宇称不守恒的发现与未发现

175宇称不守恒的发现与未发现*阿兰·富兰克林※(AllanFranklin)1．引言在这篇文章里，我们要考察自然界中宇称不守恒或者说镜像对称破坏的历史，宇称不守恒是在1957年被发现的，而在1930年，它本来可能被发现，但是却没有被发现。实际上这项发现开始于一项建议，即把宇称不守恒当作解决一个特殊而又令人困惑的问题的一个办法，因为所有常规的解决办法都已是行不通的了。提出建议的人们非常清楚这项建议的革命性本质，为此他们提出了能够验证这一原理的实验。这些实验随后都得到了肯定的结果，致使镜像对称原理被推翻。这些实验都是“决定性的”，因为这些实验明确地、又是在相当短的一段时间里,在一个学科领域里，在两个重要理论（或者说两种理论）之间作出了取舍。我们将在第二节里来考察有关的证据。那时人们没有意识到，在1928和1930年文献里已经有了两个实验结果发表，它们具有同样的物理和逻辑论据，显示出了宇称破坏的效应，但是它们的含义和重要性不但没有被作者所认识，而且一直到1957年，物理学界也没有人认识。*原文见AllanFranklin,TheDiscoveryandNondiscoveryofParityNonconservation,Stud.Hist.Phil.Sci.(PergamonPress,Ltd.,PrintedinGreatBritain),Vol.10(1979)No.3,pp.201–257.※物理学与天文学系，科罗拉多大学，保尔德，科罗拉多80309，美国。（Boulder,CO80309,U.S.A.）176看来很清楚，不仅仅是一项实验或者一系列实验的物理和逻辑论据决定了它是否是“决定性”的，而且还必须有其他条件。否则不可能有这种情况，一个实验在一个时期是决定性的，而在另一个时期就不是决定性的。虽然人们不愿意从一个单个的研究中得出过多的结论，但是有几点值得注意。首先，也是最明显的，有关科学界必须认识这实验结果是能够决定两种对立的理论的取舍的。事实上，关于宇称问题，没有理论与已经充分理解的宇称不守恒原理相抗衡。然而，并非一定要有替代理论，因为人们可能已经认识到，实验结果违反了镜像对称，就是在没有替代理论的情况下做出的。其次，如同在宇称问题上，一项异常的结果被人们所认可，虽然它的含义不清楚，只要看来它是相当重要并足以吸引人们注意，因而推动进一步的实验和理论工作。为了使这种看法更清晰，我们在第三节就要讨论，是不是1928年和1930年的实验事实上已经说明宇称是不守恒的了。在第四节里我们要来探讨，为什么没有能够认识到这些早期实验的含义以及为什么它们的异常结果没有能引起进一步的探讨。重要的原因是当时还没有像1957年那样的理论，把这些实验结果与宇称不守恒定理相联系。我们还会看到，其他科学家也没有去研究这一异常现象，原因是当时有一项极为相近的实验，用了同样的仪器，看起来它在基本理论上更为重要，而实验的最早的结果却跟理论的预言不相一致。历史还将表明，至少是在这一特殊问题上，物理学界是如何对待一个理论的预言的失败的，而他们对于这种理论的极端相信是建立在其它实验和理论基础上的，相信能给出正确的实验预测。在接着的十年里，曾经有过许多重复的实验，结果不同，有的是肯定的，多数是否定的，最后一致的看法是没能看到预期的结果。也曾经有过一些比较就事论事的理论上的尝试去解释为什么没能看到预期的结果，没有一个令人满意的解。只是到1940年代，才找到了实验和理论之间的差异的原因，有讽刺意义的是，它是由早期从事宇称不守恒的实验的研究者中的两位所作出的。177我们还将看到，在1930年代，技术的进步竟然使另一些物理学家没能观察到宇称破坏的效应，而在1950年代技术的进步却使这问题的解决成为更为紧迫的任务。我们还要看看1957年以前关于宇称守恒的知识的状况，讨论一下为什么宇称不守恒这一革命性的建议在那时得到了认真的对待。2．宇称不守恒的发现在物理学的发展史中，一项决定性的实验，或者一系列决定性的实验，其最出色的例子，或许就是1956和1957年发现宇称不守恒的实验。我们可以在下面简要地总结一下这项发现的历史。某些基本粒子衰变的异常现象，也就是所谓的θ–τ之谜，使得李政道和杨振宁提出建议1，宇称守恒这个已很牢固确定了的定律在弱相互作用中是不守恒的2。他们的论文还提出了几项可以验证他们建议的实验。他们的假说为吴健雄等3、伽温(R.L.Garwin)等4以及费雷德曼(J.L.Friedman)和泰勒格第(V.L.Telegdi)5的实验所证实。随后其他实验也在另外的情况下证实了他们的建议。在讨论这一发现的详细历史之前，我们先要讨论一下宇称这一概念的意义是什么。1T.D.LeeandC.N.Yang,Phys.Rev.104(1956),254.关于这一时代的非常好的历史见AdventuresinExperimentalPhysics,BogdanMaglic(ed.),GammaVolume(WorldScienceEducation,Princton,1973),pp.93-162.2物理学家通常把物体之间的相互作用分为四类：（1）强或核作用，它把原子核结合为一体；（2）电磁相互作用，带电物体之间的力；（3）弱相互作用，有关核衰变和基本粒子的某些衰变；（4）引力作用。这些相互作用的强度的比为强：电磁：弱：引力＝1：10－2：10－14：10－343C.S.Wu,E.Ambler,R.W.Hayward,D.D.HopesandR.P.Hudson,Phys.Rev.105,1957),1413.4RichardL.Garwin,LeonM.LedermanandMarcelWeinrich,Phys.Rev.105(1957),1415.5JeromeL.FriedmanandV.L.Telegdi,Phys.Rev.105(1957),1681.178宇称运算的定义是所有空间坐标经过坐标系统原点的反射，即(xx−→,yy−→,zz−→)6。如果所有物理定律在这一变换下保持不变，我们就认为它们具有反射或空间反演的对称。在这种情况下，也就是宇称是守恒的7。如图1*所示，宇称运算把右手坐标系变为左手系，或者反之。因此，空间反演下的守恒，即宇称守恒,等同于左右不分。虽然这种对称可以用在经典物理学的系统上，但它的最重要的应用还是在量子力学系统上。然而，我们会发现左右不分是发生在电流和磁场的相互作用的经典讨论中。学习初级物理学的学生们都被教导说，给定一个电流的方向，我们就可以运用“右手定则”找到由这一电流所产生的磁场的方向8。如果我们想找到这一磁场加在另外一个电流上的力的方向，就可运用第二个“右手定则”。然而，这些定律的“手性”是任意的。如果我们所说的仅仅是可观察的量，即电流和力，我们就可以发现两个“左手定则”能够给出一个同样的结果，表示出左右之间的对称。吉伯孙（Gibson）和泡拉德（Pollard）指出，在讨论化学和生物学过程的时候也会出现类似的问题。“例如，某种复合分子的存在有两种形式：异构体有同样的公式，但是它们的结构是由空间反演的变换而相互关联。（见图1）这些物质的溶液,如果其中的一种类型的分子较多,则在光学上是活性的，这样这两种异构体就可区分为右旋或左旋（D或L）6要详细讨论宇称的概念可以去读，例如W.M.GibsonandB.R.Pollard的书“基本粒子物理学中的对称原理”(SymmetryPrinciplesinElementaryParticlePhysics)(CambridgeUniv.Press,Cambridge,1976),第5章;或者HansFrauenfelderandEnerstM.Henley,核和粒子物理（NuclearandParticlePhysics）(W.A.Benjamin,Inc.,Reading,Mass.,1975),第4章。7细心的读者会发现宇称一直用两种不同的方式。第一种是空间反演的变换，第二种是与系统有关的特性或者数字数量。当我们说宇称守恒时，我们通常是指第二种用法。*图和一些数据表列在文章最后。文章中所有的引文用楷体打印，以示区别。8参见GeorgeGamowandJohnM.Cleveland,Physics,FoundationandFrontiers(Prentice-Hall,EnglewoodCliffs,N.Y.,1969)，pp.220–222。1799。生命物质的氨基酸就是这种类型分子，在生命体内发现只有L氨基酸，但是实验室里合成时，D和L类型有相同的数量。”10因此在生命物质里，即使存在着左－右不对称，这不涉及到自然定律的基本非对称，事实上在实验室里可以产生数量相同的两种异构体。这只不过是地球上生命起源的特殊条件的一个说明。推测起来，生命也许能只以D类型存在，或者以D和L两种类型存在。在描述量子力学系统的时候，宇称的概念就变得特别重要了。例如，如果我们考虑一个波函数，ψ，它描述的是中央力场里的一个电子，可以证明，在空间反演变换下，波函数或者不变，ψ(r)=+ψ(−r)，或改变符号ψ(r)=－ψ(−r)。11后一种态有奇数或者负的宇称，而前者有偶数或者正的宇称。角动量为l的波函数的空间宇称,由（－1）l给出。然而，我们知道，只有由单个粒子的波函数组成的主波函数的平方，|ψ|2，或者几个单独的波函数的相对相角是可观测的。如果这一系统只有一种类型的粒子，这些波函数并不受单个粒子波函数符号改变所影响。然而，我们可以有一个系统，它包含几种不同的粒子而且不同粒子的单个粒子的波函数的特性在空间反演下是不同的。每一种粒子波函数的特性，我们指的是这种粒子的内禀宇称。系统的总宇称是空间宇称和内禀宇称的乘积。在这种情况下，在反演的情况下粒子波函数的符号的改变就变得重要了。如果系统的宇称由于它的一个具有内禀宇称的粒子的消灭或产生而引起改变，事实上我们就可观察到这一改变的效应。如果系统的总宇称是守恒的，那么这一剩余系统的空间宇称就必须为了补偿由于粒子的产生或消灭而引起内禀宇称的改变而变化12。下面我们来看几个例子。我们还要补充一点，通过9右旋异构体使线性极化光的极化方向向右旋转，而左旋异构体则使它向左旋转。10W.M.GibsonandB.R.Pollard,Ref.6,p.119.11例如，可参考W.M.GibsonandB.R.Pollard,Ref.6,p.120.12HansA.BetheandPhilipMorison,ElementaryNuclearTheory,SecondEd.(JohnWiley,NewYork,1956),pp.152-153,orGibsonandPollard,Ref.6,p.133.180实验发现，π介子的内禀宇称是奇数或负的13。这一点在我们下面的讨论中将是十分重要的。宇称守恒的现代历史开始于1924年奥托·拉普特（OttoLaporte）的工作14。在研究铁原子发射的射线谱的时候，拉普特发现可以将铁原子的态分成两种，他把它们称为gestrichene和ungestrichene，或者叫做“隔绝（stroked）态”或“未隔绝（unstroked）态”。他发现，只是在原子从一种态变成另一种态的时候，例如从“隔绝态”变为“未隔绝态”的时候才发射辐射。在那个时候，即使这一选择定律已经作为拉普特定律写进了物理学文献，但他还是不能提出一种解释，说明它为什么是真的。1927年尤金·维格勒（EugeneWigner）15在宇称守恒或者反射对称概念的基础上，对这一定律做出了一个解释。我们可以将维格勒的解释理解如下。拉普特称之为“隔绝”和“未隔绝”的态，实际上是正宇称态和负宇称态。由于发射的光子的内禀宇称，在最重要的电子偶极辐射情况下是负的，为了使这一系统的总宇称守恒，原子态的宇称必须改变。这样只在原子的宇称从正变为负时才发射光子，或者反之。相同宇称的态之间的跃迁由于宇称守恒而被禁止。这一宇称守恒的概念很快便成为物理学确定的规律16。如同弗劳恩弗德（Frauenfelde