弱相互作用：上帝是个左撇子！

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弱相互作用：上帝是个左撇子！


李政道与杨振宁。图源：AIP Emilio Segrè Visual Archives

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。

本文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。

邢志忠 | 撰文



两人都是费米的好学生



两篇实验论文比肩发表的背后

作为李政道的同事，吴健雄在第一时间领悟到李政道和杨振宁关于弱相互作用可能破坏宇称守恒这一想法的重要性，立即放弃了当年与丈夫一同回国探亲的计划，着手利用极化的钴元素开展贝塔衰变的实验。该实验主要分两步：首先通过外磁场将钴原子核的自旋极化，然后测量贝塔衰变所产生的电子的动量方向。由于反应前后的角动量守恒，末态的子核、电子和电子型反中微子的自旋取向都必须与母核的自旋取向一致，即与磁场的取向相同。在这种情况下，只需要测量电子的动量方向，就可以确定其螺旋度。假如该反应过程保持宇称守恒，那么电子沿着磁场方向运动和与之反向运动的概率应该相等，即其以相同的概率呈现出左手和右手螺旋度。

但是这个实验需要低温技术，而哥伦比亚大学的低温技术不够先进，于是吴健雄找到了美国国家标准局的四位低温技术专家，利用那里的先进设备做了一个后来被证明是具有深远历史意义的实验。他们这个五人小组在 1956 年底发现，极化的钴原子核发生贝塔衰变后，出射的电子只是逆着磁场的方向运动，其动量方向与其自旋方向相反（即只具有左手螺旋度），这意味着该反应的宇称不仅不守恒，而且发生了最大程度的破缺。吴健雄立即把他们得到的这个初步实验结果告诉了李政道和杨振宁。

在 1957 年 1 月 4 日的例行星期五午餐会上，李政道向自己的几个哥伦比亚大学的同事透露了这一令人振奋的实验结果。没想到当时在场的利昂·莱德曼（Leon Lederman）马上意识到问题的重要性，当晚就带领两个年轻人行动起来，利用哥伦比亚大学的回旋加速器所产生的极化 μ 子做实验，试图从李政道和杨振宁所建议的另一条途径出发，来检验弱相互作用的宇称不守恒。快马加鞭的莱德曼四天之内就得到了可靠的实验数据，并且写出了论文的初稿 [3]。

李政道从莱德曼那里得知这一消息后，立即劝阻莱德曼等人不要马上投稿，否则对吴健雄的团队来说是不公平的，因为人家已经辛苦地工作了好几个月，而且率先得到了实验证据。与此同时，吴健雄和她的合作者也很快完成了论文的写作。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！他们在新闻发布会的当天将各自的论文投到了《物理评论》编辑部。一个月之后，这两篇论文比肩发表 [4、5]；而在同一年的年底，李政道和杨振宁荣获了诺贝尔物理学奖。


1957 年 1 月 15 日，吴健雄和她的同事，包括后来的诺贝尔奖获得者李政道（右），在哥伦比亚大学举行新闻发布会，宣布他们的突破性发现（大学档案馆、珍本和手稿图书馆、哥伦比亚大学图书馆）

哥伦比亚大学的新闻发布会也惊动了《纽约时报》等大众媒体，于是吴健雄和莱德曼团队发现宇称不守恒的消息很快就传遍了全世界。1957 年 1 月 17 日，远在瑞士苏黎世、素来喜欢批评和质疑别人的物理学大师沃夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）写信给自己曾经的博士后、时任美国麻省理工学院教授的维克托·魏斯科普夫（Victor Weisskopf），强烈质疑宇称在弱相互作用中不守恒的结论。他在信中言之凿凿地声称：“我不相信上帝是一个软弱无力的左撇子，而且我已经准备好了拿出一大笔钱来赌实验将会给出宇称守恒的结果”[6]。

除了泡利，当时另一位喜欢打赌的年轻理论物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）则愿意下注 50 美元，赌实验将证实宇称是一种确定无疑的对称性。不过吴健雄和莱德曼发表的实验结果很快就宣告这一场“科学赌博”以泡利和费曼等人的认输而告终。泡利在不久之后写给魏斯科普夫的另一封信中承认，他幸好没有为此真的跟别人打赌，否则他将输掉一大笔钱，可能会让他倾家荡产，甚至会成为别人的笑柄。相比之下，“醋意”过后的费曼则开始思考一个深刻的问题：既然宇称最大程度地破缺了，那么弱相互作用应该具有怎样的基本结构？差不多一年之后，他和加州理工学院的同事默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）合作提出了弱相互作用的“V-A”理论，为标准模型的建立奠定了另一个重要基础 [7]。   

谁在期待诺贝尔奖的“三分之一”？

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 [8]。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（而反中微子只具有右手螺旋度），故中微子质量严格为零，只需要两个自由度就可以完全描述其基本属性。为了理解这一点，让我们回到吴健雄的实验。

吴健雄的实验证实了极化的钴原子核发生贝塔衰变后，出射的电子只拥有左手螺旋度。由于末态的原子核几乎静止不动，因此母核衰变到子核所释放的能量和动量，完全被电子和电子型反中微子分享。于是该反应的动量守恒要求电子型反中微子的动量方向必须与电子的动量反向，且大小相等。再考虑到电子型反中微子的自旋取向与电子的相同，故而前者一定具有右手螺旋度。毫无疑问，吴健雄的实验结果与中微子没有质量的假设是相符的。

几乎与李政道和杨振宁同时，苏联理论物理学家列夫·朗道（Lev Landau）在 1957 年 1 月上旬也完成了一篇探讨弱相互作用宇称不守恒的论文，其中也假设了中微子的质量为零 [9]。当时朗道显然并不知道吴健雄的实验结果，他的论文主要受李政道和杨振宁发表于 1956 年 10 月的理论文章的启发。值得一提的是，大师朗道在论文中客气地感谢了这两位年轻的中国学者将论文的预印本寄送给他。在互联网时代之前，处于不同国家或不同地域的学者之间互送论文的预印本是一种很常见的学术交流方式，而处于冷战前沿的苏联的学者也不例外。

不过，在朗道、李政道和杨振宁之前，正在剑桥大学圣约翰学院工作的巴基斯坦物理学家阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam），在 1956 年 11 月中旬就完成了一篇预言中微子质量可能为零的论文 [10]，他的想法也受到了李政道和杨振宁发表于 1956 年 10 月的那篇论文的启发。事实上，萨拉姆在自己的论文中也对收到这两位中国学者的论文预印本表示了感谢。

由于萨拉姆算得上是继李政道和杨振宁之后率先公开发表论文探讨弱相互作用宇称不守恒的著名学者，因此有人觉得他的论文可以与李政道和杨振宁的论文相提并论。以“沃德恒等式”而闻名学术界的英国理论物理学家约翰·沃德（John Ward）当时就曾相当夸张地写信给自己的好朋友与合作者萨拉姆，“热烈祝贺你的大作！期待你至少获得三分之一的诺贝尔奖金！”（So many congratulations and fond hopes for at least one-third of a Nobel Prize）[11]。

毫无疑问，萨拉姆和朗道的上述工作在原创性方面完全无法与李政道和杨振宁的革命性论文相提并论。由于中微子只参与弱相互作用，因此在弱作用最大程度破坏宇称的前提下，猜想中微子质量可能严格等于零是自然而然的。必须指出，最早建立费米子二分量理论的其实是德国数学家和物理学家、“规范理论之父”赫尔曼·外尔（Hermann Weyl）[12、13]。令人深感遗憾的是，由于无质量的费米子最大程度地破坏宇称对称性，这样的后果让与外尔同时代的很多物理学家难以接受，尤其受到了坚信宇称守恒的泡利的无情责难 [14]，因此外尔的费米子二分量理论生不逢时、过早地夭折了。事实上，萨拉姆、朗道以及李政道和杨振宁在他们的各自论文中，都没有提及韦尔的相关工作，很可能他们当时并不知道这一点。

中微子果真是“左撇子”吗？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，但似乎也在某种程度上“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。

不过就在 1957 年，费米学派的重要人物布鲁诺·庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo）撰文指出 [15]，假如中微子的二分量理论并不完全正确，而且轻子数也并不守恒，那么中微子就有可能具有微小的质量，导致中微子与反中微子之间的转化也有可能发生。庞蒂科夫当时已经因个人信仰而“皈依”苏联阵营且身居要职。他的观点在当时看来纯属标新立异，而且难以令人信服。但如今我们知道，中微子确实拥有极其微小的质量，尽管后者对绝大多数弱相互作用过程的影响微乎其微。


布鲁诺·庞蒂科夫（左）与费米（右）。图源：Mario De Biasi (Mondadori Publishers), Public domain, via Wikimedia Commons

与泡利的那种经常显得很“任性”的质疑不同，庞蒂科夫对中微子二分量理论的质疑则要理性得多，因此体现出来一种宝贵的科学精神，而这也是费米学派的一大传统。值得指出的是，除了李政道和杨振宁，费米学派的其他优秀弟子们，也几乎都在做与费米的著名工作非常不一样的科研，但他们最终却与导师殊途同归，成功地破解了大自然的诸多奥秘。

作者简介：

邢志忠，中国科学院高能物理研究所研究员，研究领域为基本粒子物理学。著有原创科普图书《中微子振荡之谜》，译著包括《你错了，爱因斯坦先生！》《改变世界的方程》《希格斯》等。座右铭为“一个人偶尔离谱并不难，难的是一辈子都不怎么靠谱。”

参考文献：

[1] G. Rochester, C. Butler, “Evidence for the existence of new unstable elementary particles”, Nature 160 (1947) 855—857
[2] T.D. Lee, C.N. Yang, “Question of parity conservation in weak interactions”, Phys. Rev. 104 (1956) 254—258
[3] T.D. Lee, “New insights to old problems”, an invited talk given at the 2006 APS Meeting as the first presentation in the Session on “50 Years since the Discovery of Parity Nonconservation” in the Weak Interaction I, April 22, 2006 (see the preprint arXiv:hep-ph/0605017)
[4] C.S. Wu. E. Ambler, R.W. Hayward, D.D. Hoppes, R.P. Hudson, “Experimental test of parity conservation in beta decay”, Phys. Rev. 105 (1957) 1413—1414
[5] R.L. Garwin, L.M. Lederman, M. Weinrich, “Observations of the failure of conservation of parity and charge conjugation in meson decays: the magnetic moment of the free muon”, Phys. Rev. 105 (1957) 1415—1417
[6] M. Shifman, “Standing together in troubled times——Unpublished letters by Pauli, Einstein, Franck and others”, World Scientific (2017)
[7] L.M. Krauss, “Hiding in the mirror”, Resonance 9 (2011) 801—819
[8] T.D. Lee, C.N. Yang, “Parity nonconservation and a two-component theory of the neutrino”, Phys. Rev. 105 (1957) 1671—1675
[9] L. Landau, “On the conservation laws for weak interactions”, Nucl. Phys. 3 (1957) 127—131
[10] A. Salam, “On parity conservation and neutrino mass”, Nuovo Cim. 5 (1957) 299—301
[11] N. Bombey, “Abdus Salam: How to win the Nobel Prize”, arXiv:1109.1972
[12] H. Weyl, “Gravitation and the electron”, Proceedings of the National Academy of Sciences 15 (1929) 323—334
[13] P.B. Pal, “Dirac, Majorana, and Weyl fermions”, American Journal of Physics 79 (2011) 485—498
[14] S.M. Bilenky, “The history of neutrino oscillations”, Physica Scripta T121 (2005) 17—22
[15] B. Pontecorvo, “Mesonium and anti-mesonium”, Sov. Phys. JETP 6 (1957) 429; Zh. Eksp. Teor. Fiz. 33 (1957) 549—551

原创 邢志忠 赛先生 2024 年 06 月 18 日 18:04 上海