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二十世紀十大物理試驗(二)
送交者: ZNB 2003年10月27日17:46:59 於 [教育學術] 發送悄悄話

二:誰動了我的鏡子?

  世人評說美女,溢美之詞從古至今不絕於耳,其實歸根結底也無非是兩點,其一曰容
貌,其二曰身材,兩者的完美結合就是傳說中的stunning beauty.物理學也是一門極度崇
尚美感的科學,它的美也無非是兩點,其一曰簡潔,其二曰對稱。兩者一結合也是一種駭
人聽聞的Beauty,典型的如電磁學中的麥克斯韋方程(Maxwell equation)。有修過電磁
學的人大概都有同感,在經歷過眼花繚亂的電學和磁學的公式以後,突然出現在末尾的麥
克斯韋方程簡直給人一種驚艷如斯的感覺,簡簡單單幾個樸素的聯立方程竟然把整個電磁
學囊括其中。當然,很多人對這種突如其來的美感的欣賞也只是停留在很膚淺的層次,確
切的說是局限在它的簡潔美。這其中甚至包括它的創始者Maxwell本人。如果有人能從電
磁學讀本中的麥克斯韋方程中看到更深刻的東西,譬如對稱性,那麼恭喜你,你實實在在
是有作物理學大師的潛力。

  歷史上就是有個人從方程中讀出了關於對稱性的另類東西,並且以此為突破口敲響了
統治數百年之久的牛頓力學的喪鐘。那個人就是愛因斯坦,那篇突破性的文獻就是《論運
動物體的電動力學》,直接宣布了狹義相對論的誕生。

  將美學貫徹研究生涯始終的大概也就愛因斯坦一人而已。他年輕的時候早就覺得伽利
略-牛頓體系的絕對空間,絕對時間不夠漂亮,終於從麥克斯韋方程中尋得突破導出狹義
相對論。後來,他又一次覺得傳統物理學對於慣性系和非慣性系的生硬分隔實在不夠美,
終於又一次從引力理論入手,導出了廣義相對論。廣義相對論的誕生完全是一場愛因斯坦
的個人秀,因為當時並無強大的實驗壓力。它可以說是愛因斯坦美學觀念的直接產物。對
稱性在數學上的語言叫群論,其在二十世紀後五十年的物理學中的地位可謂如日中天。當
人們沉醉在對稱所帶來的種種美感和成就的同時,孰料沒過多久就突然被重重敲打了一棒


  事情起因於粒子物理早期著名的TAO,THETA之謎。TAO粒子和THETA粒子是在加速器

發現的兩個性質極其類似的粒子,他們的質量,電荷,角動量等等都是完美的一致,然而
要命的是在TAO和THETA的不同衰變道中表現出的宇稱(鏡像對稱性)完全相反,因此人們
還是忍痛把他們分為兩種不同的粒子。

  其實還可以有另一種解釋,他們根本是同一種粒子,之所以在兩個衰變中表現的宇稱
不同僅僅是因為在衰變過程中宇稱並不守恆而已!!這種幾乎如同皇帝的新裝里那個兒童
的大喊,在當時也是視為笑談。甚至如大名鼎鼎的物理學家,哥本哈根學派的中堅人物泡
利( W. Pauli)也不以為然地說,我不相信上帝是一個軟弱的左撇子,我已經準備好下
一筆大賭注,我敢打賭實驗將獲得對稱的結論。泡利關於物理學的打賭幾乎是個神話,幾
十年來凡是他看準的東西從未錯過。

  這個案例可以說是常識誤導人的又一個經典。上帝似乎是個惡作劇專家,他不停地微
笑着告誡人們,眾人阿,我是愛你們的,可是,你們一定要警惕啊。

  還是有不信邪的人,一位哥倫比亞大學的著名實驗物理學家和美國國家標準局合作,
試圖檢驗在弱相互作用下的宇稱守恆問題。這個實驗在概念上是很簡明的,主要是要利用
一個很強的β放射源(Co60),然後在適當控制下極化這個β放射源,使其具有某一個方
向性,再放在一個利於觀測的環境中,測量這個放射源是不是有一種先天的方向性。當然
,其中涉及到諸如低溫下的原子核的極化等等技術問題,這位偉大的實驗家也是一一克服


  實驗的結果很明確,正如這位實驗物理學家確認後立即給那個先前提出不守恆理論的
那個理論物理學家打的電話里說的一樣,“一句話,宇稱守恆已經死了!”紐約時報很快
以頭版刊出了這個大新聞,他們用的標題是“物理的基本觀念宣稱已經由實驗而推翻”。
隨後,美國物理學會在紐約大飯店舉行了一次史無前例的年會(三千多人參加),來紀念
宇稱不守恆的發現。與會的一位著名物理學家感慨萬千,“經歷過相對論和量子力學的洗
禮,我還以為這輩子的激情已經燃燒殆盡,不料今天我和諸位又一次站到了歷史的轉折點


  說到這裡大家已經很清楚了,提出宇稱不守恆的理論物理學家正是李政道與楊振寧,
而證實它的那位實驗物理學家正是有物理科學的第一夫人之稱的吳健雄。本人最高興的一
點正是在此,一個著名的理論從提出到證實,都是中國人自己作的,這是真正值得全體華
人驕傲的事情阿。而吳健雄的這個證實弱相互作用中宇稱不守恆的經典實驗也足可躋身二
十世紀物理學十大實驗之列。

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