宇稱不守恆-科學人雜誌
形上集

宇稱不守恆

2015-04-01 高涌泉
宇稱守恆僅在強交互作用中成立,但在弱交互作用中失效。

楊振寧今年3月中旬從北京飛到台北,接受台灣大學頒贈的榮譽博士學位,並在頒贈儀式之後發表以「美與物理學」為主題的演講。他在演講中說物理學的結構有其美妙之處,但不同的人對於這個結構「不同的美和妙的地方,有不同的感受」,因此物理學者自然就「發展出自己獨特的研究方向與方法」,從而和作家、音樂家一樣也會「形成自己的風格」。楊振寧特別以物理大師狄拉克與海森堡為例,說明科學中的風格究竟是怎麼回事。

楊振寧在演講中完全沒有提及他和李政道獲得1957年諾貝爾物理獎的工作:弱交互作用中的宇稱不守恆,不過依舊有學生在演講後問答的時間,詢問他到底是如何想出宇稱不守恆的點子。

我之前曾在本專欄,以「左與右」為題連續寫了五篇文章,其中第四、第五篇即是在介紹李政道、楊振寧的工作與吳健雄的實驗。不過我把重點放在解釋宇稱不守恆的意義,而沒有全面說明楊振寧與李政道的發現歷程,因此漏掉了楊振寧在回答學生提問時所強調的關鍵點。我覺得應該在此補充這個即便是物理學家也不見得明瞭之處。


我先說明問題的起源,即所謂的「θ–τ之謎」:θ與τ是當時兩個粒子的名字,θ粒子可以衰變成兩個π介子,而τ粒子則可以衰變為三個π介子,但是θ與τ的質量與壽命在實驗誤差之內似乎完全一樣,所以應該是同一個粒子;不過這樣會產生麻煩,因為有人分析,兩個π介子的宇稱和三個π介子的宇稱是相反的,如果宇稱是守恆的,則同一個粒子不可能衰變成具有相反宇稱的兩種狀態(兩個π與三個π)。當時人們已經了解宇稱在眾多原子、分子與核子現象中是守恆的,也就是說,這些現象有左右對稱性,所以大家覺得沒有懷疑宇稱守恆的必要,不過θ與τ衰變卻又意味著宇稱守恆並不成立,這兩者的矛盾要如何解決?


楊振寧說突破的關鍵是他美國芝加哥大學物理研究所同學史坦柏格(J. Steinberg)與合作者的一項實驗,這個實驗涉及兩個反應:首先是π介子撞擊質子,然後產生Λ粒子與θ粒子的反應,即π+p→Λ+θ,而Λ粒子在產生之後,會隨即衰變成π介子與質子,即Λ→π+p。史坦柏格等人測量了最終產物射出的角度分佈。當時人們已知前一個反應是強交互作用,後一個反應是弱交互作用。楊振寧說他與李政道獲得突破的關鍵是頓悟到,在宇稱的問題上,應該把前一個反應與後一個反應分開來看,而宇稱守恆僅在強作用中成立,但在弱作用中失效。


李與楊兩人其實在此之前已考慮過宇稱不守恆的可能性,但由於他們尚未清楚區隔強作用與弱作用,所以還沒把注意力集中於弱作用。一旦體認這一點,他們很快就透過計算查驗出,以前對於弱作用的研究根本未能確認弱作用中的宇稱守恆。所以他們寫了論文,提出宇稱在弱作用中不守恆的可能性,並說明如何以實驗去查驗宇稱守恆。


事實上其他人也曾想到宇稱或許是不守恆的,例如費曼在他的《別鬧了,費曼先生》一書中提到,他曾替實驗學家卜洛克(Martin Block)於1956年4月的一場高能物理會議中詢問李政道:「是否θ與τ是同一個粒子的不同宇稱狀態,即此粒子無明確的宇稱,而宇稱是不守恆的?」不過費曼的記憶不完全正確,因為根據會議記錄,費曼詢問的對象是楊振寧,而楊振寧的回答是他和李政道考慮過這個可能性,但是沒能得到什麼明確的結論。李楊兩人的頓悟是在這場會議之後。


楊與李強過費曼等人的地方在於,他們很清楚光說宇稱在θ與τ的衰變過程中不守恆是不夠的,因為這樣說無法澄清宇稱不守恆的本質,不算是進展,只是在兜圈子罷了。楊振寧在私下的聊天中,對費曼有點不高興,因為費曼替卜洛克提問的故事可能讓人以為提出宇稱不守恆是輕易之事,這樣的理解就錯失李、楊工作的意義了。


# 關鍵字:名家專欄物理形上集
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