李政道：吴健雄和宇称不守恒

赛先生 01-13 21:51

分类 :文化

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1997年2月16日，杰出的物理学家吴健雄教授逝世了。

1997年2月16日，杰出的物理学家吴健雄教授逝世了。噩耗传来，我悲痛不已。她是20世纪最杰出的物理学家之一，在实验物理学研究上取得了伟大的成就，对当代物理学的发展起了极重要的推进作用。她的逝世，不仅是物理学界的巨大损失。也是人类科学文化事业不可弥补的损失。我作为曾经与她长期合作共事的研究同道，更是伤悲难抑。这些日子里，我随袁家骝先生及他们的亲属，一起为她送行。半个多世纪的如烟往事，犹历历在目；健雄的音容笑貌，祟高品格，过人的智慧胆识，以及她对物理学的伟大贡献，更时时萦绕于怀。我禁不住要提笔写下这些永不磨灭的记忆。

1健雄非凡的科学成就

一提起笔，我先写下一个“想”字。把健雄一生中最重要的四篇科学论文填在了这个“想"字里。第一篇是她和她的学生一起做的Beta Decay Spectrum of 64Cu，第二篇是于1950年发表的Recent Investigation of the Shapes of Beta DecaySpectrum。在这两篇文章里，健雄用她的实验结果，对1934—1948年间物理学界在β衰变理论方面的研究工作做了一个总结，澄清了以前的谬误，否定了科诺平斯基—乌伦贝克(Konopinski-Uhlenbeck)的理论，确立了费米的理论，从而把β衰变研究推向一个新的阶段。在“想“字里填的第三篇文章是健雄发表于1957 年2月15日的Experimental Test of the Parity Conservation in Beta Decay。在这篇文章中，她以第一作者的身份，第一次用实验否定了宇称守恒定律，同时也否定了粒子-反粒子对称的假设。对称和守恒是物理学的基础，但这两个很重要的定律和假设都被健雄的实验推翻了。所以，这是一个划时代的实验。第四篇文章在这个“想”字的“心"里面，是1963年她和她的学生莫玮(L·W·Mo)和李荣根(Y·K·Lee，韩国人)一起写的。在电磁作用中，质子和中子的磁矩之差比相应质量的玻尔磁矩大4。7倍，被称为“反常值“(anomalous value)。健雄和她的学生发现在弱作用中有同样的现象，并且数值完全相等，也是4。7，我们叫做“弱-磁说”(weak-magnetism)。电磁作用和弱作用看起来完全不一样，作用的耦合系数也不同，但健雄他们的工作确立了电磁作用和弱作用结合的新概念，证明了弱作用的“流"和电磁作用的“流“有密切的关系，从而成为“里程碑"。这个“里程碑”后来促使电磁作用和弱作用相互统一为现在所谓的“电弱力“(electroweak force)。这项工作使我们能够把电磁作用和弱作用联系起来，与当初安培和法拉第把电和磁联系起来的工作(磁动生电，电动生磁)相比具有同等重要的价值。

这四篇文章是健雄在实验物理学方面最为突出的成就，这些成就现已成为当代物理学中不可缺少的组成部分。当然，我们要了解她，怀念她，不但要了解她对科学发展的伟大贡献，也要了解她是怎样从她当初的环境中奋斗出来的。这一点，年轻的学生尤其应该知道。

2健雄光辉的生平

健雄出生于1912年5月31日，与辛亥革命仅差了半年多一点。

那时候，西方式的教育体制在中国还没有正式建立起来，大部分女性由于得不到受教育的机会而只能呆在家中。健雄出生在江苏省苏州市太仓县的浏河镇。她的父亲吴中毅很注重对子女的培养，鼓励健雄去苏州上中学(见图2)。所以，健雄是个幸运者，她开明的父亲使她获得了读书的机会。1930年，健雄从苏州中学毕业。当时，胡适之是有名的学者，正在上海的中国公学讲学，健雄的父亲就要她到中国公学去学习。中国公学的人文学科比较强，健雄就选了胡适之先生的文学课。

20世纪50年代末到60年代初胡适之在纽约居住时，跟我谈起了健雄在中国公学的故事。他说，当时他发现他的班上有一位学生非常出色，每次提问都答得很好，习题也做得好，大考得一百分。所以在开校务会议时，他就向其他教授说，他班上有一个他以前从未碰到过的好学生。有位教社会学的马教授说他的班上也有位非常杰出的学生，社会学也考了一百分。另外还有一位教历史的杨教授也说：“你们的学生并不是唯一的好学生，我的班上也有个好学生，历史学也考了一百分。”这时，大家都很惊奇，怎么一下子出了这么多优秀的学生? 大家一对，原来他们的好学生名字都叫吴健雄。

虽然健雄的文学、社会学和历史学都考了一百分，可她真正喜欢的还是自然科学，而上海中国公学的理科不行。经胡适之先生鼓励，健雄自己决定，1930年她进了南京的中央大学。1934年从中央大学毕业后，第一年她在浙江大学，第二年在中央研究院物理研究所工作。当时物理所在上海。在上海，她遇到一位刚从密歇根回来的、学光谱学的顾静徽教授。她见健雄聪明过人，极力鼓励她去国外深造，并替她办好了去密歇根大学的手续。

1936年，吴健雄从上海坐船去美国旧金山，然后准备乘火车去密歇根州的安阿伯。离开旧金山之前，健雄到伯克利去拜访她的朋友林女士。在那里，她碰到了杨(Victor Young)。杨是加州大学伯克利分校的学生，一半时间演电影，一半时间在校学习。他得知健雄想学物理，就告诉健雄，伯克利的物理系非常好，就在学校背后的山上，叫“辐射实验室“(Radiation Lab)。于是，他们一起上山去辐射实验室参观，同去的还有另一位男同学。这位男同学就是袁家骝，三个星期前到美国的，也对物理感兴趣。

那天，他们参观了劳伦斯(E·Lawrence)发明的回旋加速器。劳伦斯对吴健雄说，你对物理有兴趣，现在核物理刚刚开始发展，是很有前途的;而光谱学是一个比较古老的学科，没有什么前途。所以，她应该留在伯克利，不要去密歇根。这位教授的劝说使吴健雄动了心，但是她也有顾虑：当时加州大学伯克利分校已经开学一个多月了，而密歇根大学下个星期才开学;在密歇根有奖学金，而且车票也买好了。劳伦斯很热心，他马上把系主任伯奇(R。Birge)请来。系主任说：“没有问题，我们保证你入学。尽管开学己经一个多月了，但像你这样聪明的女孩子是决不会有问题的。" 于是健雄就留在了伯克利(图3)。

关系一个人一生的重要事情，往往在某日某时平凡地发生，平凡得使人当时并不能意识到它的重要性。但事后回想起来，就会发现若没有那一天、那一时刻，可能自己的一生就会完全不一样。1936年9月去伯克利参观实验室的那天，就是对健雄一生有极大影响的一天。第一，她把己购的火车票退掉，不去安阿伯，而是留在伯克利;第二，专业的选择，从光谱学改成核物理;第三，碰见了六年后成为自己丈夫的袁家骝。

1940年，健雄在伯克利拿到物理学博士学位。之后，在史密斯学院(Smith College)女校教了两年书，然后在普林斯顿大学作深入的研究。1944年，她加入哥伦比亚大学，以后一直在那里从事教学和研究。1944—1946年间，泡利(W·Pauli)在普林斯顿高等研究院做教授。念物理的都知道泡利不相容原理。那时泡利常到纽约健雄和家骝家中作客。

3我和健雄的首次相晤

我到美国是1946 年，第一次见到健雄是在1948年，那时我是费米的理论物理博士研究生。1948年我从芝加哥到纽约去看望吴大猷老师，他当时在哥伦比亚大学和拉比(I·Rabbi)一起做实验。吴老师给我介绍了健雄，于是，我就跟她去了她的实验室。

健雄那时正在磨一个东西，我就问：“你在干嘛? ”当时，她正在一步步地纠正以前β衰变实验中的错误。她说要正确地做β衰变实验有两个秘诀：第一，使用的晶体表面一定要光滑，不能有脏东西;第二，电子要训练得特别好，使之不“straggling"(离散)。

她的“训练电子“的看法让我觉得非常新奇。搞理论的人是用薛定谔方程、狄拉克方程来理解和描述电子的状态和行为的，而真正做实验的人却是像对待猫、狗一样，细心爱护、训练电子。电子训练得好，晶体里面没杂质，从它们的行为中得到的数据才能告诉你实在的世界是怎么回事。所以，健雄的角度完全是一个实验物理学家的角度。我说：“这个‘训练电子‘的观念倒很有意思，很新鲜，不过你的结果是怎样的?”她说：“结果呢，是否定了科诺平斯基-乌伦贝克理论，而与费米的理论吻合。“我说：“这很好，反正费米的理论一定是对的。”我完全接受了她的结论。

从此，我与健雄建立起了长达半个世纪的非常亲密的工作和私人关系。

4关于证明宇称不守恒的实验

我现在讲一下她最重要的实验———宇称不守恒实验，这个实验是在1956年间进行的。那年春天，我曾到她的办公室去过。她的办公室很小，她把它叫做“my little office“(我那小办公室)。她那时在物理学上工作已极有成果，但还只是个副教授，而不是哥伦比亚大学的正教授。那时候，美国对妇女还是有歧视的。1956年我当时已是正教授了。在系教务会上我提出，像吴健雄这么一个世界知名的科学家(那时候她虽还没有做宇称不守恒的实验，但是她早已是β衰变领域的权威了)，应当升为正教授。会上的人居然全部都反对。我说，好，反对就反对，请每一位说出反对的道理。大家不讲，会就不散。会从两点开到五点多。讨论了很久，有位库施(P·Kusch)教授表示赞成，加入到我的一方。经极力游说，我的提议终以记名投票方式被通过，向校方提出。在她著名的证明在弱相互作用中宇称不守恒实验之后，哥伦比亚大学终于在1958年提升吴健雄为正教授。

在物理学中，宇称守恒意味着左跟右是对称的。

假如有两个系统，开始时互为对方的镜像，就是说它们的初态是完全一样的，只是左跟右不一样。宇称守恒是指，除了左右不一样以外，它们以后的发展应该完全一样。

可是1957年健雄的60Co实验结果表明，宇称守恒的观点与自然现象是不符合的。这当然是非常惊人的事情。

健雄的实验原理其实是非常简单的：假定有两个60Co装置，它们的初态是完全一样的，都没有极化。我们对它们都加一个电流，但是方向相反。这样就造成它们互为镜像，好像中间放了一面镜子。外加的电流使得60Co极化，由于电流方向左右相反，两个60Co的极化方向也就相反。两个60Co都衰变出电子，按通常的想法，它们衰变出来的电子数应该一样多，与外加电流的左右方向无关。但是结果却完全不一样。她的实验说起来非常简单，但要做这个实验，并不是一件简单的事情。1972 年，健雄自己把这段经过写了下来，并在普林斯顿的世界科学信息出版社发表了。下面是健雄的回忆。

1956年早春的一天，李政道教授来到浦品物理实验室第13层楼我的小办公室…… 他先向我解释了τ-θ之谜，以及它如何引起在弱衰变中宇称是否守恒的问题。他继续说，如果τ-θ之谜的答案是宇称不守恒，那么这种破坏在极化核的β衰变的空间分布中也应该观察到;我们必须去测量赝标量<σ·p>，这里p 是电子的动量，σ是核的自旋。……

在李教授的访问之后，我把事情从头到尾想了一遍。对于一个从事β衰变物理的学者说来，去做这种至关重要的实验，真是一个宝贵的机会，我怎么能放弃这个机会呢? ……

那年春天，我的丈夫袁家骝和我打算去日内瓦参加一个高能物理国际会议，然后到远东去旅行讲学。我们两个都是在1936年离开中国的，正好是在20年前。我们已经预订了伊丽莎白王后号的船票。但我突然意识到，我必须立刻去做这个实验，在物理学界的其他人意识到这个实验的重要性之前首先去做。虽然我感到宇称守恒定律是错误的可能性不大，但是我迫切要作一个明确的测试。于是，我请求家骝让我留下，由他一个人去。幸好，他完全理解事情的重要性，同意一个人离开。

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60Co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。

那年春天，在我们讨论之前约一个月，她跟袁家骝计划先到日内瓦，然后到远东，并己经在“伊丽莎白女王号“邮船上订了票。那时是1956 年，她是1936年离开中国的，已经整整20年没有回去过了。可是健雄想了一下，觉得不能错过这个机会，必须要做这个实验，她要把它检验(test)出来(图6)。所以她请家骝让她留在美国从事这项实验。家骝很支持她的决定，独自一人出行了。从这里也可以看出，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。一个人要成功，绝不是一件简单的事。

下面再回到健雄自己写的回忆：

5月底，春季学期一结束，我就认真地开始准备这个实验。……

9月中旬，我终于去了华盛顿特区，第一次会见了安布勒博士。……

在华盛顿做实验的间隙期间，为了教学和其他研究事务，我必须穿梭于华盛顿和哥伦比亚大学之间。

这短短的几句，背后是有很多故事的。我跟她谈话是在1956年4月底、5月初的时候。做60Co的实验需要低温条件，但她自己没有这样设备的实验室。于是，她写信给美国国家标准局(National Bureauof Standard)低温组的领头人安布勒(E·Ambler)，他也做过β衰变的实验。安布勒7月份回信对健雄说，他要度假，9月份才回来。于是，从5月到9月之间，健雄就在哥伦比亚大学的浦品实验室把探测的仪器做起来，同时生长硝酸铈镁(Cerium Magnesium Nitrate)晶体，用作60Coβ源的衬底。这样过了三个月。到9月他们开始合作时(图7)，健雄的准备工作已经相当充分了。

下面我们再回到健雄的回忆：

我记得清楚极了，那是圣诞节前夜。我在半夜里接到健雄打来的电话，她说实验结果证明宇称不守恒的参数很大。我说，好极了，这同我和杨振宁的两分量理论完全吻合。我问她：“你在哪里打电话?”她说是在火车站打的。我心里一楞，便对她说这太危险了，因为纽约的火车站半夜里是非常不安全的。那时在下大雪，飞机不通，她立刻改坐火车回来。一下火车，她就在火车站里给我打电话，因为她觉得结果非常重要。这种精神是令人钦佩的。

健雄在回忆录中继续说道：

这里请注意，到圣诞节末实验结果己经出来了，跟理论完全符合，按说应该可以发表了。但是，真正的实验科学家并不因为理论家说“very good“就完事了。最困难的是，在这之后还要重复再做，检查是不是有错误。所以健雄认为，1957年元月2日到8日，是最困难的时候，要全部检查，且大部分工作是手工操作。低温恒温器是用玻璃做的。封接玻璃的是一种黏黏的真空脂，它是由甘油和肥皂融化调合成的。但由于液氦是超流体，它会漏出来，于是又得重新来。做实验是很辛苦的。霍普斯就睡在仪器旁，其他人住在旅馆。一有事就打电话，无论什么时候，马上就去实验室。

健雄继续说道：

1月15日下午，哥伦比亚大学物理系召开了一个新闻发布会，向公众宣布，物理学的一个叫做宇称守恒的基本定律出人意料地被推翻了。第二天，《纽约时报》的头版头条的标题是：“物理的基本概念被实验推翻”。这一新闻在公众中爆开，迅速传遍全世界。

我们对于物理世界的结构的认识的突然解放压倒了一切，沿着这一方向的科研活动以前所未有的步伐前进。

物理实验的发展常常与技术的进步联系在一起，有时甚至是同步的。物理实验的发展同样也受物理观念的制约。譬如迈克耳孙-莫雷(Michelson-Morley)测量光速的实验，开始时则不那么准，经过十几年测量技术的发展，最后才得到较满意的结果。而宇称不守恒实验的情况则不同，当时它并没有受实验技术的制约，而是受到物理观念的制约。虽然，在过去有关β衰变的著作里，宇称等选择定则用得很多，也都与实验很符合，可是人们并不知道这些实验其实跟宇称守恒一点关系都没有，这是很难想象的。所以，当吴健雄的实验结果一出来，大家的观念变了，发现竟然有那么多的实验可以去做，不光是β衰变，用π介子、μ子、K 介子等等都可以做。以前认为宇称当然是守恒的，等发现宇称并不守恒的时候，观念变了，实验的进步就很快了。

1956年我和杨振宁在理论上建议了宇称不守恒，而实验上的确定是健雄做的。她的文章于40年前的2 月15 日发表在《物理评论》(Physical Review )第105 卷的第1413 页上。紧接着她的论文，加温(R。Garwin)、莱德曼(L。Lederman)和温里克(M。Weinrich)在第1415页上发表了π的μ子衰变和μ子的电子衰变，得到了同样的结论。在同一卷的第1681页，还有特莱格迪(V。Telegdi)和弗里德曼(J。Friedman)的文章，等等。在以后的半年之内，大概有几百个这方面的实验出来。

如果你把中微子拿来，动量沿左手大拇指方向，则中微子的自旋永远是沿左手其他四指弯曲的方向，我们称之为左手的中微子。假如你在镜子里面看中微子的话，则是沿右手大拇指方向前进的中微子，且自旋方向应该沿右手其他四指弯曲的方向。可是右手中微子是没有的，但反中微子是右手的。把粒子变成反粒子———中微子变成反中微子，然后左手变成右手，好像又对称起来了，这叫CP对称。C是粒子变成反粒子，P是左和右。在理论上建议CP不守恒的文章是我在1956年12月写的，发表是在1957年。事实上，这篇文章那天晚上刚刚完稿，健雄的电话就来了。我写文章的时候还不知道她的结果。

那时候K介子的物理概念和名词比较乱，θ、τ和K等不同的名词都被用过。因为有了这篇预测CP不守恒的文章，才建立了K0L、K0S的物理定义和意义。虽然这个预测是1957年发表的，在1964年才被验证。CP也是不守恒的，时间的过去和将来也不对称。这个实验很简单，但设计思路也是挺新奇的。K0L是一个圆形的自旋等于零的粒子，上标“0“表示它是电中性的。可以证明，不仅它的总电荷是零，而且它里面的任何一点都没有电磁作用。按理，它对电是没有一点贡献的。通常说，电子的电荷是负的，为什么呢? 因为质子的电荷是正的，要相吸才能生成原子。可质子的电荷为什么是正的呢? 因为电子的电荷是负的。因此，电荷的正、负当然是不一样的，可是在CP守恒的观念下，电荷的正负除了相对的意义是没有绝对定义的。而这个CP不守恒的实验却证明了相反的结论。虽然初态K0L对电磁作用完全是中性的，但在演变后它的终态是CP不对称的。测量它的衰变，得到不同数量的正电子和负电子。奇怪的是它们的数目比值差了千分之六。这差别不是相对的，而是绝对的。这就是CP破坏。CP破坏是非常重要的。因为我们的宇宙中主要存在的是带正电的质子和带负电的电子。如果CP守恒，我们就不会存在了。

到目前为止我们知道，如果把左变右，粒子变反粒子，过去变未来，叫CPT变换，这还是守恒的。从宇称不守恒开始，一大批的实验把很多量子数的守恒推翻了，其中最主要的之一是CP不守恒。

也许宇宙大爆炸开始的时候CP是对称的，可我们现在的宇宙绝对是CP不对称的，因为主要存在的都是中子、质子和电子。这就是说我们现在所以能存在是因为CP不守恒。CP不守恒跟我们人类的存在，地球的存在有极大的关系。可是，原因是什么，我们并不知道。追求CP不守恒的来源是目前物理的大问题之一。