利昂·萊德曼：在那個週末的晚上，我想到了如何破壞宇稱丨展卷_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-07-31 09:37
1957年1月4日，在哥倫比亞物理系傳統中式午餐聚會上，萊德曼從李政道那裏聽得吳健雄正在進行的宇稱實驗正取得了初步成果。他想要通過另一種方法來驗證宇稱是否守恆——觀察自旋粒子π介子和μ子的衰變，正是李政道和楊振寧1956年論文中提出的其中一個實驗設想。當天晚上，萊德曼構思了實驗方案，如果成功，他們將看到“巨大的效應”。在The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?一書中，萊德曼詳細回顧了這段經歷，故事的結局是萊德曼和同事在四天內就見證了“上帝的破壞”，並且等待吳健雄檢驗結果後一起發表論文。本文僅介紹萊德曼在開車路途中是如何想到把實驗的一連串奇蹟變成現實的。
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撰文 | 利昂·萊德曼（Leon M. Lederman） 、迪克·太雷西（Dick Teresi）
翻譯 | 米緒軍、古宏偉、趙建輝、陳宏偉
校者 | 尹傳紅
我無法相信上帝竟然是一個軟弱的左撇子。
——泡利
所謂科學客觀性的測試，就是不要讓熱情影響到方法論和自我批評精神。
——利昂·萊德曼
上海餐館
又逢星期五。時間定格在1957年1月4日，中午12點。星期五是哥倫比亞大學物理系的教工們傳統的中式午餐日。10~15個物理學家先是聚集在李政道教授辦公室的門外，然後結伴從第120大街的普平物理樓向山下的第125大街和百老匯大街路口的上海餐館走去。午餐聚會始於1953年，當時李政道剛剛拿到博士學位不久，從芝加哥大學來到了哥倫比亞大學。這時的他作為理論巨星，已有了極高的聲望。
星期五的午餐上人聲嘈雜，人們三三兩兩地談論着，享用着冬瓜湯的美味，品嚐着游龍戲鳳、小蝦球、海蔘或是其他辛辣的中國北方大菜。在1957年，這些菜還不算太流行。在去的路上，我們已經很清楚這個星期五的交流主題了，那就是宇稱和我們哥倫比亞大學的同事、當時正在華盛頓國家標準局指導一個實驗的吳健雄所帶來的最新消息。
在午餐會開始討論嚴肅話題之前，李政道先在一個恭敬的餐館領班遞來的小便箋本上點菜——每星期來吃飯他都要幹這些瑣事。李政道點菜很有派頭，那真是一種藝術。只見他瞅了一下菜單、便箋本，用漢語向服務員問了一個問題，而後皺皺眉頭，提筆畫過紙面，認真地寫了幾個符號。接着是另一個問題，在一個符號上做了一下改動。為了得到神的指引，他瞥了一眼錫制的浮雕天花板，然後，大筆一揮而就。最後再看時，他的兩隻手都停在便箋本上，一隻手五指伸開，傳遞着教宗對眾人的祝福，另一隻手則握着鉛筆桿。一切盡在此間？陰陽和色香味的完美交融？把便箋本和筆都遞給服務員以後，李政道加入談話中來。
“吳女士打電話告訴我，她的初步數據表明了一個驚人的效應！”他興奮地説。
讓我們回到那個一面牆上有塊鏡子的實驗室（上帝創造的那個真實的世界）吧。我們的一般經驗是，不論我們對着鏡子舉起什麼，不論我們在實驗室裏做何種實驗——散射、製造粒子、像伽利略所做的那類重力實驗，等等——鏡中實驗室裏的一切都遵從同樣的支配真實世界的各種自然定律。我們先來看一下違背宇稱守恆是如何表現出來的。為了給手性做一個最簡單的客觀測試，不妨找一個“特維洛”星球的居民，讓他使用一個右旋的螺釘。現在，他面對着打洞的一端，順時針旋轉螺釘。如果螺釘鑽進一塊木頭裏，則將其定義為右旋螺釘。顯然，鏡子裏展現的是一個左旋螺釘，因為鏡子裏的那位“特維洛”居民正在逆時針旋轉螺釘，且螺釘也鑽進去了。好，現在假設我們生活在一個不可思議的世界（比如《星際迷航》中的幻想星球）上。在這裏不可能使用一個左旋的螺釘——完全與物理定律背道而馳。這樣，鏡像對稱將被破壞；右旋螺釘的鏡像將不會存在，而宇稱守恆則被破壞。
這就是前奏。李政道和他在普林斯頓高等研究院的同事楊振寧建議檢驗一下弱相互作用下物理規律的有效性。我們需要右旋（或左旋）粒子的等價物。像機械螺釘那樣，我們需要把旋轉和運動方向組合起來。考慮一個自旋的粒子——μ子，把它看作一根繞着自己的中心軸自旋的圓柱體，我們就有了旋轉。因為μ子圓柱的兩端是完全相同的，我們不能説它是順時針自旋還是逆時針自旋。為了弄明白這一點，你可以把它放到你和你最喜歡的一個對手之間。當你發誓説它是向右旋轉（順時針方向）的時候，他卻堅持它是朝左旋轉。沒有什麼辦法爭出個你對我錯來。這是一個宇稱守恆的情況。
李、楊的天才就是：通過觀察自旋粒子的衰變，引入（他們想要檢驗的）弱相互作用。μ子的一個衰變產物是電子。假定大自然命令電子都只從圓柱的一端跑出來，這就給定了一個方向；而且，我們也就可以確定自旋的概念了——是順時針還是逆時針——因為一端已經被定義（電子出來的方向）。這一端起到了螺釘釘尖的作用。如果相對於其剛剛衰變出來的電子，μ子的自旋方向向右（順時針），就像機械螺釘相對於釘尖的旋轉，那麼我們就已經定義了右旋的μ子。現在，如果這些粒子總是按照定義的右手性方式衰變，那麼我們也就有了一個違背鏡像對稱的粒子過程。這是我們在μ子的自旋軸平行於鏡面時看到的情形，鏡子中的像是一個左旋的μ子——但它並不存在（如下圖）。
雖然有關吳健雄的情況在聖誕假期前後就已經傳開了，但新年後的星期五是放假後物理系的第一次聚會。1957年，吳健雄像我一樣在哥倫比亞大學任物理學教授，她是一名很有建樹的實驗科學家。她的研究專長是原子核的放射性衰變。她精力異常充沛，對學生和博士後要求很嚴格。在分析實驗結果時，她也相當仔細、認真，她發表的實驗數據以準確性高而廣受讚譽。
1956年夏天，當李政道、楊振寧挑戰宇稱守恆的正確性時，吳健雄幾乎馬上就着手驗證。她選擇不穩定的放射性原子鈷60的原子核作為實驗對象。鈷60的原子核會自發地衰變為一個鎳核、一箇中微子，以及一個帶正電的電子（正電子）。我們能“看到”的是，鈷核會突然放射出一個正電子。這種形式的輻射被稱為β衰變，因為在這個過程中放射出來的電子不論正負最初都被稱為β粒子。為什麼會發生這種現象呢？物理學家稱其為弱相互作用，並認為有一種可以引起這種反應的力作用在自然界中。力不僅僅是推和拉、吸引和排斥，還可以引起物質種類的改變，如鈷變成鎳並輻射輕子的過程就是這樣。從20世紀30年代起，大量的反應被歸因於弱相互作用。偉大的美籍意大利科學家費米率先給出了弱相互作用的數學形式，這使得他可以預言像鈷60發生的這種反應的許多細節。
李政道和楊振寧在他們於1956年發表的論文《弱力中的宇稱守恆質疑》裏，挑選了一系列反應，並檢查了實驗中宇稱——鏡像對稱——不受弱相互作用支持的蛛絲馬跡。他們感興趣的是從自旋的原子核裏放射出的電子的方向。如果電子更偏愛其中一個方向，那就像是給鈷核穿上了縫有紐扣的襯衫。這樣的話，我們也就能夠説出哪個是真實的實驗，哪個是鏡像了。
是什麼區別了普通的科學工作和偉大的思想？對一首詩、一幅畫、一支曲子也可以問類似的問題——實際上，甚至連法律訴狀之間也會有天壤之別。藝術作品要靠時間去最終裁定；而在科學中，一個思想、一種觀念的對錯則要由實驗來判定。如果它是光輝的思想，那麼往往就會開闢一個新的研究領域，催生一大批新的問題，而一大堆老問題則迎刃而解。
李政道思維縝密，無論是午餐時的點菜，評論一些中國古瓷器，抑或是評價一個學生的能力，他的觀點都鋒稜嶄然，有如巨匠運斤，不差分毫。在李政道和楊振寧（我不是很瞭解楊振寧）關於宇稱的論文裏，那寶貴的思想就有許多尖鋭的觀點。他們靠中國人的那股子衝勁，質疑一個曾經認為是牢不可破的自然定律。李政道和楊振寧意識到，所有這些已導致“構造完善”的宇稱定律的大量數據，與引起放射性衰變的自然現象即弱相互作用毫無關係。這又是一個閃光而尖鋭的觀點：它第一次讓我們明白，自然界不同的力可以有不同的守恆定律。
李政道、楊振寧挽起袖子上陣，汗水涔涔，靈感不斷。他們查驗了大量有希望用來測試鏡像對稱的放射性衰變反應。在論文裏他們還十分細緻地分析了可能的反應，以便保持沉默的實驗家能夠檢驗鏡像對稱是否有效。吳健雄設計了其中的一個實驗，她使用的是鈷的反應。她的方法的關鍵是確保鈷核——哪怕只有很少的一部分鈷核——能以同樣的方式自旋。吳健雄提出：要確保這一點，可以讓鈷60源在極低温度下工作。她的實驗極其精密，需要用到很難找到的低温裝置。為此她求助於國家標準局——那裏擁有非常先進的自旋調節技術。
那個星期五宴席上的倒數第二道菜，是用黑豆醬油加上葱和韭菜燜出的大鯉魚。在上這道菜的時候，李政道反覆強調了這一關鍵信息：吳健雄發現的效應非常顯著，超出我們期望的10倍以上。雖説數據還沒有看到，是試探性的，而且還很初步，但（李政道給我夾了魚頭，他知道我喜歡）如果效應的確非常顯著的話，就像我們所期待的那樣，如果中微子是兩種成分……我聽着聽着就走神了，不知道他繼續在説些什麼，因為一個新的想法漸漸地浮現在我的腦海裏。
巨大的效應
午餐之後還有一個專題研討會、系裏的一些例會、一個社交茶話會，以及一個學術討論會。所有這些活動我都心不在焉，心裏一直掛念着吳健雄正在觀察一個“巨大的效應”。8月份李政道在布魯克黑文的談話，讓我想起了宇稱會在π介子和μ子衰變時缺失的那個想法。我們一度忽略了它。
巨大的效應？8月份我曾經粗略地看過π-μ衰變鏈，並且意識到應該設計一個合理的實驗，要在兩個連續的反應中有宇稱破壞。我一直在回憶8月份我們曾經做過的計算。然而，倘若效應非常顯著的話……
下午6點左右，我驅車向北行駛，回到位於多布斯費裏的家中吃晚飯。然後，又在這個寂靜的夜晚前往哈得孫河畔歐文頓的尼維斯實驗室跟我的研究生換班。尼維斯實驗室中的400兆電子伏加速器是生成介子及研究其性質的主力干將，20世紀50年代，介子可是一種相當新的粒子。在那些快樂的日子裏，只有幾種介子值得關心，而尼維斯關注的是π介子和μ子。
在尼維斯實驗室，我們擁有高強度的π介子流，它們出自一個被質子轟擊的靶。π介子並不穩定，它們從靶裏飛出，脱離開加速器，穿過屏蔽牆，再進入實驗廳，其間有大約20％的粒子經歷了弱衰變，轉變為一個μ子和一箇中微子。
π→μ+ν（在飛行過程中）
μ子通常與π介子沿同一方向飛行。如果宇稱規律被推翻，自旋軸的方向與運動方向一致的μ子數量，就會多於自旋軸的指向與其飛行方向相反的μ子的數量。如果效應巨大，大自然或許會給我們提供粒子全都以同樣方式自旋的一個實例。這就是吳健雄把鈷60冷凍在温度極低的磁場裏的情形。關鍵是要觀察到已知自旋軸方向的μ子衰變為一個電子和一些中微子。
靈感誕生於途中
星期五晚上，從索米爾河公園路驅車向北，一路上車水馬龍，甚是繁忙，沿途能夠模模糊糊看到為森林所覆蓋的美麗丘陵。這條路沿着哈得孫河蜿蜒曲折，經過裏弗代爾、揚克斯徑直向北。途中我盤算着可能的“巨大效應”，不時有一種豁然開朗的感覺。
對於自旋的物質來説，如果有任何一個方向的自旋軸在粒子衰變中佔優勢，那就會呈現出這種效應。一個不明顯的效應可能是，相對於自旋軸的方向，在一個方向上射出的電子有1030個，而另一個方向有970個，這就很難下結論。但一個巨大的效應就是説1500∶500，這樣情況會簡單得多。這個幸運的巨大效應還將有助於安排μ子的自旋。要做這個實驗，我們需要所有μ子都朝一個方向自旋的實例。由於粒子要從迴旋加速器運動到我們的裝置裏，因此μ子的運動方向可以作為μ子自旋的參照。我們需要大多數μ子都是右旋的（或者都是左旋的，這無關緊要），現在把運動方向看作“大拇指”。μ子將會飛出去，通過幾個計數器，最後在一個碳塊裏停下來。而後我們數出有多少電子沿着μ子的運動方向出現，又有多少電子以相反的方向出現。數量的巨大差異將是宇稱破壞的證據。然後，我們就會聲名遠揚，好運不斷！
突然，一個念頭攪亂了這個普普通通、安寧靜謐的星期五夜晚，我想我們可以輕而易舉地做這個實驗。我的研究生馬賽爾·温裏克（Marcel Weinrich）一直在做一個跟μ子有關的實驗。他的實驗裝置稍加改造就可以用來尋找那個巨大的效應。這時我又回顧了用哥倫比亞大學的加速器製備μ子的方法。作為這方面的專家，很多年以前我就跟丁洛特一道設計過外來的μ子和π介子束，那時的我還是個魯莽的研究生，而機器也是嶄新的。
我的腦海裏浮現出了整個過程：一座加速器，帶有一塊重達4 000噸的磁體，圓形磁極的直徑約有20英尺，加速器裏面夾着一隻巨大的抽空了空氣的不鏽鋼箱子，即真空腔。一個由微小管道注入的質子流進入磁體的中心。質子在很強的射頻電壓下反覆衝刺，螺旋式前進。當粒子到達螺旋式旅途的終點時，已經具有400兆電子伏的能量。在真空腔的邊界附近，我們的磁體基本上鞭長莫及的地方，一根載有石墨片的小棒等着被高能質子轟擊。它們所具有的4億伏高壓，足以使這些高能質子在與石墨靶上的碳原子核相撞時產生新的粒子——π介子。
此刻我彷彿正目不轉睛地注視着π介子在質子的衝擊下向前噴射的一幕。它們在迴旋加速器強大磁體的磁極間誕生，沿着一條舒緩的曲線飛掠而出，消失在迴旋加速器之外。那裏隨即出現了μ子，繼續着π介子的未盡之旅。磁極片外迅速消失的磁場使μ子沿着隧道穿過10英尺厚的混凝土防護牆，來到實驗大廳，在這裏我們已經恭候多時了。
實驗室裏，馬賽爾正在啓動設備。μ子會慢慢地落到一個3英寸厚的濾波器裏，然後被送到一塊含有各種元素的1英寸厚的材料裏暫存。μ子會與材料裏的原子温和地碰撞而失去能量，並由於帶有負電荷而最終被帶正電荷的原子核俘獲。由於我們不想讓任何東西影響μ子的自旋方向，而被俘獲進軌道則是毀滅性的，所以我們要使用帶正電荷的μ子。帶正電荷的μ子會做什麼呢？可能就是在那裏默默自旋直到衰變。材料必須謹慎選取，碳看起來就很合適。
現在，一個關鍵的想法浮現於我這個在1月的某個星期五驅車北行的司機的腦海裏。如果在π介子衰變時產生的所有（或幾乎所有）μ子能夠以某種方式把自旋調整成同一方向，那就意味着π介子到μ子的反應違背了宇稱守恆，並且是嚴重地違背。一個巨大的效應！現在，假設μ子沿着優美的弧線飛出機器穿過隧道的時候，它們的自旋軸與運動方向保持平行（如果g因子接近2，這就是會發生的實際情況）；再進一步假設，μ子與碳原子發生的數不清的温和碰撞，在使自己逐漸慢下來的同時，並不影響自旋與運動方向之間的關係。如果這一切真的發生了，那就太離奇了！我就會有了一個讓μ子進入材料塊裏暫存，並以相同方向旋轉的方案。
看起來，一個成功的實驗似乎需要一連串的奇蹟。的確，當8月份李政道和楊振寧宣讀他們那藴含着小效應的論文時，因為需要這種一連串的奇蹟而讓我們感到灰心喪氣。一個小效應還可以被耐心征服，而兩個連續的小效應——如百分之一的百分之一——則會讓實驗希望渺茫。為什麼是兩個連續的小效應呢？回想一下，大自然得提供這樣的π介子，它們能衰變成自旋方向大體一致的μ子（奇蹟一）；μ子還必須能衰變成這樣的電子，它們相對於μ子的自旋軸明顯不對稱（奇蹟二）。
經過揚克斯收費站（1957年時收費5美分）的時候我變得激動萬分。我真的感到非常肯定，如果宇稱破壞是明顯的，那麼μ子就是極化的（自旋軸指向同一方向）。我還弄明白了μ子自旋的磁特性，乃是由於磁場作用把其自旋方向都“扳”到粒子運動方向上去的緣故。至於μ子進入吸收能量的石墨以後會發生什麼事情，我還沒有太大的把握。如果我弄錯了，那μ子的自旋軸就會五花八門。真要是那樣的話，就無法觀察電子相對於自旋軸的放射了。
讓我們再來回顧一下。π介子的衰變產生了自旋方向與運動方向一致的μ子，這是奇蹟的一部分。現在我應該讓μ子停下來，以便觀察它們衰變時放射出來的電子的方向。由於我們知道它們在撞擊碳塊之前的運動方向，所以，假如沒有什麼東西使它們發生轉動的話，我們就會搞清楚它們停下來發生衰變時的自旋方向。現在要做的事情，就是在碳塊周圍轉動我們的電子檢測臂，那裏μ子正等着檢查鏡像對稱呢。
我重新思考着要做的事情，手掌心開始出汗。計數器全都有了。那些告訴我們高能μ子到達後緩慢進入石墨塊的電子器件，現在已經就位並順利通過測試，用於檢測μ子衰變產生的電子的由4個計數器構成的“望遠鏡”也有了。我們要做的事情就是把這些東西按一定的方式固定在一塊板子上，再把它圍繞石墨塊的中心安裝好。只需一兩個小時的工作。喔！可我覺得，我們又將度過一個不眠之夜！
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