10.打破定律
1957年12月10日,在瑞典首都斯德哥爾摩,35歲的楊振寧和31歲的李政道,在熱烈莊重的氣氛中,登上了領獎台,接受瑞典國王頒發的諾貝爾物理學獎。這是中國人首次得諾貝爾獎,全球華人為之歡呼,感到揚眉吐氣!
楊振寧在喜慶的典禮上,發表了相對沉重的致辭。他簡要回顧了1900年八國聯軍對中國的侵略和隨後中國人的奮起。暗示著他的成長與整體中國人奮鬥、追求有關。他認為他的成就是中西文化的共同產物。他說:“我一方麵為我的中國血統和背景而自豪;一方麵將奉獻我的工作給起源於西方的現代科學,它是人類文化的一部分。”
楊振寧是如何運用創新思維,獲得最高學術成就的呢?這要從他勇闖難關,打破宇稱守恒定律說起。
什麼是宇稱守恒定律?
“宇稱”是描述微觀粒子運動特性的一個物理量。它取值+1或-1。當取值+1時,稱“偶宇稱”,用以描述微觀粒子運動規律在空間上具有偶對稱性;而取值-1時,稱“奇宇稱”,用以描述微觀粒子運動規律在空間上具有奇對稱性。奇對稱與偶對稱,與初等數學中奇函數或偶函數具有相應的對稱性相似。
所謂“宇稱守恒”,是指微觀粒子體係的運動或變化規律具有左右對稱性。也就是說,微觀粒子體係在發生某種變化,如核反應、基本粒子的產生和衰變等的過程中,變化前所有粒子的總宇稱,與變化後生成的所有粒子的總宇稱必定相等。如果變化前的總宇稱是+1,那麼變化後的總宇稱也應是+1;同樣,如果變化前是-1,那麼變化後也應是-1。
對宇稱守恒定律,人們一直認為是天經地義的。楊振寧曾這樣闡述:自古以來,人們已經在討論對稱原理之一——左和右的對稱。自然界是否呈現這種對稱性?曾經被以往的哲學家長期辯論過。然而物理學一直顯示出左右之間的完全對稱,這種對稱在量子力學上可以形成一種守恒定律,稱宇稱守恒,它和左-右對稱的原理完全相同。
例如照鏡子,鏡子裏出現一個影像,即鏡像,你和你的鏡像一模一樣,完全對稱,這是毫無疑義的。宇稱守恒定律被人們公認,在一定範圍內也曾被實驗證實過,並用作製訂某種核反應過程能否發生的基準。
直到出現所謂“θτ”之謎:
1935年,有人發現,粒子在弱相互作用下衰變時,似乎有兩種不同的粒子:一種叫θ介子、一種叫τ介子。θ介子可衰變為兩個π介子,由於π介子的宇稱為-1,故兩個π介子的總宇稱是(-1)×(-1)=+1(求總宇稱,應將各個粒子的宇稱相乘,而不是相加)。由此可推出θ介子的宇稱也應是+1,即偶宇稱。τ介子可衰變為三個π介子,三個π介子的總宇稱是(-1)×(-1)×(-1)=-1,由此可推出τ介子的宇稱也應是-1,即奇宇稱。
依據宇稱守恒定律,一種粒子不可能具有不同的宇稱,因此,θ和τ,隻能是不同的粒子。另一方麵,精密測量表明,θ和τ具有相同的質量、電荷和壽命,它們似乎隻能是同一種粒子。那麼,θ和τ,究竟是不同粒子還是同一粒子呢?這就是當時讓全世界物理學家左右為難的θτ之謎。
如果你堅守宇稱守恒定律,就隻能確定θ和τ是兩種不同的粒子,接下去的實驗方向,應是找出它們在質量與壽命上的差別。由於大家都不懷疑這一定律的正確性,物理學家們正是遵循著這一方向前進的。然而,隨著實驗越來越準確,θ和τ在質量和壽命上的差別反而越來越小。這使得當時物理學界有一種被關在黑屋子裏找不到出路的感覺。
楊振寧、李政道沒有在黑屋子裏唉聲歎氣,他們想,也可能是研究方向有問題:大家沿前進方向所看到的門,是否隻有一個畫在牆上的門,而真正的門卻在相反的方向呢?人類對自然界規律的認識是不斷發展前進的。科學的懷疑精神,是料學精神的重要組成部分。他們開始大膽懷疑宇稱守恒定律可能不適用於粒子之間的弱相互作用。