發現自然之美：諾貝爾物理獎1957

1957年的諾貝爾物理獎頒給兩位年輕的中國物理學家，李政道與楊振寧，他們在1956年提出弱作用力中宇稱不守恆，一年後就獲得諾貝爾獎的肯定，比起眾多等待多年的得主可謂異數。為什麼宇稱不守恆這回事這麼重要呢？讓我為您解惑。

所謂宇稱就是物理系統在在空間反轉下（x → -x, y → -y, z → -z）的反應。空間反轉不變本質上等於鏡像變換不變，也就是左右變換不變，這是因為空間反轉等於鏡像變換或左右變換（x → -x, y → y, z → z）再加上一個繞x軸的180度轉動。由於轉動不變性總是成立的，所以兩者其實沒有本質區別。


在量子力學中，粒子的行為是以波函數表示。在空間反轉下如果波函數不變，則該粒子的宇稱是正的，如果變換後的波函數與原來的波函數差一個負號，則該粒子的宇稱則被設定為負的。所以宇稱只會有兩個可能的值，1和-1。兩個和兩個以上粒子組成的系統的總宇稱等於該系統內各粒子宇稱之乘積再乘上軌道的宇稱。軌道的宇稱是(-1)^L 。L是粒子的相對角動量。宇稱守恆定律指的是粒子系統總宇稱在交互作用前後必須相同。1956年前，物理學界公認在任何一種相互作用下，宇稱都是守恆的。宇稱守恆在本質上意味著左和右是對稱的。這是因為「造物主不會是左撇子或是右撇子」，這個觀念深植人心。


50年代初，物理學家在宇宙線裡觀察到兩種新的粒子，θ和τ。θ衰變為兩個π介子，τ衰變為三個π介子。π介子的宇稱是負的，同時，根據達利茲（Dalitz）圖推算，衰變前後這兩個系統的軌道宇稱都是正的。(達利茲圖是研究粒子如何衰變成三個粒子的過程，通常粒子是先衰變成兩個粒子後，其中一個粒子再衰變成兩個粒子。) 由於偶數個π介子的宇稱乘積是正的，而奇數個π介子的宇稱的乘積是負的，所以如果宇稱是守恆的話，我們可以反推出，θ的宇稱是正的，而τ的宇稱是負的。所以就算θ和τ有完全一樣的壽命和質量。他們還是不同種類的粒子。因為粒子的宇稱是它的內秉特性，是不會因為與其他粒子交互作用而改變的。這是當年困惑物理學界的著名的θ-τ之謎。如果承認粒子衰變仰賴的弱作用也遵循宇稱守恆定律的話，τ與θ勢必是兩種不同的粒子，但是θ、τ粒子其它性質如此相同，這就形成了宇稱雙元組(parity doublet)，這對當時對介子結構所知甚少的時代，很難想像。另外一種可能就是假設τ和θ是同一種粒子，那就表示宇稱守恆定律不成立，換言之， 「造物主是左撇子?」，可想而知，大多數人會選擇前者。然而這兩位年輕的物理學家，選擇了後者。



李政道1926年出生於上海市，祖籍江蘇蘇州，父親李駿康是金陵大學農化系首屆畢業生，祖父李仲覃（1870年－1941年）為蘇州聖約翰堂的首任華人主任牧師（教區長）。李政道在戰爭期間1943年於貴陽以同等學力考入遷至貴州的浙江大學物理系，走上物理學之路。1944年，日軍進入貴州，浙江大學停學。1945年轉學到在昆明的西南聯合大學為二年級生，戰爭結束後，西南聯大停辦，李政道於1946年赴美進入芝加哥大學，師從物理大師費米。1950年獲得博士學位之後，與合作者一起從事統計物理的相變以及凝聚體物理學的極化子的研究。1953年，他前往哥倫比亞大學擔任助理教授。
 

圖片來源：Nobel Prize

另外一位是楊振寧，1922年生於合肥，父親楊武之獲芝加哥大學數學博士學位，回國後曾任清華大學與西南聯合大學數學系主任多年。1938年夏，以高二學歷報名參加西南聯大的統一招生考試，幾天之後，便以出色的成績被錄取。1942年，楊振寧畢業於昆明的西南聯合大學。1944年在西南聯大研究所畢業。1945年，楊振寧考取公費留學赴美國，就讀於芝加哥大學。1948年，他取得博士學位。 1949年，楊振寧進入普林斯頓高等研究院進行博士後研究工作，並開始同李政道進行了一段長達十多年富有成果的合作。


1956年10月，30歲的李政道和34歲的楊振寧在美國《物理評論》發表文章，提出了弱相互作用中宇稱不守恆的論文，在這篇文章中，他們認為，θ-τ之謎所帶來的宇稱不守恆問題不會只是一個孤立事件，宇稱不守恆很可能就是一個普遍的現象。粒子透過強作用衰變的生命期遠小於弱作用，所以他們能夠區分兩者，分別研究。他們發現，在強相互作用領域，宇稱守恆定律的確成立，可是在弱作用領域中，雖然宇稱守恆這假設被廣泛應用，但是事實上宇稱守恆定律從未得到過真正的實驗驗證。他們認為，τ-θ之謎的解答必須在τ-θ以外尋找。如果宇稱守恆被破壞，那麼這種破壞在弱作用的其他實驗中，例如在被極化的原子核的β衰變的過程中應該就可以觀察得到。


在他們的建議下，吳健雄和美國國家標準局科學家安伯勒（E. Ambler）等合作，在實驗中觀測了穩恆磁場中冷卻至絕對零度附近的鈷-60原子的衰變情況。鈷-60是一種不穩定的鈷同位素，其會發生β衰變轉變為穩定的鎳-60。在發生衰變時，鈷-60核中的一個中子會衰變為一個質子，同時放出一個電子與一個反電子微中子。衰變後產生的鎳-60核處於激發態，它會放出兩束γ射線從而返回基態。因此該核反應全程的方程式為：
 

粒子的磁偶矩和自旋在空間反轉下不變，而粒子的動量則會變號。由於原子核的磁矩相對於電子而言非常的小，因而為實現上述目標，則需要將實驗系統置於強磁場中，而實驗環境的溫度也需要非常低，遠遠低於單獨依靠液氦冷卻所能達到的低溫。如果β衰變遵守宇稱守恆，電子的釋出方向相對於核自旋取向而言並不會有一個偏好的方向。然而，吳健雄等人卻發現電子更傾向於沿著核自旋的反方向釋出。


當時在美國國家標準局工作的一名研究人員告訴大物理學家包立關於宇稱守恆可能並不時時成立。包立回應了一句：「純屬無稽之談。」而當那位研究人員告訴他吳健雄的實驗結果確確實實地驗證了這一點時，包立則簡單地回應了一句：「那麼（這個結果）必須能夠重現！」。當然，這個結果就被各地的實驗室所證實。「造物主的確是左撇子！」

正是由於這一震驚物理學界的傑出貢獻，李政道和楊振寧共同獲得了1957年諾貝爾物理獎。 兩人後來也各有傑出貢獻，至今仍然健在，也是諾貝爾獎史上所少見。