電磁感應(yīng)、電磁波、宇稱不守恒，“誘惑”著一代代物理學(xué)家去探索和發(fā)現(xiàn)。他們因?qū)ξ锢淼暮闷嫘亩鴪?zhí)著探索，創(chuàng)造了深刻影響世界的偉大發(fā)現(xiàn)。法拉第說：物理學(xué)工作使弱者陶醉，強(qiáng)者振奮。
今年10月1日，楊振寧教授將迎來99周歲華誕。本文為楊振寧教授過去的演講?！斗禈恪犯鶕?jù)楊先生2008年10月27日在東南大學(xué)與2009年4月13日在復(fù)旦作題為《物理學(xué)的誘惑》演講錄音稿重新校對(duì)編輯而成，《返樸》公眾號(hào)文末有相關(guān)視頻，供讀者參考。
整理 | 周星舟、趙勇、張莉、方波（東南大學(xué)）
編校 | 下雪、木槐（返樸）
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很多人認(rèn)為物理學(xué)是很艱難的學(xué)問，其實(shí)不然，研究物理學(xué)的動(dòng)力是好奇心。有了好奇心，鉆研物理就不難，而研究的結(jié)果可以改造人類的生產(chǎn)力跟福利。
下面講幾個(gè)例子。1831年，英國(guó)人Faraday做了一個(gè)很簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。關(guān)于法拉第，他出身貧窮，父親是一個(gè)鄉(xiāng)村鐵匠。Faraday自學(xué)成才，20歲的時(shí)候經(jīng)過一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，被著名化學(xué)家Humphry Davy雇傭?yàn)橹郑瑥拇司烷_始了研究生涯。那時(shí)，雖然大家知道有電和磁，可是對(duì)電和磁的性質(zhì)不清楚，尤其是對(duì)兩者關(guān)系不清楚。大家知道冬天脫毛衣的時(shí)候常常有火花，這就是因?yàn)槊赂車臇|西有了靜電。在Faraday早年的時(shí)代，歐洲有一個(gè)魔術(shù)，一個(gè)金屬的盤子，上面站著一個(gè)女孩，你把金屬的盤子里充了靜電，那個(gè)時(shí)候知道怎么樣用剛才講的火花的辦法繼續(xù)累積，可以弄很多靜電跑到這個(gè)金屬的盤子上，那個(gè)女孩子全身都有靜電。電有個(gè)傾向，走到身體的表面極端，所以這個(gè)女孩子的頭發(fā)肩上都有靜電。這是當(dāng)時(shí)很有名的一個(gè)魔術(shù)?？墒堑降走@電是怎么回事，就是像Faraday他們這樣的人研究。
Faraday在1831年做了一個(gè)劃時(shí)代的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)其實(shí)非常簡(jiǎn)單：一個(gè)線圈里放了一個(gè)磁鐵，此時(shí)他發(fā)現(xiàn)這個(gè)線圈沒有電；他發(fā)現(xiàn)當(dāng)線圈不動(dòng)，把磁鐵往里面塞一下，立刻就有了電。假如把這個(gè)磁鐵往外拉一下也有電，反過來也可以；磁鐵不動(dòng)，把線圈向右或向左動(dòng)，也產(chǎn)生了電。這是個(gè)大發(fā)現(xiàn)。在物理學(xué)里面有一個(gè)專有名詞叫作“電磁感應(yīng)”，英文是Electromagnetic induction。
這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)的影響是沒辦法估計(jì)的。今天我們所有用的電，都是從大發(fā)電廠發(fā)出來的。發(fā)電廠所用的原理是什么的呢？它用的就是Faraday的原理，就是用一些不動(dòng)的磁鐵，在這個(gè)不動(dòng)的磁鐵里，弄些線圈來動(dòng)，照剛才講的這個(gè)Electromagnetic induction使得這些動(dòng)的線圈里有電，然后把電通到我們家里來，通到禮堂來，所以是Faraday把人類帶進(jìn)了電的時(shí)代。電對(duì)今天人類的影響我們當(dāng)然是沒辦法估計(jì)的。
這幅油畫是Faraday在他的實(shí)驗(yàn)室里。這時(shí)的Faraday已經(jīng)有名了，所以他主持這個(gè)實(shí)驗(yàn)室。
這是另外一張畫。那個(gè)時(shí)候在倫敦每年圣誕節(jié)的前后有一個(gè)圣誕演講（Charismas Lecture）。Faraday曾經(jīng)講過好幾次。我想這是當(dāng)時(shí)英國(guó)上流社會(huì)的一個(gè)很有趣味的活動(dòng)（編者注：圣誕演講活動(dòng)持續(xù)至今），而這個(gè)活動(dòng)對(duì)于整個(gè)英國(guó)的科學(xué)的發(fā)展，以及以后人類整個(gè)的發(fā)展有決定性的影響。所以，一些社會(huì)活動(dòng)對(duì)于人類常常有很重要的影響。那么今天我們?cè)谶@里，之所以有這個(gè)活動(dòng)是華英基金會(huì)所組織的，所以我們也可以了解到華英基金會(huì)設(shè)立它的社會(huì)意義。
Faraday以后來了一個(gè)年輕的理論物理學(xué)家Maxwell，他比Faraday小了40歲。Maxwell大學(xué)畢業(yè)的時(shí)候，二十幾歲，他就想要來研究電?？墒撬麆偞髮W(xué)畢業(yè)，不知道怎么研究，所以他就寫了封信給William Thomson。William Thomson是公認(rèn)的天才，他只比Maxwell大7歲，可是當(dāng)時(shí)已經(jīng)是有名的教授了，寫過好多關(guān)于電與磁的文章。William Thomson后來被封為男爵，即Lord Kelvin。第一個(gè)從美國(guó)到英國(guó)的海底電話線就是他參與建設(shè)的。在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，William Thomson不只在學(xué)術(shù)界，在工業(yè)界也是非常有名的人。
James Clerk Maxwell（1831-1879）
可以想象Maxwell覺得向Thomson請(qǐng)教最好，所以就給他寫了封信。這封信現(xiàn)在還保留下來了。Maxwell的信中間有這么一句：“我最近得到學(xué)士學(xué)位，想要多了解電的現(xiàn)象。不知道怎樣才能得到一些深入的了解（insight into the subject），你如果能給我們一些指點(diǎn)，我們會(huì)十分感激。”這里用“我們”是因?yàn)镸axwell還有三個(gè)同班同學(xué)，他們四人討論。盡管那時(shí)已有Faraday的電磁感應(yīng)，但對(duì)于電與磁具體的相互作用到底是怎么回事，還沒有定量的了解。
Thomson是認(rèn)識(shí)Maxwell的，他們都是蘇格蘭人。Thomson的回信現(xiàn)在失傳了，可是我們可以想象到，他一定是告訴Maxwell你要看Faraday的文章，里面有重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)論；我們猜想他一定也告訴Maxwell要看我所寫的理論的文章，這些文章有密切關(guān)系。Faraday是個(gè)大實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，可是他不懂理論。他的文章很多，編成好幾本書，這些書里面沒有一個(gè)公式，因?yàn)樗麤]有學(xué)過很多的數(shù)學(xué)，尤其是他沒有學(xué)過微積分，可是他有豐富的想象力，他有豐富的幾何直覺。在Maxwell有了大成就以后，F(xiàn)araday故去了，Maxwell寫了一篇很長(zhǎng)的追悼文。在這篇追悼文里，Maxwell說：“Faraday的書里沒有一個(gè)公式，可是他其實(shí)是一個(gè)偉大的幾何學(xué)家”。因?yàn)樗M(jìn)了一個(gè)直覺的觀點(diǎn)，這個(gè)直覺的觀點(diǎn)就是“電場(chǎng)”。電跟磁的力量都可以變成一個(gè)東西，就是一個(gè)場(chǎng)。場(chǎng)這個(gè)名詞是20世紀(jì)到21世紀(jì)理論物理學(xué)的中心思想，這個(gè)思想的來源是那個(gè)不會(huì)寫公式的Faraday是所提出來的。Maxwell去研究了Thomson所告訴他的這些文章，六、七年以后他就寫下了四個(gè)方程式，就是有名的“Maxwell方程”，告訴我們電與磁最基本的定量關(guān)系，并且可以推導(dǎo)出電磁波的存在。這四個(gè)方程式我想是19世紀(jì)最最重要的物理貢獻(xiàn)，也許可以說，這四個(gè)方程式跟達(dá)爾文的進(jìn)化論都是19世紀(jì)最重要的科學(xué)結(jié)晶。
Maxwell在1861年的秋天計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這種波的速度是每秒鐘19萬3千英里，于是他就去查一查文獻(xiàn)。當(dāng)時(shí)他知道已經(jīng)有人測(cè)量過光的速度，也是19萬3千英里。他就想這兩個(gè)不可能是偶然，所以就大膽提出來光波——當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道光是波———其實(shí)就是電磁波。這個(gè)結(jié)論對(duì)人類的影響又是沒辦法估計(jì)的，這個(gè)發(fā)現(xiàn)把人類帶入電磁波通訊時(shí)代。
1854年6月28號(hào)日，F(xiàn)araday已經(jīng)63歲了，他寫了一封信給一個(gè)年輕的英國(guó)的物理學(xué)家John Tyndall，Tyndall后來也成了一個(gè)大物理學(xué)家。Faraday信里邊說：“你還年輕，我已老了......可是我們知道我們研究的題目是如此崇高美麗，在其中工作使弱者陶醉，強(qiáng)者振奮。”
從這兩個(gè)例子我們可以看到，在19世紀(jì)因?yàn)楹闷嫘乃龑?dǎo)出來Faraday的發(fā)現(xiàn)，把人類帶進(jìn)了電的世界，Maxwell的發(fā)現(xiàn)把人類帶進(jìn)電磁波的時(shí)代。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了數(shù)不清的財(cái)富。但如果你去問Maxwell，他能想象他當(dāng)初的insight into the subject會(huì)有如此之大的影響嗎？當(dāng)然不會(huì)了。他只是想對(duì)電多了解一點(diǎn)，是好奇心誘惑著學(xué)者的鉆研。
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我再給大家講第三個(gè)例子，是關(guān)于吳健雄的例子。我想在座的都非常熟悉吳健雄這個(gè)名字，因?yàn)樵跂|南大學(xué)就有一個(gè)吳健雄紀(jì)念館。吳健雄是當(dāng)初中央大學(xué)畢業(yè)的學(xué)生，后來到美國(guó)，在加州大學(xué)伯克利分校獲得博士學(xué)位。這張照片是她五十幾歲的時(shí)候，在哥倫比亞大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里照的。1957年1月，吳健雄宣布了她的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了在β衰變中宇稱不守恒。她的這篇著名的文章在當(dāng)年1月份只是一個(gè)預(yù)印本，到2月才正式刊印出來。
吳健雄（Chien-Shiung Wu，1912-1997）
這一發(fā)現(xiàn)迅速傳遍整個(gè)物理學(xué)界，因?yàn)樗膶?shí)驗(yàn)證明了一個(gè)物理學(xué)家普遍認(rèn)為的原理被打破了——不是某一領(lǐng)域而是整個(gè)物理學(xué)，所以引發(fā)極大的轟動(dòng)。那年2月2日，美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)在紐約的New Yorker Hotel舉行，這屆大會(huì)盛況空前。吳健雄在最大的演講廳做報(bào)告，后來的大會(huì)記錄上說：“那間屋子擠滿了人，有些人甚至從天花板上的大吊燈爬到那個(gè)上面去，使得能夠聽這些演講。”那一次的震蕩跟三十年以后一樣——1987年的“Woodstock”高溫超導(dǎo)體會(huì)議，它們是第二次世界大戰(zhàn)以來物理學(xué)界兩次最大的震蕩。最大的原因，是因?yàn)檫@兩個(gè)震蕩都是遍及物理學(xué)很多的方向，不只是其中一個(gè)領(lǐng)域。
為什么吳健雄的實(shí)驗(yàn)會(huì)引起如此大的轟動(dòng)？關(guān)于β衰變跟宇稱不守恒，我后面要跟大家稍微解釋一下。
19世紀(jì)末，人類第一次發(fā)現(xiàn)放射性。有一些像鈾之類的元素，它發(fā)出來一些放射性的東西。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使得居里夫婦以及貝克勒爾獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。這些放射性里面放出來的光和射線，有一部分是X光或者是γ光，可是還有一些當(dāng)時(shí)叫作β光的輻射，β光其實(shí)是一個(gè)粒子（電子）。所以關(guān)于放射性在20世紀(jì)初期就研究得很多了，吳建雄在20世紀(jì)50年代的時(shí)候，放射性已經(jīng)扮演一個(gè)非常重要的角色了。大家都知道她的工作非常準(zhǔn)確，而且是選的題目非常好。
關(guān)于吳健雄這個(gè)實(shí)驗(yàn)的背景，我底下給大家解釋一下。二戰(zhàn)之前，物理的實(shí)驗(yàn)都是小規(guī)模的。二戰(zhàn)以后核物理成為非常熱門的研究題目。因?yàn)槎?zhàn)以后，所有的政府都知道這方面的物理研究與國(guó)防有密切的關(guān)系。第二次世界大戰(zhàn)中，兩個(gè)新出現(xiàn)的重要軍用設(shè)備都跟物理研究有關(guān)系：一個(gè)是雷達(dá)，一個(gè)是原子彈。所以第二次世界大戰(zhàn)以后，所有的國(guó)家都知道為了國(guó)防必須要研究物理，就紛紛走進(jìn)了物理研究，尤其走進(jìn)了核物理的研究。要做核物理的研究就要用加速器，所以就做越來越大的加速器。
布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室1948年建設(shè)Cosmotron加速器，1969年拆除。
二戰(zhàn)后最大的加速器Cosmotron，在紐約州。像這樣子的加速器這是第一個(gè)，后來又有更大的。比如說你在這里做了10年，得到了很多成果，現(xiàn)在你要想做到更精細(xì)，就好像你要做一個(gè)放大倍數(shù)更大的顯微鏡一樣，所以就做一個(gè)更大的加速器。這樣一代一代的加速器就越做越大。今天最大的加速器在瑞士日內(nèi)瓦， 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），是歐洲的一個(gè)聯(lián)合組織CERN組織建設(shè)的。恰巧就是最近這一個(gè)月（編注：指2008年9月），這個(gè)機(jī)器宣告完成了。所以，就是在上一個(gè)禮拜，他們把歐洲的很多元首都請(qǐng)去參觀。歐洲各個(gè)國(guó)家和美國(guó)，也包括中國(guó)也稍微貢獻(xiàn)了一點(diǎn)點(diǎn)，前后花了80億美金才造成這個(gè)機(jī)器。不過一個(gè)月以前不幸發(fā)生了小的火災(zāi)，所以現(xiàn)在看起來真正對(duì)撞恐怕要到明年夏天才可以開始。這個(gè)實(shí)驗(yàn)上面動(dòng)不動(dòng)就是幾百個(gè)擁有博士學(xué)位的研究工作人員在里頭做，有幾千個(gè)研究生，中國(guó)也有一些研究生跟研究員在里面工作。但其實(shí)他們和J. J. Thomson一個(gè)人發(fā)現(xiàn)電子的工作是一樣的。
有了這些加速器，還有宇宙射線，人們知道了很多從前不為人知的基本粒子。事實(shí)上，在我讀研究生的年代，多半的粒子都是從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的。所以在上世紀(jì)50年代，最重要的研究方向就是研究這些粒子的性質(zhì)，是否帶電、是否有自旋等。其中就有一個(gè)重要的θ粒子，衰變成兩個(gè)π，一個(gè)帶正電，一個(gè)中性，讓我們知道了電荷守恒。守恒是物理學(xué)的重要現(xiàn)象。
1954-1957年間討論最多的就是θ-τ之謎。τ衰變成3個(gè)π粒子。越來越多準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)指出θ和τ具有幾乎相同的質(zhì)量（準(zhǔn)確度達(dá)1%-2%），壽命也相當(dāng)，準(zhǔn)確度達(dá)20%。這是很稀奇的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的其他粒子質(zhì)量可能差幾十倍甚至上百倍，壽命則可差距上萬倍。所以就有人認(rèn)為θ與τ可能是同一種粒子。但另外一些人就認(rèn)為不可能，因?yàn)槊總€(gè)粒子都有一個(gè)宇稱，當(dāng)時(shí)就有一個(gè)基本定律稱為宇稱守恒。θ宇稱是+1，變成2個(gè)π，每個(gè)是-1，即（-1）×（-1）=1，宇稱守恒。而τ變成3個(gè)π，（-1）×（-1）×（-1）=-1，τ的宇稱是-1。它們兩個(gè)的宇稱不同，就不是同一種粒子。
那么宇稱可不可以不守恒？為什么大家根深蒂固地相信宇稱守恒呢？這是因?yàn)橛腥齻€(gè)原因。宇稱守恒的意思其實(shí)是說物理世界是左右對(duì)稱的。Newton方程、Maxwell方程式都是左右對(duì)稱的，可以很容易證明它們是不分辨左右的。既然兩個(gè)物理學(xué)最重要的支柱是左右對(duì)稱的，那么顯然認(rèn)為物理世界是左右對(duì)稱的，這是個(gè)基本的道理。第二，左右對(duì)稱有很大的直覺與審美的感召力，使得人們覺得非得是對(duì)稱才好，所以大家自然相信左右絕對(duì)對(duì)稱。第三，1920年后量子力學(xué)極大發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)宇稱非常準(zhǔn)確地在原子物理中守恒。而且宇稱守恒在理論和實(shí)驗(yàn)中都成為了一種工具，以此來研究新現(xiàn)象；工具用久后人們也就自然而然相信這是天然的。
許多實(shí)驗(yàn)中都證明了宇稱是守恒的，特別是在眾多的β衰變的實(shí)驗(yàn)中。前面提到居里夫人等發(fā)現(xiàn)的放射性，就有β衰變——一個(gè)原子核變成另一個(gè)原子核放出一個(gè)電子，當(dāng)時(shí)就被稱為β衰變。所以到二戰(zhàn)后已經(jīng)做過上千個(gè)實(shí)驗(yàn)，都符合宇稱守恒。再加上剛才說的三個(gè)原因，所以宇稱不守恒是不可思議的。
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在上世紀(jì)50年代中期，李政道和我像許多物理學(xué)者一樣，投入到了這方面的研究中。當(dāng)時(shí)我們有了三個(gè)想法，后來被證明是很重要的。首先，Newton、Maxwell的方程式里所講的力（引力和電磁相互作用）是宇稱守恒的，而我們現(xiàn)在所要討論的衰變是比較弱的力量，猜想對(duì)絕大多數(shù)的力而言宇稱是守恒的，但在弱力下未必如此。就是說，是不是在強(qiáng)的力量里頭左右是對(duì)稱的，可是在弱的力量里頭左右不對(duì)稱？β衰變跟K衰變都是一種弱相互作用，它們是否左右不對(duì)稱，我們就立刻開始研究。我剛才說了，β衰變已經(jīng)有成百上千個(gè)實(shí)驗(yàn)了，但那些實(shí)驗(yàn)都是建立在宇稱守恒的觀念上頭。
所以第二步，得要把這些實(shí)驗(yàn)重新估價(jià)一下。我們把上千個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)脕硌芯浚渲杏?種不同的β衰變——過去所做過的很多實(shí)驗(yàn)歸納成5種——我們把每一種都去仔細(xì)算了一下。最后得出來了一個(gè)驚人的結(jié)論，就是原來大家以為這些β衰變的實(shí)驗(yàn)是跟宇稱守恒有非常大的關(guān)系，而且大家都是講得頭頭是道，其實(shí)完全是錯(cuò)誤的——之前所有的β衰變實(shí)驗(yàn)都跟宇稱守恒無關(guān)。過去所有的實(shí)驗(yàn)都不能證明左右在β衰變里是不是對(duì)稱的。我們經(jīng)過計(jì)算以后發(fā)現(xiàn)，事實(shí)是過去在β衰變里頭并沒有人做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)是直接證明左右是對(duì)稱的。換句話說，就是宇稱守恒一直到那個(gè)時(shí)候，從來沒有在β衰變實(shí)驗(yàn)中被測(cè)驗(yàn)過，既不能證明是對(duì)的，也不能證明是錯(cuò)的。
因此第三步，我們就提出，用什么樣的實(shí)驗(yàn)來測(cè)試在β衰變和其他弱相互作用中宇稱是守恒的呢？這就是表明要做一個(gè)比從前所有β衰變實(shí)驗(yàn)都要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，才能夠測(cè)量出來。之后我們就提出來了5種不同的實(shí)驗(yàn)，其中一種是關(guān)于β衰變的。我們的文章在1956年6月22日寄出。
1956年論文預(yù)印本封面
我們的預(yù)印本寄出去之后的反應(yīng)，就是大家都覺得不相信。當(dāng)時(shí)有一個(gè)大物理學(xué)家Pauli，在英文叫作“Formidable Pauli”，中文翻譯成“可畏的Pauli”。Pauli比我大22歲，他在量子力學(xué)開始的時(shí)候就做了極為重要的工作。而且他是非常嚴(yán)格的，也許因?yàn)樗浅?yán)格的個(gè)性，他批評(píng)人也是不容情的，講話是非常不客氣的。如果你做演講，他要來了你就要擔(dān)心了。他矮胖矮胖的，通常坐在第一排，而且有個(gè)習(xí)慣喜歡坐著前后搖來?yè)u去，這是大家都知道的。如果他搖擺的振幅變大了（頻率增加了），就表示他就要問你很困難的問題了。
Wolfgang Pauli（1900-1958）
Pauli知道我們的工作后，就寫信給他的一個(gè)有名的學(xué)生，Pauli說：“我不相信上帝是一個(gè)弱的左撇子?！彼@個(gè)“弱”當(dāng)然就是講弱相互作用，“左撇子”就是說左右是不對(duì)稱的。他還說：“我準(zhǔn)備投注一筆很大的金額，實(shí)驗(yàn)將會(huì)得出一個(gè)對(duì)稱的分布?！睋Q句話說就是左右是對(duì)稱的。過了半年多，等到吳健雄的實(shí)驗(yàn)做出來以后，發(fā)現(xiàn)左右是不對(duì)稱的，他又給從前的助手寫了一封信，他說，“我上回跟人說我要打賭，幸虧沒有人跟我打，假如打了的話，那我現(xiàn)在要破產(chǎn)了。我是沒有夠多的錢，所以要破產(chǎn)?，F(xiàn)在這樣呢，我只損失一點(diǎn)名譽(yù)，不過我名譽(yù)很多，所以我不怕?！?Pauli跟吳健雄，后來跟李政道、跟我都很熟。他是一個(gè)維也納出身的人，后來住在瑞士，也常常到Princeton，所以他在40年代底就跟吳健雄和袁家騮很熟，那么后來跟我與李政道也都很熟。
大家也知道Feynman，他是一個(gè)大理論物理學(xué)家。當(dāng)年Feynman還很年輕，36歲，他跟人說宇稱是絕對(duì)不可能不守恒的。他說，我愿意跟你用50塊美金賭一塊美金，這個(gè)宇稱是一定守恒的。等到發(fā)現(xiàn)宇稱不守恒之后，他就乖乖地寫了一張支票：50塊美金?？墒歉蛸€的那個(gè)人呢，覺得這是一張很重要的支票，就沒有把這個(gè)支票拿到銀行里頭去兌現(xiàn)，而是將它放在像框里，掛在他的辦公室里。
Richard Feynman（1918-1988）
Felix Bloch是另一位重要的理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，也是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，因?yàn)楹舜殴舱?/span>（Nuclear magnetic resonance，NMR）的貢獻(xiàn)——大家也許曉得NMR后來就引導(dǎo)出來了核磁共振成像（MRI）。MRI對(duì)于今天的醫(yī)學(xué)簡(jiǎn)直是太有意義了。他呢，絕對(duì)不相信左右可以不對(duì)稱。他說如果宇稱不守恒，他會(huì)把自己的帽子吃掉。Bloch是Heisenberg的學(xué)生，他取得博士學(xué)位時(shí)正是世界大蕭條時(shí)期，他找不到事情做。當(dāng)時(shí)他在德國(guó)，接到了一封來自斯坦福大學(xué)的邀請(qǐng)信。在20世紀(jì)30年代初，斯坦福大學(xué)還只是很小的大學(xué)，沒什么人知道。Bloch向很多人打聽，后來問Heisenberg，后者想了半天告訴他是個(gè)很小的學(xué)校，從舊金山坐streetcar去，走一個(gè)鐘頭就到了。后來二戰(zhàn)后學(xué)校大大發(fā)展，Bloch成為該校第一個(gè)得到諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家。
Felix Bloch（1905-1983）
我們指出了一個(gè)非常重要的事實(shí)，就是：在弱相互作用之中，宇稱守恒缺乏實(shí)驗(yàn)證明。而我們覺得我們指出來的是很好的實(shí)驗(yàn)，可以來研究?？墒俏覀儾⒉挥X得宇稱會(huì)在任何相互作用力中都不守恒。換句話說，我們也跟所有人的直覺想法是一樣的，宇稱是守恒的。所以認(rèn)為寫出的文章并不會(huì)解決θ-τ之謎。我們只是覺得文章寫得很好，因?yàn)橹赋鲂枰僮鲆粋€(gè)實(shí)驗(yàn)，以證明它是守恒的，因此還需另找θ-τ之謎的解釋。為什么這樣說呢，因?yàn)楫?dāng)時(shí)發(fā)表這篇文章后，我們沒有立即投入到不守恒的研究中，而是去做了一些統(tǒng)計(jì)物理相關(guān)的。直到半年后，吳健雄的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)宇稱確實(shí)不守恒，于是我們立刻放棄了統(tǒng)計(jì)力學(xué)的工作。
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那么吳健雄的實(shí)驗(yàn)是怎么發(fā)生的呢？那個(gè)時(shí)候，大部分的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家都不愿進(jìn)行我們提出的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為我們提出的實(shí)驗(yàn)非常困難，五種實(shí)驗(yàn)沒有一個(gè)是簡(jiǎn)單的。不過后來發(fā)現(xiàn)，其實(shí)有一種實(shí)驗(yàn)是非常簡(jiǎn)單的，可是當(dāng)時(shí)沒人了解到。而且人們覺得，即便做出實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，肯定會(huì)是前人已經(jīng)知道的，即宇稱守恒，所以認(rèn)為這些實(shí)驗(yàn)都不值得做。那年夏天我在Berkeley見到了一位后來獲得諾獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他喜歡開玩笑。我跟他說，這里有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)阒档孟胂搿Ｋ柫寺柤缯f，如果我有個(gè)很好的研究生，我就讓他去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。后來知道吳健雄發(fā)現(xiàn)不守恒，他很快就做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在3天之內(nèi)也證明了宇稱不守恒。后來再看他的實(shí)驗(yàn)其實(shí)比吳健雄的簡(jiǎn)單，可是當(dāng)初沒有人看出來。
吳健雄為什么會(huì)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)?，她有?zhàn)略性的眼光，她開始也不認(rèn)為宇稱不守恒。她是Pauli的朋友，也非常崇拜Pauli。戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期Pauli和吳健雄、袁家騮夫婦都住在Princeton，他們常常交往。而Pauli也很佩服吳健雄，因?yàn)樗龅膶?shí)驗(yàn)非常精細(xì)，掃清了許多前人因?yàn)閷?shí)驗(yàn)不精細(xì)所產(chǎn)生的困擾，在實(shí)驗(yàn)物理里很有名氣，是重要的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。后來Pauli回到歐洲與吳健雄通信（Pauli不打電話，整天寫信），在信中就提到宇稱是守恒的，實(shí)驗(yàn)不值得做。但吳健雄超人的地方在于，她了解到，一個(gè)基本的自然定律必須要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。所以決定做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，她的動(dòng)力也是好奇心引導(dǎo)出來的，窮追不舍。后來我曾經(jīng)講過，吳健雄“獨(dú)具慧眼”?；緵]有其他物理學(xué)家像她一樣去嘗試很困難的實(shí)驗(yàn)。
她是一個(gè)偉大的β衰變實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，她要做這個(gè)β衰變的實(shí)驗(yàn)要在低溫環(huán)境下做，但她自己沒有這個(gè)條件。當(dāng)時(shí)只有兩個(gè)地方有這個(gè)條件，一是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（National Bureau of Standards），另一個(gè)是橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）。但橡樹嶺做理論的人反對(duì)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，所以只能選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局。吳健雄就給那邊一個(gè)年輕人Ernest Ambler打電話，說這里有很重要的關(guān)于β衰變的實(shí)驗(yàn)，但需要非常低的溫度，希望我們合作。Ambler含糊地回答我想一想，掛掉電話后就立刻給他一個(gè)朋友Evans Hayward打電話。Hayward是做核物理的，很知道吳健雄。Amber就問，剛才有個(gè)女的，中國(guó)血統(tǒng)的物理學(xué)家叫C. S. Wu，要做個(gè)β衰變的實(shí)驗(yàn)。她這人怎么樣？據(jù)Ambler后來說，Hayward回答很簡(jiǎn)單，“She is the topest”。所以Ambler就決定合作實(shí)驗(yàn)。
吳健雄之后便從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局請(qǐng)了四位低溫物理學(xué)家一起進(jìn)行其中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，是李政道跟我提出來的五種實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是“β-decay of polarized radioactive Co60”。Co60是Co（鈷）的一種放射性同位素（β衰變核素），現(xiàn)在在醫(yī)藥界很有用處。這個(gè)放射性的Co60不是普通的Co60，而是極化的。Co60的原子核是在旋轉(zhuǎn)的，螺旋的，有各種不同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以平均是沒有轉(zhuǎn)的。我們提出的實(shí)驗(yàn)，必須讓它里面多半都向一個(gè)方向轉(zhuǎn)，就是極化polarize。這個(gè)極化是要在低溫底下做。
在那個(gè)夏天之后的5個(gè)月里頭，一直到1957年年初，吳健雄就往來于紐約跟華盛頓之間。因?yàn)閲?guó)家標(biāo)準(zhǔn)局在華盛頓。他們的實(shí)驗(yàn)遇到了很多困難，因?yàn)棣滤プ兒偷蜏囟际切碌募夹g(shù)，在他們之前，從來沒有人把這兩個(gè)技術(shù)合在一起做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。所以這是一個(gè)新的領(lǐng)域，里面有很多戰(zhàn)術(shù)上的問題需要解決。比如，因?yàn)榈蜏氐男枰麄円龅倪@個(gè)Co60要放在一個(gè)大的結(jié)晶表面上，因?yàn)槿绱说偷臏囟龋〉脑捒赡軙?huì)出現(xiàn)扭曲的現(xiàn)象，這個(gè)結(jié)晶需要相當(dāng)大，小的結(jié)晶不行。他們第一步就要造一個(gè)大的晶體，在上面涂Co60。所以他們要先學(xué)習(xí)制造大晶體的技術(shù)。吳健雄回憶，她當(dāng)時(shí)到Columbia化學(xué)系的圖書館把造晶體的書拿來看，因?yàn)榛瘜W(xué)系的人常常要做晶體，把做晶體的書都找來。她后來自己說，這些書上有很多灰塵，他們把它們打開來進(jìn)行研究，弄了兩個(gè)禮拜，還是做不出來。這些溶液里頭可以做出來小結(jié)晶，做不出來大的。經(jīng)過三個(gè)星期的艱苦奮斗，她跟她的哥倫比亞的學(xué)生們終于成功制造了一個(gè)大約1厘米的晶體。
他們是如何做出來的呢？因?yàn)橹耙恢弊霾怀鰜恚瑓墙⌒鄣囊晃慌畬W(xué)生就把帶有溶液的燒杯帶回了家。第二天早上醒來她就忽然發(fā)現(xiàn)這個(gè)溶液里頭出了很大的晶體，所以她就把這個(gè)溶液帶到實(shí)驗(yàn)室里頭去觀察。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，原來她把這個(gè)溶液放在廚房的爐子旁邊，廚房的爐子當(dāng)然溫度比較高，所以他們就懂了，這個(gè)竅門就是要控制溫度。那么這么一來，他們就做出來一個(gè)大的晶體。后來這位女研究生成了Rutgers大學(xué)的教務(wù)長(zhǎng)。
吳健雄后來說是“Beautiful like a diamond”，像一顆鉆石一樣漂亮。她還說：“那天當(dāng)我把晶體帶去華盛頓，我知道我是全世界最快樂和最驕傲的人?！?/span>
最后在1956年圣誕節(jié)前，她得出了實(shí)驗(yàn)里宇稱稍有不守恒的結(jié)論。因?yàn)樗龑?duì)自己實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性很有信心，他們就宣稱在β衰變中宇稱不守恒。
吳健雄宣稱了她的實(shí)驗(yàn)以后，美國(guó)最重要的報(bào)紙《紐約時(shí)報(bào)》頭版有了這個(gè)消息（見上圖）。我們可以說，因?yàn)橛罘Q守恒是一個(gè)基本的觀念，現(xiàn)在突然有了一個(gè)漏洞，就好像一個(gè)堤壩被攻破了，所以物理學(xué)家們就都趕緊去測(cè)試在各種弱相互作用下宇稱是否守恒。接下來的五年里，人們進(jìn)行了幾百個(gè)類似的實(shí)驗(yàn)。因?yàn)檫@是一個(gè)普遍現(xiàn)象，所以不只是高能物理學(xué)家，很多其他方向的物理學(xué)家都可以做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。幾百個(gè)實(shí)驗(yàn)做出來的結(jié)果是什么呢？就是證實(shí)了宇稱不守恒是所有弱相互作用下的一般特征。
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吳健雄的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了以后幾年很多不同的研究路徑——不只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)，而是整個(gè)路徑都有了一些改變。第一，她把“對(duì)稱觀念”提升為基本理論里頭的一個(gè)中心觀念。第二，除了宇稱（parity），P守恒不守恒以外，還有兩種離散對(duì)稱性——一個(gè)叫C（Charge conjugation，電荷共軛），一個(gè)叫T（Time reversal，時(shí)間反演），在吳健雄的P不守恒實(shí)驗(yàn)做出后，C也被證明不守恒。1964年，有兩個(gè)美國(guó)的物理學(xué)家?guī)ьI(lǐng)了兩個(gè)學(xué)生，他們證明了T也不守恒。后來他們?cè)?980年得到了諾貝爾獎(jiǎng)。第三，在β衰變里頭除了有電子出現(xiàn)以外，還有中微子出現(xiàn)，對(duì)中微子性質(zhì)的研究具有決定性影響。這個(gè)深入的研究導(dǎo)致了三個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。在1988年，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)有兩個(gè)不同的中微子而得了諾貝爾獎(jiǎng)。到了1995年，發(fā)現(xiàn)了還有第三種中微子，又有了一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。到了2002年，發(fā)現(xiàn)這三種中微子之間可以互相轉(zhuǎn)換（中微子振蕩），這是以前沒想到了，這又得了一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)（編注：2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半獎(jiǎng)勵(lì)的其實(shí)是“探測(cè)宇宙中微子”）。
可是吳健雄始終沒有獲得她應(yīng)該得到的諾貝爾獎(jiǎng)。這是什么道理呢？這有很多種不同的討論。一個(gè)討論呢，是說諾貝爾獎(jiǎng)有一個(gè)規(guī)矩，必須是在那年的2月1號(hào)以前發(fā)表的文章才有可能得諾貝爾獎(jiǎng)。她的文章是發(fā)表在2月1號(hào)以后，所以那一年的諾貝爾獎(jiǎng)不能夠包含吳健雄。這個(gè)話雖然有道理，可是你當(dāng)然也很容易問了：很顯然應(yīng)該也給吳健雄。因?yàn)槔钫栏抑皇翘岢鰜磉@個(gè)理論，這個(gè)理論不能算證實(shí)，必須有實(shí)驗(yàn)支持，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)室吳健雄做的。所以假如在那年的十月底，他們?cè)谟懻撝Z貝爾獎(jiǎng)的時(shí)候，最容易的一個(gè)辦法就是：今年我們不給這個(gè)方面的，而給別的方面——這是常常有的事情——然后到第二年，到了1958年，吳健雄的文章就合格了，就也給吳健雄。這不是很簡(jiǎn)單的一個(gè)解釋嗎？所以這個(gè)解釋不能夠自圓其說。
可是又有一個(gè)解釋說，諾貝爾獎(jiǎng)還有另外一個(gè)規(guī)矩，就是諾貝爾獎(jiǎng)不能給四個(gè)人，只能給一個(gè)、兩個(gè)或者三個(gè)。那么吳健雄實(shí)驗(yàn)的重要伙伴，就是那幾個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的合作人，其中有一個(gè)是最重要就是Ambler，Ambler后來做了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的主任。Ambler當(dāng)時(shí)是一個(gè)很年輕的杰出的低溫物理學(xué)家。所以當(dāng)時(shí)你要給吳健雄，那必須要給Ambler，所以就變成四個(gè)人。所以他們討論了一下，結(jié)果就沒有給吳健雄。這個(gè)理論有人贊成——通常是低溫物理學(xué)家贊成這個(gè)理論——可是做β衰變的物理學(xué)家不贊成這個(gè)理論。
到底哪個(gè)是對(duì)的，現(xiàn)在還不知道。不過諾貝爾獎(jiǎng)金委員會(huì)也有一個(gè)規(guī)矩，說是一個(gè)獎(jiǎng)給了五十年以后，可以讓科學(xué)史的研究者看看五十年前的檔案。所以我猜想現(xiàn)在一定已經(jīng)有科學(xué)史的研究者到斯德哥爾摩，去看五十年前的檔案了，那么也許他們會(huì)得出來一個(gè)結(jié)論。（編注：關(guān)于吳健雄的實(shí)驗(yàn)原理以及為何沒能獲得諾獎(jiǎng)的問題，我們推薦讀者閱讀此前《返樸》發(fā)表的這篇文章《郵票上的吳健雄與鏡子中的物理學(xué)》）
吳健雄在伯克利獲得博士學(xué)位的時(shí)候，她的導(dǎo)師是Emilio Segre，Emilio Segre后來在1959年也得到了諾貝爾獎(jiǎng)。Emilio Segre是意大利出身的，他是在相當(dāng)有名了以后才搬到美國(guó)去，以后長(zhǎng)期住在美國(guó)。他在晚年的時(shí)候?qū)懥艘槐緯?，這本書我印象中現(xiàn)在好像已經(jīng)有中文翻譯了，我推薦給在座的年輕的同學(xué)From X-rays to Quarks，中文名《從X射線到夸克》，這本小小的書把20世紀(jì)理論和實(shí)驗(yàn)———不過是以實(shí)驗(yàn)為主———基本物理學(xué)的發(fā)展用一個(gè)通俗的語言講出來。我把這個(gè)書推薦給大家。我特別要提出來的是他這個(gè)書里頭有一段，這本書里當(dāng)然也講到了宇稱不守恒，也講到了他的這個(gè)學(xué)生，我把它翻譯念給大家聽。
“這三位中國(guó)物理學(xué)家顯示了下面的預(yù)測(cè)：歷史上中國(guó)曾扮演世界文化領(lǐng)袖的角色。當(dāng)中國(guó)從她（目前）的浴血革命時(shí)代走出，重新?lián)嗡臍v史角色以后，她對(duì)未來世界的物理學(xué)將有多么大的貢獻(xiàn)?！?/span>
我跟在座的各位年輕的同學(xué)講，你們是處在一個(gè)大時(shí)代。全世界人民都已經(jīng)看出來了，說是中華民族已經(jīng)走出了浴血革命的時(shí)代，希望而且一定可以在世界文化里頭扮演領(lǐng)導(dǎo)角色。那么我希望Segre的這一段話，你們能夠想到它的深意。
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