出現(xiàn)，又有多少電子以相反的方向出現(xiàn)。數(shù)量的巨大差異將是宇稱破壞的證據(jù)。然后，我們就會聲名遠(yuǎn)揚，好運不斷！

突然，一個念頭攪亂了這個普普通通、安寧靜謐的星期五夜晚，我想我們可以輕而易舉地做這個實驗。我的研究生馬賽爾·溫里克（Marcel Weinrich）一直在做一個跟μ子有關(guān)的實驗。他的實驗裝置稍加改造就可以用來尋找那個巨大的效應(yīng)。這時我又回顧了用哥倫比亞大學(xué)的加速器制備μ子的方法。作為這方面的專家，很多年以前我就跟丁洛特一道設(shè)計過外來的μ子和π介子束，那時的我還是個魯莽的研究生，而機器也是嶄新的。

我的腦海里浮現(xiàn)出了整個過程：一座加速器，帶有一塊重達4 000噸的磁體，圓形磁極的直徑約有20英尺，加速器里面夾著一只巨大的抽空了空氣的不銹鋼箱子，即真空腔。一個由微小管道注入的質(zhì)子流進入磁體的中心。質(zhì)子在很強的射頻電壓下反復(fù)沖刺，螺旋式前進。當(dāng)粒子到達螺旋式旅途的終點時，已經(jīng)具有400兆電子伏的能量。在真空腔的邊界附近，我們的磁體基本上鞭長莫及的地方，一根載有石墨片的小棒等著被高能質(zhì)子轟擊。它們所具有的4億伏高壓，足以使這些高能質(zhì)子在與石墨靶上的碳原子核相撞時產(chǎn)生新的粒子——π介子。

此刻我仿佛正目不轉(zhuǎn)睛地注視著π介子在質(zhì)子的沖擊下向前噴射的一幕。它們在回旋加速器強大磁體的磁極間誕生，沿著一條舒緩的曲線飛掠而出，消失在回旋加速器之外。那里隨即出現(xiàn)了μ子，繼續(xù)著π介子的未盡之旅。磁極片外迅速消失的磁場使μ子沿著隧道穿過10英尺厚的混凝土防護墻，來到實驗大廳，在這里我們已經(jīng)恭候多時了。

實驗室里，馬賽爾正在啟動設(shè)備。μ子會慢慢地落到一個3英寸厚的濾波器里，然后被送到一塊含有各種元素的1英寸厚的材料里暫存。μ子會與材料里的原子溫和地碰撞而失去能量，并由于帶有負(fù)電荷而最終被帶正電荷的原子核俘獲。由于我們不想讓任何東西影響μ子的自旋方向，而被俘獲進軌道則是毀滅性的，所以我們要使用帶正電荷的μ子。帶正電荷的μ子會做什么呢？可能就是在那里默默自旋直到衰變。材料必須謹(jǐn)慎選取，碳看起來就很合適。

現(xiàn)在，一個關(guān)鍵的想法浮現(xiàn)于我這個在1月的某個星期五驅(qū)車北行的司機的腦海里。如果在π介子衰變時產(chǎn)生的所有（或幾乎所有）μ子能夠以某種方式把自旋調(diào)整成同一方向，那就意味著π介子到μ子的反應(yīng)違背了宇稱守恒，并且是嚴(yán)重地違背。一個巨大的效應(yīng)！現(xiàn)在，假設(shè)μ子沿著優(yōu)美的弧線飛出機器穿過隧道的時候，它們的自旋軸與運動方向保持平行（如果g因子接近2，這就是會發(fā)生的實際情況）；再進一步假設(shè)，μ子與碳原子發(fā)生的數(shù)不清的溫和碰撞，在使自己逐漸慢下來的同時，并不影響自旋與運動方向之間的關(guān)系。如果這一切真的發(fā)生了，那就太離奇了！我就會有了一個讓μ子進入材料塊里暫存，并以相同方向旋轉(zhuǎn)的方案。

看起來，一個成功的實驗似乎需要一連串的奇跡。的確，當(dāng)8月份李政道和楊振寧宣讀他們那蘊含著小效應(yīng)的論文時，因為需要這種一連串的奇跡而讓我們感到灰心喪氣。一個小效應(yīng)還可以被耐心征服，而兩個連續(xù)的小效應(yīng)——如百分之一的百分之一——則會讓實驗希望渺茫。為什么是兩個連續(xù)的小效應(yīng)呢？回想一下，大自然得提供這樣的π介子，它們能衰變成自旋方向大體一致的μ子（奇跡一）；μ子還必須能衰變成這樣的電子，它們相對于μ子的自旋軸明顯不對稱（奇跡二）。

經(jīng)過揚克斯收費站（1957年時收費5美分）的時候我變得激動萬分。我真的感到非?？隙ǎ绻罘Q破壞是明顯的，那么μ子就是極化的（自旋軸指向同一方向）。我還弄明白了μ子自旋的磁特性，乃是由于磁場作用把其自旋方向都“扳”到粒子運動方向上去的緣故。至于μ子進入吸收能量的石墨以后會發(fā)生什么事情，我還沒有太大的把握。如果我弄錯了，那μ子的自旋軸就會五花八門。真要是那樣的話，就無法觀察電子相對于自旋軸的放射了。

讓我們再來回顧一下。π介子的衰變產(chǎn)生了自旋方向與運動方向一致的μ子，這是奇跡的一部分?，F(xiàn)在我應(yīng)該讓μ子停下來，以便觀察它們衰變時放射出來的電子的方向。由于我們知道它們在撞擊碳塊之前的運動方向，所以，假如沒有什么東西使它們發(fā)生轉(zhuǎn)動的話，我們就會搞清楚它們停下來發(fā)生衰變時的自旋方向。現(xiàn)在要做的事情，就是在碳塊周圍轉(zhuǎn)動我們的電子檢測臂，那里μ子正等著檢查鏡像對稱呢。

我重新思考著要做的事情，手掌心開始出汗。計數(shù)器全都有了。那些告訴我們高能μ子到達后緩慢進入石墨塊的電子器件，現(xiàn)在已經(jīng)就位并順利通過測試，用于檢測μ子衰變產(chǎn)生的電子的由4個計數(shù)器構(gòu)成的“望遠(yuǎn)鏡”也有了。我們要做的事情就是把這些東西按一定的方式固定在一塊板子上，再把它圍繞石墨塊的中心安裝好。只需一兩個小時的工作。喔！可我覺得，我們又將度過一個不眠之夜！

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標(biāo)簽： 運動方向 宇稱守恒 弱相互作用