上帝是左撇子吗——一部发生在物理学黄金年代的悬疑大片_风闻

 作者：汪诘

一

先从一个假想的故事开始。如果有一天，我们与距离地球极为遥远的某个外星文明取得了联系；又假定，由于某些奇怪的原因，我们只能给这个外星文明传送嘀嗒嘀嗒的长短脉冲信号，除此之外，无法传送任何东西供其观察——现在，我们想告诉这个外星文明有关地球上人类的一切，大家想一想该怎么办。

这个问题似乎并不难解决。第一步，先定义数字。数学是全宇宙通行的语言，用脉冲信号的长短来定义0和1这两个数字就足够了。因为数学规律与多少进制没有关系，不论是几进制，得出的数学规律都是一样的。有了数字，我们就可以告诉外星人许多信息。例如，可以用数字3.1415926来指代圆。

但是，我们很快就会面临一个难题：如何让外星人把我们的心脏放在正确的位置?

你可能会说，放在左边啊。可是，哪边是左边?这个问题如果是问地球人，他会回答“你的左边就是左边”，但现在与我们交流的是外星人。细想一下就不难发现，我们无法用自然语言准确地告诉外星人“左”和“右”的定义。这是一个不折不扣的难题。

如果这个问题出现在1956年之前，那么，所有科学家都会挠头。究其原因，那时的科学家有一个共同信念：上帝不偏爱任何方向，在宇宙中，所有物理现象都是镜面对称的。如果观察一个物理实验，不论是直接观察，还是通过一面镜子观察，最终得到的物理规律都是一样的。

这个共同信念，在物理学上有一个名词，叫作“宇称守恒”。

在1956年以前，宇称守恒与能量守恒一样，被认为是物理学中的基本原理，是金科玉律，是共同信念。也正是基于这样的共同信念，科学家会告诉你，对不起，我们真的没有办法用自然语言让外星人在“左”和“右”的定义上与地球人达成一致。无论让他们做什么样的实验，“左”和“右”都是完全对称的，没有任何区别。

既然说这是1956年以前的情况，那么剧情自然就在1956年发生了反转。

这可谓一部发生在物理学黄金年代的悬疑大片。

二

事情得从1947年说起。

那一年，实验物理学家发现，宇宙射线中有一种被称为“θ粒子”(θ读作“西塔”)的奇异粒子，它在衰变之后，产生了2个π介子。1949年，实验物理学家又发现了一个新的奇异粒子，它衰变后产生了3个π介子，人们又把这种奇异粒子叫作“τ 粒子”(τ 读作“桃”)。为了后面讲述方便，我们姑且把这两种粒子分别叫作“西子”和“桃子”。

西子和桃子的发现，当然不是什么令人瞩目的大事，不同的粒子有不同的衰变方式，就好像人有不同的死法一样，这很正常，没什么好奇怪的。但是，接下来，这两个“子”出了大问题，把物理学江湖搅了个天翻地覆。

随着实验的进行，人们发现，西子和桃子除了衰变方式不一样，其他方面的性质全都一样：质量和电荷是相等的，衰变所需时间也是相同的，再有，无论何时生成这两种粒子，它们总是以一定的比例出现。比如说，14%是桃子，86%是西子。这就好像有两只鸭子，无论用任何方式去观察比对，它们都是完全一样的。按理说，它们应该是同一种动物，但问题是，偏偏它们死掉以后会变得不一样。西子和桃子唯一的不同点，用物理学术语来说，就是在它们衰变后测量到的宇称不同。而宇称是一个实实在在的物理量，是可以测量的，而且当时几乎所有物理学家都秉持着一个信念，那就是宇称守恒。既然西子和桃子死后的宇称不同，那当然就不可能是同一种粒子嘛。这就好像有两只鸭子被我们吃掉消化后，经过精确无比的测量，证实我们得到的能量有所不同，那么这两只鸭子生前也肯定是不同的动物，因为能量守恒嘛。

于是，物理学家都在尽力改进实验设备和方法，想寻找西子和桃子的不同点，因为他们坚信，既然它们是两种不同的粒子，那就一定能找到不同点。然而，一切努力都徒劳无功，除了衰变后的宇称不同，两种粒子实在无法区分。

物理学家们陷入了迷惘和思索之中。这种困境，在当时被物理学界称为“θ - τ之谜”。

在距离美国东海岸不远的新泽西州，有一处学术圣地，伟大的爱因斯坦不久前在那里与世长辞，那就是著名的普林斯顿高级研究所。而此时，34岁的杨振宁和30岁的李政道，正形影不离地走在校园中，热烈地讨论着“西桃之谜”。

这对来自中国的青年才俊根本想不到，一年之后，他们将因此时此刻讨论的问题，同时获得诺贝尔奖。

三

就是在这一年，1956年，在纽约的一家餐馆中，杨振宁和李政道突然想到，似乎之前所有证明宇称守恒的实验，都没有仔细地按照不同的相互作用来分类。那么，宇称会不会仅仅在弱相互作用中不守恒，而在其他相互作用中是守恒的呢?

这里解释一下什么是弱相互作用。牛顿把“力”定义为物质之间的相互作用，万有引力是人类发现的第一种相互作用；电磁力是第二种；进入量子时代后，在粒子物理学中，人们习惯性地使用“相互作用”这个词，而不是“力”。强相互作用就是把质子和中子结合在原子核中的一种“力”。弱相互作用则只作用于电子、夸克、中微子等。

有一种弱相互作用叫作β衰变。1896年，物理学家贝可勒尔发现了铀原子的放射性现象，92号元素铀能够自发衰变成82号元素铅。卢瑟福和汤姆逊在一年后发现，铀在衰变过程中会产生3种不同的放射线。准确地说，大自然中没有线，所有的线都是由粒子组成的。你可能会问，他们怎么知道是3种不同的粒子呢?原理其实很简单，就是让放射线通过一个磁场，然后他们就发现，在磁场中，放射线的偏转方向有所不同，根据电荷在磁场中受力的原理，也就知道了铀在衰变过程中释放出带正电、负电和不带电的3种粒子。他们把带正电的叫作α射线，带负电的叫作β射线，不带电的叫作γ射线。那么，发出β射线的衰变过程，就叫作β衰变。

在随后的两个星期里，杨振宁和李政道设法找来大量有关β衰变的实验数据，开始动手计算，验证宇称是否守恒。这个过程涉及极为枯燥和复杂的数学计算，而且当时还没有计算机可以作为辅助。最后，他们算出的结果是一致的：数据不足，没有结论。换句话说，他们惊讶地发现，过去所有β衰变的实验数据都既不能证实，也不能证伪宇称守恒。

这个突破口一旦被找到，后面的事情就如同开闸放水，一泻千里。仅仅用了一个月，他们俩就共同完成了那篇名垂青史的论文——《弱相互作用中的宇称守恒问题》，并投给了著名的学术期刊《物理评论》。1956年10月，文章被发表了。

这是近代物理学史上最重要的论文之一。在这篇论文中他们提出，在强相互作用和电磁相互作用中，宇称在很高的精度上是守恒的；但在弱相互作用中，宇称守恒只是一个外推性的假设，甚至可以认为，“西桃之谜”恰恰是弱相互作用中宇称守恒的反例。为了毫不含糊地确定在弱相互作用中宇称是否守恒，他们必须完成一个实验，以确定在弱相互作用中“左”和“右”是否相同。

四

论文发表后，遭到了绝大多数著名科学家的反对——要打破一个信念何其艰难。物理学家菲利克斯·布洛赫在看了论文后决绝地说：“如果宇称真的不守恒了，我就把我的帽子吃掉。”

实验是检验物理理论的唯一标准。对杨振宁和李政道而言，比科学理论更重要的是科学实验。不幸的是，他们俩都不是搞实验的。

起初，他们找到了著名的实验物理学家莱德曼，但遭到拒绝。莱德曼开玩笑说：“一旦能找到一位绝顶聪明的研究生供我当奴隶使用，那我就会去做这个实验。”这当中还有一个很重要的原因就是，这个实验的难度极高，而且花大量的时间和精力去做一个很可能没有任何价值，只会反向证实一些人们早就相信的事情的实验，是不值得的。

这时候，他们生命中最重要的贵人出现了，这就是他们的中国同胞，足以和居里夫人媲美的物理学家吴健雄博士。吴健雄在物理学史上的地位极高，她是当时全世界最优秀的几位实验物理学家之一——有些书甚至不加“几位”“之一”。

李政道找到了在美国哥伦比亚大学执教的吴健雄。听完说明后，吴健雄毅然放弃了和丈夫一起回中国探亲的计划。她已经20年没有回过祖国，本来连船票都买好了。

吴健雄一头扎进实验室，这一年的物理学界注定要掀起轩然大波。

以“毒舌”著称的著名物理学家泡利，在得知吴健雄正在做实验的消息后对朋友说：“像吴健雄这么好的实验物理学家，应该找一些更重要的事去做，不应该在这种显而易见的事情上浪费时间。我不相信上帝是一个左撇子，我愿意打一个赌，实验一定会给出一个守恒的结果。”

吴健雄选择了杨、李论文中建议的一个实验，就是把元素钴-60的核冷却到接近绝对零度，这样原子的热振动基本就消除了，然后再用一个磁场使得这束原子核按照同一个方向自旋。如果宇称是守恒的，电子就会以相同的数量向两个方向飞出；如果宇称不守恒，那么一个方向上飞出的电子，将会比另一个方向飞出的电子多。

1957年1月9日凌晨两点，吴健雄小组做了最后一次查证，实验终于结束。好多天前，他们就已经知道结果，这次实验是出于对重大成果的极度谨慎才进行的。实验小组一共5个人，他们打开了事先准备好的葡萄酒，庆祝一项伟大物理学成就的诞生：弱相互作用下，宇称不守恒。

6天后，哥伦比亚大学做了一件史无前例的事：为这个实验举行了一次新闻发布会。物理系主任在发布会上说：“在某种意义上，一个相当完整的理论结构已从根本上被打碎。”

没过多久，包括之前拒绝做实验、肠子都悔青了的莱德曼在内的几个物理学家的验证结果相继出炉，以更加详尽的实验数据验证了吴健雄的实验结果。

整个物理学界都轰动了，“西桃之谜”终于被解开，这是一个无可比拟的、重大的、革命性的进展。这个实验也被认为是继“迈克耳孙-莫雷实验”之后最重要的物理实验。当年的诺贝尔物理学奖被以火箭般的速度颁给了杨振宁和李政道，创下了诺奖历史上绝无仅有的“当年出成果当年颁奖”的传奇。

按理说，吴健雄也完全有资格获此殊荣。许多大科学家都对吴健雄未获奖一事公开表示了失望。1988年的诺贝尔物理学奖得主史坦伯格就认为，那年的诺贝尔奖没有同时颁给吴健雄，是诺贝尔物理学奖委员会最大的失误。

由于诺奖甄选资料的保密期是50年，因此在2006年之前，这一直是个谜。后来文件解密了，大家才知道真正的原因：吴健雄的实验也有美国国家标准局低温实验科学家安伯勒的功劳，但诺奖的评奖规则是最多同时颁给3位科学家，这样一来，委员会就犯难了，如果颁给吴健雄而不给安伯勒，有失偏颇。他们权衡再三，只好将吴健雄的名字去掉。

到这里，本文开头提出的那个问题就有了答案，现在我们可以对外星人说：“听着，你们先制造一块磁铁，把线圈绕上去，让电流通过，随后取一些27号元素钴，把它的温度降低到尽可能接近绝对零度，然后……(此处略去几百字专业性比较强的实验描述)。好了，现在你们看到的电流流出的方向，就是我们地球人所谓的左边。”

上帝他老人家居然真的是一个左撇子，他偏爱左边。

科学再一次向我们展现了它强大的自我纠错能力。

所有科学理论都有一个非常重要的特征：科学理论是有适用范围的。任何一项科学理论，都只能说其在某个范围内是正确的。这句话反过来理解会更重要、更有意义——当我们说推翻了一个现有的理论时，其实并不是说现有理论错了，而只是将现有理论的适用范围框定在了某个精度之下。

如果未来有一天，科学家告诉我们现在的量子理论是错误的，能量守恒也是错误的，那也并不会导致我们今天在这些理论指导下发明的手机、电脑不工作了。我们可以跟那时的人们说，对不起，在我们当前的适用范围内，这些理论会一直、永远正确下去。在相对论“推翻”牛顿力学的100年后，人类所有的航天器发射依然需要用到牛顿力学。科学精神，让我们得以正确认识科学理论的错误。