弱相互作用中的宇称不守恒——杨振宁、李政道对科学的伟大的贡献，本文主要内容关键词为：相互作用论文,贡献论文,科学论文,李政道论文,杨振宁论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1956年10月，〈对弱相互作用中宇称守恒的质疑〉——一篇石破天惊的论文，一声响彻云霄震惊世界的华夏春雷！
1957年10月，举世瞩目的诺贝尔物理奖揭晓，两位年青的中国留美物理学家：年仅35岁的杨振宁教授和年仅31岁的李政道教授，以他们刚发表一年的那篇弱相互作用中宇称不守恒的理论，独占鳖头，荣获此世界科学界的科学巨奖！
世界科学界为之震动，世界物理学界为之喝彩！全球炎黄子孙扬眉吐气，全球华夏儿女同声欢呼：科学中国人，一定会为人类的科学事业作出更大的贡献！
在此新世纪曙光初绽之时，让我们重温一下杨振宁和李政道两位教授取得此一卓越成就的伟大科学历程，以激励我们为实现科教兴国，为实现科学技术现代化而奋斗的志气、士气与勇气。
一、对称性概念和它的科学分类
人们非常熟悉自然界与生活中的对称性。六角形的雪花，翩翩飞舞的蝴蝶，巴黎的埃菲尔铁塔，北京的故宫布局，都有各自的对称形态。在自然界千变万化的运动演化过程中，显示出各式各样的对称性。对称性是自然界普遍属性之一，对称性是人类生活中喜爱的原则之一。
自然界在演化过程中，不断有对称性发生破缺（遭受破坏），同时又显示出某些新的对称性。研究对称性是认识自然规律的一个重要方面。对称性的严格定义是由德国数学家魏尔（Hermann Weyl ）提出的：对一个事物进行一次变换后，该事物完全复原，则称该事物对所经历的变换是对称的。而该变换就叫对称变换。这里所谓的变换，是指一个物理系统（对象）从一个状态变到另一个状态的过程。
科学上根据变换的性质和所涉及的对象，将对称性进行分类。最基本最常见的两类对称性是空间对称性和时间对称性。空间对称性有空间平移和空间转动等对称性；时间对称性中以时间平移对称性最重要。这三种是连续变换的对称性，还有分立变换的对称性。常见的分立变换的对称性有时间反演对称性，空间反演对称性和电荷共轭对称性。物理学中，还把与时间和空间相独立的其它性质的变换所体现的对称性，称为内部对称性。随着对微观世界探索的日益深入，发现其内部对称性越来越多。如同位旋，奇异数，轻子数，重子数等。
二、物理定律的对称性与守恒定律
自然界中的对称性反映到物理学中成为物理定律的对称性。它是指经过一定变换后，物理定律的形式保持不变的特性（也叫不变性）。例如时间平移不变性，它是指400年前比萨斜塔上的自由落体实验， 在今天作也一样。这就是人们常说的：“科学真理是永恒的”。又如空间平移不变性，是指比萨斜塔自由落体实验，在苏州虎丘塔上作也一样。这就是所谓“真理放之四海而皆准”（也叫空间均匀性）。而空间转动不变性则是指在空间某地作实验后，将整套实验仪器（连同影响实验的外部因素）转一任意角度，在相同的起始条件下，实验将以完全相同的方式进行。也称为物理定律的转动不变性，或空间的各向同性。时间反演不变性则是将物理方程中t变为－t时，物理规律不变。（保守系的运动规律具有时间反演不变性。时间反演，恰如录像倒放：拍手，单摆等看上去与正放一样）。电荷共轭不变性是指某物理过程中的所有粒子的电荷都反号（e→-e）后，有关物理规律不变。
德国科学家诺特（A.E.Noether），在1918 年建立了一条定理（称诺特定理）：物理规律每有一种对称性，就会相应地存在一条守恒定律。如上面的时间平移、空间平移和空间转动第三种对称性，就分别对应于能量守恒、动量守恒和角动量守恒第三种守恒定律。而时间反演和电荷共轭对称性则分别对应于T守恒和C守恒定律。诺特定律首先在经典物理中得到普遍证明，后来推广到量子力学中它仍普遍成立。
三、宇称与宇称守恒
平面镜是一种日常生活用品。左手在平面镜中的像（简称镜像）是右手，这是三岁孩童也熟知的常识，而恰巧就是这简单的常识联系上了高深的科学原理：镜像与原物间存在一种重要的对称性——镜像对称（也叫左右对称）。用稍微学术一点的语言来说就是：若有两部分形体，其一部分是另一部分在平面镜内的像，则称它们为镜像对称。
按照魏尔关于对称性的定义，镜像对称可表述为：设X 轴垂直于镜面，原点就在镜面上，将一半图形的坐标X变成－X，就得到另一半图形。这X坐标变号叫镜像对称变换。 就是这种镜像对称性发展成为微观世界中的宇称（Parity）概念。我们知道，经典物理学中虽不曾用到宇称的概念，但物理学定律一直显示出左右之间的完全对称。这种对称性在量子力学中，形成一种守恒定律，称为宇称守恒（Parity Conservation）。它和左右对称原理完全相同。宇称的概念最早由维格纳（E.P.Wigner）形成。它在原子光谱中很有用，后又用于原子核物理和粒子物理，都表明宇称概念和宇称守恒原理很成功。如果我们将镜像反射的X变换，同时推广到Y和Z，即改变所有坐标的符号（X→－X，Y→－Y，Z→－Z），则称为空间反演变换。经过此变换后， 若物理规律不变，则称空间反演不变性。与空间反演不变性相联系的守恒量，就是宇称。空间反演不变性对应的守恒定律，这就是宇称守恒定律。
现在需要明确究竟什么是宇称守恒。宇称守恒原理有各种说法。一种较容易理解的表述是：“在自然界中发生的任何过程，如果我们在镜中看它，则看到的过程也能在自然界中发生。这样，自然界是镜面对称的。任何客体的镜像，也是一个可能在自然界中存在的客体。在镜中看到的任何客体的运动，也是自然规律所允许的运动。在实验室中所作的任何实验，也可以按照原来实验在镜子中的样子来作，所得的结果将是原来结果的镜像”。简言之：“自然规律在镜像反射下是不变的”。
一个系统与它的镜像之间只有两种情况：（A）完全一样，能重合，称偶宇称，宇称值＋1。（B）不能完全重合而有左右之分，称奇宇称，宇称值－1。在基本粒子中，有“内禀宇称”（P＝＋1或－1）和“轨道宇称”（π＝（－1）[,L]）。对于核物理中的一个粒子系统，它的总宇称是各个粒子宇称值的总乘积，人们发现自然界的各种运动都具有空间反演对称性，也发现基本粒子反应前后系统的宇称是不变的。因而，长期以来宇称守恒被人们认定为普遍规律。
由于空间反演等价于：（镜面反射X→－X）＋（绕镜面法线旋转180度Y→－Y，Z→－Z），又由于转动不变性成立，因此，对镜面反射对称性的检验，就等价于对空间反演对称性的检验，即对宇称守恒的检验。简言之：以平面镜来反射真实实验可以检验宇称是否守恒。
四、宇称守恒的困境
现在人们知道自然界中存在四种相互作用：引力相互作用，电磁相互作用，强相互作用和弱相互作用。引力是长程吸引力，很弱，但它却是主宰宇宙天体运动的主要力量。电磁相互作用也是长程力，很强，能够作用于电磁物体（场）之间。强相互作用是短程力，最强，如核子之间的作用力。弱相互作用（Weak interactions）在原子核衰变中出现，较弱，也是短程力。显然，上面关于宇称守恒原理的论述，并未区分它适用于哪些相互作用。这就表明在1956年之前，物理学家们一直认为任何相互作用过程中宇称必定守恒。
到1953年已发现了两种奇异的介子：θ和τ介子。它们的蜕变方式是：θ[＋]→π[＋]＋π[0]τ[＋]→π[＋]＋π[＋]＋π[－] 精确的实验测量表明，此两种介子的质量与寿命在测量误差范围内一致：
质量Mθ＝（965.8±2·4）Me，M[,τ]＝（966.1±0.7）Me，式中Me为电子质量；
寿命tθ＝（12.1±0.4）nS，tτ＝（11.9±0.5）nS。这说明θ和τ有相同质量，电荷，寿命，而且其它特性也完全相同，应为同一种粒子。即是说，上面二式是同一种粒子的两种蜕变方式。然而从宇称角度，它们的蜕变产物三种π介子的宇称都为－1， 可以推出θ和τ具有不同的宇称，应是两种不同的粒子。当时，宇称守恒被认为是与能量守恒、动量守恒和角动量守恒等定律一样的绝对真理，是不可违背的。于是θ—τ，奇怪的特性，成了国际物理学界的头等疑难和中心热门问题。1956年4月初，在纽约州的罗切斯特国际粒子物理会议上，它自然是重要讨论题目之一。世界一流的老物理学家与意气风发的中青年科学家济济一堂，百家争鸣，盛会空前。但对于此一难题；会议无果而终，θ—τ，疑难仍为θ—τ之谜！
五、世界物理学界的华夏春雷
——杨振宁和李政道宇称不守恒理论的提出
如前面所论述，宇称守恒可谓植根于自然界的基本特性——对称性的基础之上。它在原子物理、核物理和粒子物理等多种领域中一直用得很成功，长期以来科学界已对它坚信不疑，再加上有能量守恒，动量守恒和角动量守恒等不容怀疑的相似定律的类比，更使人们把它当作金科玉律。事实上，当时还没有任何表明宇称不守恒的实验记录。在这种情况下，如果一个科学家要对这个物理学上相当基本的原理提出怀疑，无异于在学术上站到了整个物理学界的对立面上，一定会立即遭到强烈的反对。所以，尽管θ—τ的奇异特性引起了对宇称守恒的许多议论与怀疑，但到最后还敢于真正站出来彻底“清查”它的人，却很长时间没有出现。这的确需要极大的胆略、勇气与付出非比寻常的精力和智慧。然而最可喜、最可贵和最令科学中国人激动的是，两位首先敢于站出来“清查”它并取得伟大成功的，正是我们炎黄子孙！
从西南联合大学毕业后留美的我国青年物理学家，纽约哥伦比亚大学的李政道教授和普林斯顿高等研究院的杨振宁教授，早已开始了对θ—τ疑难的研究。在罗切斯特大会上，杨振宁曾就奇异粒子的不同想法作了一个引介报告，提出了自己的一些观点。大会之后，杨振宁在纽约布鲁克海汶实验室作暑期访问研究，和哥伦比亚大学的李政道经常见面，一起继续研究θ—τ之谜的可能解答。长期的艰辛探索，终于闪耀出成功的光芒，照亮了胜利的道路。5月初左右的一天， 在哥伦比亚大学李政道教授的办公室里，他们二人的热烈讨论，取得了关键性的突破：把宇称守恒是否成立，单独放在弱相互作用中来检验。此后几周，两位教授按照此一科学思路，仔细检查了当时所有涉及到弱相互作用的实验证据，进行了详细的数值分析，终于得到了重要发现：虽然在强相互作用和电磁相互作用范围内，宇称守恒得到了较严格的证明，但“和一般所确信的相反，在弱相互作用中，实际上并不存在左右对称的任何实验证据。”如果宇称守恒在弱相互作用中并不成立，则宇称的概念就不能应用在θ—τ粒子的衰变机构中。因此θ和τ可以是同一种粒子，从而可以解决θ—τ疑难。他们经过严密理论分析和参考当时最新的有关实验结果，以无比的胆识和巨大的创新精神，突破性地提出在弱相互作用中可能宇称不守恒的革命性理论：〈对弱相互作用中宇称守恒的质疑〉的论文，刊登于1956年10月1日的世界权威杂志美国〈物理评论〉上。
这是在20世纪尖端科学领域中，中国科学家所爆发出的最强烈的一声华夏春雷！它响彻寰宇，它震惊世界！它向全世界宣告：科学中国人，有能力攀登上科学世界的最高峰！
六、宇称不守恒的实验证实
中国科学家的第一个诺贝尔奖
杨振宁和李政道的隆隆春雷，给予传统的物理思想和物理学界，造成惊天动地般的震撼一直深信宇称守恒的科学家们，包括许多获得诺贝尔物理奖的世界顶尖级科学家，在这革命性的大突破面前，出于他们科学家的特殊性格，持完全否定的态度，有的甚至打赌，咬定杨李理论必定错了。
然而，科学真理的正确与否最终要由实验来检验。许多人强烈反对的情景，早在两位年青的中国科学家意料之中。所以，在那篇辉煌的论文中，杨振宁和李政道两位教授还着重提出了应当用实验来检验弱相互作用中宇称是否守恒，并且特别指出了实验检测的基本原理（图1 ）：只要建立两套互成镜像的实验装置，它们必须包括弱相互作用，而且必须互不相同，然后看这两套装置是否总是产生相同的实验结果。若不是总产生相同的结果，就证明了宇称不守恒。（两套互成镜像的实验装置如若相同，则总产生同样效果，无法检验左右对称）。
早在杨振宁和李政道论文正式发表前几个月，李政道就和另一位中国留美科学家，当时已是核物理实验和β衰变研究世界权威的吴健雄教授讨论如何用实验检验弱相互作用中宇称不守恒问题了。杨李论文正式发表后3个多月， 吴健雄教授与在华盛顿的美国国家标准计量局的安布勒（E.Ambler）等4位超低温专家合作，主持完成了钻—60 极化核β衰变不对称性实验，第一个以无比精妙绝伦的实验，无可辩驳地证明了弱相互作用中宇称不守恒，宣告了杨李理论的彻底胜利！宣告了科学中国人已经登上了世界科学的最高峰！
杨李理论刚发表一年，实验证实后仅几个月，杨振宁和李政道教授就荣获1957年度诺贝尔物理奖！获奖速度之快。也是诺贝尔奖颁发历史上的奇迹！这也足见杨李理论在世界科学界的巨大影响力量。
这是中国科学家第一次获得全人类心目中最崇高的科学巨奖！
这也是迄今为止，在诺贝尔奖史册上仅有的记录为中国籍的两位获奖者！
史册已经翻开到新世纪，杨振宁和李政道教授的宇称不守恒理论已经发表快半个世纪了，但那隆隆的春雷声仍在长空中回荡！它是进军的号角声，正激励着科学中国人，向世界的科学高峰，攀登，攀登！