物理学的诱惑(二)(杨振宁)

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1954年到1957年间
最激烈辩论的
就是θ-τ之谜。
为什么呢？
因为θ变成两个π，
τ变成三个π。
那么一方面
越来越多准确的实验
指出来θ跟τ有相同的质量。
这个质量在测量的时候
刚才我讲了，
研究这个一路走的时候的
这个速度很精确地量了以后，
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越来越精确。
那么最后发现
它们的质量相差
只是在2%之内的，是一样的。
就是测量的这个准确性只到2%，
可是在这个测量的准确性的
这个限度之内，
它们两个的质量是一样的。
这个是非常稀奇的。
因为通常那个时候
已经知道了
有上十种基本粒子，十几种。
这些粒子之间的质量差
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通常都是差几十倍、几百倍，
甚至于几千倍。
现在忽然有两个粒子
它们的这个质量之差
基本上是一样，
在你这个实验
所能够达到的准确度之内，
这是很少有的。
所以，就觉得
恐怕它们根本是一回事情。
而且，还可以量出来
它们的寿命，
它这个寿命就量得不太准确，
可是发现它们的寿命
准确度也达到20%，
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通常两个的寿命
常常是差几万倍、几百倍
这是常见的，
这么相同的寿命是很少。
所以就有一派人说
这根本是一回事情，
是两个根本是一个东西，
一个东西有两种不同的衰变
是家常便饭的，这并不稀奇。
可是另外一派说这绝不可以。
为什么呢？
因为每一个粒子都有一个宇称。
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而有一个基本定律
叫做“宇称守恒”。
原来的宇称跟后来的宇称
是相同的。
所以，θ变成两个π，
这两个π的宇称
每一个是-1，
（-1）×（-1）=+1，
所以，θ变成两个π
就代表这个的宇称是+1。
那么根据宇称守恒定律
这个θ必须是+1。
这三个π
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是（-1）×（-1）×（-1），
所以，这个后来是宇称是-1。
根据宇称守恒，
代表这个宇称是-1。
所以，θ跟τ的宇称
是不一样的。
两个不一样的东西
不可能是一样的。
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那么当然你就问了
说是宇称能不能不守恒呢？
所以，就要问
说为什么大家相信宇称守恒呢？
这个就，
你如果问了这个问题以后
你就知道，
这个是非常根深蒂固的道理。
因为有三个基本的原因，
使得人相信宇称守恒。
第一个宇称守恒的意思，
其实是说物理世界
是左右对称的。
就是物理世界的方程式
是左右对称的。
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说是这个左右是要对称的，
这个似乎是不容置疑的
先验的讲法。
可是它也是由牛顿方程
跟麦克斯韦方程所产生的。
当时最重要的方程式
是牛顿方程式
和麦克斯韦方程式。
牛顿方程式
你可以很容易地去证明，
它是不分辨左右的，
麦克斯韦方程式
也可以很容易证明
是不

分辨左右的。
既然这两个物理学的
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最重要的支柱
说是左右是对称的，
那当然整个物理的世界
是左右对称的。
所以，这个是一个
最基本的道理。
可是还不只是这一个。
第二，左右对称
有很大的直觉跟审美的感召力，
这个当然大家都很清楚的，
这个就使得大家觉得
非要是对称才好。
所以，大家自然就倾向
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相信左右是绝对对称的。
还有第三个道理，
在1920年到1930年以后，
量子力学大大地发展，
量子力学
是20世纪物理学里头
最重要的一个大的革命。
这个革命以后，
这个宇称守恒
就发现非常准确地
在原子物理世界里头
一切的现象都是守恒的。
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而且这个宇称守恒在理论上
跟实验研究中
都变成一个工（具）。
因为你知道它符合宇称守恒，
你用了这个宇称守恒这个观念
可以拿来研究新的现象，
发现出来的新的现象
都跟所有的东西都互相吻合。
所以，过了些时候以后
就直（接沿着这条路线）走
这个宇称守恒就变成了
一个工具，
这个工具你用久了以后，
自然而然你也觉得这是天然的，
是不可能错误的。
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所以，有了这三个道理，
这个大家就觉得
宇称守恒绝对不会错的。
那么刚才我讲了
在很多实验里头都做了，
都证明宇称是守恒的，
特别的
是在众多的β衰变的实验。
β衰变是在20年代初年
经过柏克勒尔、居里夫人
跟她的丈夫居里
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他们三个人研究出来的
有放射性的元素。
而这个放射性的元素
其中一个放射叫做β衰变，
β衰变特别的地方
就是一个原子核
变成另外一个原子核，
放出来一个电子，
这个电子当时给它的名字
叫做β。
所以，这一类的现象
叫做β衰变。
那么β衰变
因为发现得比较早，
是20世纪初年发现的。
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所以，到了第二次世界大战以后，
已经有上千个β衰变的实验
做过了。
那么，这些实验
拿来研究的时候
都跟宇称守恒符合，
而且就是我刚才讲的，
用了宇称守恒这个观念
变成一个工具，
对于了解β衰变里的种种现象
都知道得很清楚。
所以，这个β衰变
跟这个整个的这个宇称守恒
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就紧密地结合在一起。
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在这个情形之下，
当然任何一个研究β衰变的人
他就不肯听你说
宇称可以不守恒。
因为你要讲宇称一不守恒，
把他从前所知道的那个
β衰变的东西都整个的垮台，
他当然不肯相信你这个。
所以，总而言之，
由刚才讲的三个道理
大家认为宇称不守恒
是绝对不可思议的。
我当时在Princeton的
Institute for Advanced Study
李政道在哥伦比亚大学，
我们当然也是跟很多的
当时的研究理论物理的

年轻人一样，
都在研究这个问题。
在那年的夏天
从现在看起来，
我们做了三个新的想法。
这三个新的想法
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后来发现是非常重要的。
第一个我们说是
好，宇称守恒
因为有爱因斯坦的方程式，
有牛顿的方程式
有麦克斯韦方程式
所以，宇称是守恒的。
那么现在发现宇称
在θ、τ衰变中不守恒。
那么是不是可能是
世界上所有的这个力量
像牛顿所讲的
跟麦克斯韦所讲的
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这一类力量，宇称是守恒的，
可是像衰变这一类，
宇称是不守恒的。
所以，我们的第一个想法
是说可能不可能
对绝对大多数的力量而言，
就是牛顿跟麦克斯韦的方程式
所讲的宇称是守恒的，
但对于另外一些力量，
另外一些力量
就包括了衰变的，
是未必是这样的，
这是我们第一个想法。
那么这样的想法（出来）以后
（大家）当然就问，
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那是不是这个衰变的现象里头
可能宇称不守恒，
跟牛顿、跟麦克斯韦的不一样。
那么这个里头衰变的现象，
这些θ、τ这种衰变
是刚刚发现的。
可是就像我刚才讲的
β衰变是已经研究很多了，
有上千个实验了。
所以这又引起了
我们对于β衰变，
对于弱相互作用
特别是β衰变做详细的研究。
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我们把当时上千个β衰变的
这些实验都拿来研究研究，
就发现其中有5个或者6个
不同的类别。
我们把这个不同的
都去研究一下。
这个研究的结果使得我们震惊。
因为我们发现原来所有的那些，
那么多的β衰变的实验
都跟宇称守恒不守恒没有关，
大家以为
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它是证明了宇称守恒的，
其实是因为它们并不够复杂。
所以，大家错误地以为
它是证明了宇称守恒。
换一句话说，在β衰变里头
宇称守恒这个现象，
到当时为止是没有证明，
既不证明是对的，
也不证明是错的。
就是说宇称守恒直到目前
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从来没有在β衰变中测试过。
所以，第三个
我们接着就提出来几个实验
去测试在β衰变
跟其他的弱相互作用的时候
宇称是否守恒。
这些实验
都比以前的β衰变的实验
要复杂一点，
以前所以不能够
表示左右对称不对称，
就是因为它们不够复杂。
可是当初没想，
没有注意到这一点，
我们注意到了。
所以，我们就指出来哪些实验，
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我们指出来了五个不同的方向。
在这个方向上
可以真正去测试
在像β衰变的这种里头有没有
宇称是守恒还是不守恒。
我们的文章
在1956年6月22日印出来。
这个我今天还有一个预印本，
当时这个预印本，
这就是当时的预印本的封面。
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有一位我们称他为
可畏的Pauli，
formidable Pauli。
为什么说是f

ormidable？
因为Pauli是比我们
年长20岁的一个大物理学家。
他对于量子力学的开始
就做过极为重要的贡献。
而且他这个人
是讲话非常不客气的，
尤其对年轻的人
是非常不客气的。
所以，如果你要是演讲
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他如果来了的话，
你就得要担心，
他通常坐在第一排，
他坐在那儿的话。
他就是矮胖矮胖的一个人，
他喜欢这样子摇来摇去的。
这个大家都知道的，
而且大家都知道
假如他这个振幅变得大了，
振幅变得大了，就知道
他要问你很稀奇的问题。
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那么Pauli他听说我们这个
所建议的这实验以后，
他不相信。
他说“我不相信
上帝是一个弱的左撇子。”
为什么弱的呢？
就是刚才讲的是弱相互，
衰变系统弱相互作用，
是讲的是左撇子的意思，
他说就是，
他说左右是不对称的。
而且他说我准备
投入一笔很大的金额，
实验将会得出一个对称的分布，
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对称的分布就是宇称是守恒的。
Feynman是另外一个
大理论物理学家，
他只比我大4岁，
他当时是36岁。
他跟一个另外一个
重要的物理学家打赌
五十对一，
说是宇称必定是守恒的。
那么等到后来
发现宇称不守恒了以后，
他就乖乖地写了一个支票，
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50块钱，给了跟他打赌的，
结果那个人
没有把这个支票去兑现，
把它放一个镜框里了，
挂在他办公室里头。
在座很多人，
很多同学也许看过一本书，
这本书很有意思
是Feynman因为喜欢讲故事，
那么后来他的一个朋友
把这个故事出了一本书
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叫做《Surely You're Joking,
Mr. Feynman》
你看了这书以后
就比较对于Feynman
这个人的作风多了些了解。
Felix Bloch是一个
重要的理论和实验物理学家。
他是因为发明了
Nuclear Magnetic Resonance
得到了诺贝尔奖。
大家知道
Nuclear Magnetic Resonance
后来就引导出来了
MRI这个imaging，
这个imaging
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对于今天的医药、医学的
这个diagnosticate是有益的
每年我想恐怕有上亿的人
来做这个MRI的这个照片。
他说假如宇称不守恒的话，
他就把他自己的帽子给吃掉。
Bloch是1905年出生的，
他是Heisenberg的学生。
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那么他得了博士学位的时候
正是世界大萧条的时候，
所以，他找不着事情。
那么那时候他在德国，
最后他得到了一封信，
这个是从斯坦福大学来的，
邀请他到斯坦福大学
做一个助教授。
那么斯坦福大学
那时候没有名，
你们在座的同学
一定都知道斯坦福大学
现在是世界第一流大学，
可是在30年代初
斯坦福大学
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是一个很小的大学，
没有人知道。
所以，Bloch
接到这个聘书以后，
他不知道这个学校在什

么地方。
他要打听了半天，
大家都不知道，
于是他就去找Heisenberg。
Heisenberg说Stanford，
哦，想了半天，说，
哦，是是是，
是一个很小的学校，
从San Francisco
坐streetcar去，
你走一个钟头以后，
就到了那个学校了。
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结果Bloch没有办法，
他找不着别的事情，
所以，就到了那个学校
做了教授。
到第二次世界大战以后，
那个学校大大地发展，
他就是Stanford的
第一个得到
（the）Nobel Prize的教授。
那么我们这个文章写，
发出去以后，大家都不相信。
那么李政道跟我觉得
我们指出来一个
非常重要的事实，
就说是在弱相互作用之中，
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宇称守恒缺乏实验的证明。
可是我们自己并不相信
宇称在任何相互作用之中
会不守恒。
换一句话说
我们也跟所有的人
这个直觉的想法是一样的，
觉得当然宇称是守恒的，
所以，我们并没有觉得
我们写出来这个文章
会指出来正确地走出
θ-τ谜的这个道路。
我们只觉得我们这篇文章
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写得很好，
因为指出来需要再做一个实验，
你如果做了这实验
也就证明左右是对称的，
所以，还需要找θ-τ
另外找它的解释。
所以，我们当时
并没有觉得是这样。
怎么证明呢？
因为假如我们当时知道
这是真的的话，
那么我们当然立刻就拼命
做这个宇称不守恒方面的文章。
我们当时没有去做，
事实上我们的文章发出去以后，
我们就改变了方向，
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做一些统计力学的文章。
一直到了半年以后，
吴健雄发现宇称确实是不守恒，
于是我们立刻就放弃了
所有的统计力学。