第4章 物理科学，从1946年到现在(3)

李政道1926年出生于上海，1946年赴美国念研究生课程——他当时甚至还没有读完大学本科。芝加哥大学是唯一一所允许他人学的大学：这对李政道来说实在是幸运，因为这里有一些当时最杰出的物理学大师。他抓住有利的条件努力深造，1950年获得了博士学位，然后在氢弹设计师泰勒手下工作。

李政道、杨振宁后来又在新泽西的普林斯顿高等研究所共事过一段时间，然后杨振宁留下在1955年成为物理学教授，而李政道在1953年接受了哥伦比亚大学的职务。纽约离新泽西不远，所以他们两人往往是每个星期聚会一次，交换意见。

李政道（左）和杨振宁那个特殊的下午在白玫瑰餐馆谈话的主题是所谓K介子的“奇异粒子”，它似乎有两种不同的衰变方式——一种是右手方式，另一种是左手方式。

一般来说，这种情况不应该发生——其他各种粒子并不发生这种情况。K介子衰变的方式似乎违反了重要的物理学原理：宇称守恒定律。宇称守恒定律和能量守恒定律、物质守恒定律一样，在预言自然界行为时似乎向来正确。

设想你站在镜子前面，你的右边在镜像里成了左边。如果你的头发往右边分，在镜子里看上去却是往左边分，现在想象把像的其余部分倒过来，头部变底部，前面变后面。宇称守恒定律说的是，如果你采用一个系统，使其中的每件东西都以这种方式发生转换，这一系统将展现完全相同的行为。

宇称有两种可能值：奇和偶。宇称守恒定律说的是，如果你在反应或变化之前是奇宇称，则在结束时也应该是奇宇称。也就是说，当粒子之间相互作用形成新粒子时，在方程式两侧应该宇称相同。

K介子的问题在于：当它们衰变时，有时衰变成两个π介子，两个都是奇宇称（加在一起就成了偶宇称），有时它们又会衰变成三个π介子（加在一起又成了奇宇称）。就好像你照镜子，你的右手的像反射回来有时在右边，有时在左边。方程式的两侧本来应该完全互为镜像，但是它们却并不总是这样。物理学家试图解释这一现象，于是提出会不会是有两种不同类型的K介子，一种是奇宇称，一种是偶宇称。但是杨振宁和李政道认为这也许不是正确的解答，这些介子在其他每个方面都完全相同，也许有某些原因在起作用。

李政道和杨振宁互相问道，有没有可能宇称守恒不适用于这些“奇异粒子”？也许它们实际上就是一种K介子，而不是两种。也许宇称守恒似乎不被遵守的原因是，这一原理不适用于弱相互作用。他们知道，从来没有人检验过这一可能性，于是他们开始思考哪些情况可以测试这一前提。这就是所谓的“宇称的失效”，不是整体废黜，只是在一个领域里的失效，这个领域就是弱相互作用。

两人随即起草一篇论文，题为《弱力中宇称守恒的问题》，不久后发表。在这篇论文里，他们回溯了一系列反应并且考察有哪些实验暗示在弱力中不遵守宇称（即镜像对称）的可能性。怎样才能检验这一思想？他们认为，如果你能考察β衰变（弱相互作用的一个领域）中的自旋核所发射的电子的方向，例如，可以看到电子偏爱哪一个方向，就能给出答案。

这一理论，是李、杨的头脑里通过合作而产生的。但是在科学中一个理论是否有价值，全在于它是否经得起实验的检验。如果经得起，它就开拓成为一个大的研究领域，产生富有挑战性的新问题，并且让旧思想寿终正寝。

吴健雄，她的实验证明李、杨有关宇称守恒的思想是正确的。李、杨的实验搭档吴健雄（Chien-Shiung Wu，1912—1997）立即付诸行动。吴健雄是哥伦比亚大学的物理学教授，李政道的同事。她是一位杰出的、意志坚强的实验物理学家，专业正是放射性衰变。她以对学生严格和苛刻而出名，对自己的工作更是苛刻，精力充沛。这一次吴健雄做的实验非常及时复杂且干净利落。她决定用钴60，这种放射性物质会衰变成镍核、中微子和正电子。吴健雄需要用仪器“监视”的是正电子从核中逸出时的自旋，但是她必须确保钴60样品的核都是沿同一方向旋转，这样核的旋转才不会影响被辐射粒子的自旋。为了做到这一点，吴健雄设计了一个非常复杂的实验，要用到华盛顿特区美国标准局的低温设备，把钴的温度降至非常低，只高于绝对零度一点点。

到了1957年初，吴健雄开始获得惊人的结果。在新年过后第一个星期的工作午餐中，李政道对他的同事说：“吴健雄来了电话，说她的原始数据表明有重大效应！”不久吴健雄的结果出来了——宇称不适用于弱力。这年年底，李政道和杨振宁由于他们的远见卓识赢得了诺贝尔奖。

然而，许多物理学家并不高兴。亚原子世界，不像无序的日常世界，似乎总得显露某种奇异的精致性，对称性就是其中的一种。现在对称性似乎是一种时有时无的现象。

泡利曾经不快地讽刺说：“我不能相信上帝是弱的左撇子”。（他并不是认为左撇子不好，而是因为他看到的大自然总是不偏不倚的。）泡利说出了他的不安，实际上许多其他物理学家也有同感。许多人开始怀疑其他守恒定律是不是也有问题。如果宇称不始终如一，那么也许其他的守恒定律也会存在同样问题，也许对称性根本不应该看成是一个普遍适用的原理。李政道、杨振宁和吴健雄提出了许多问题，但是对于那些致力于为未知问题寻找答案的科学家来说，好科学不仅要回答问题，使零碎的片段相互整合，而且要提出新的问题。

与众不同的夸克

与此同时，在加州，盖尔曼也在忙碌。一个伟大的理论家具有在混乱中进行综合和理清思路的特殊才能，这正是盖尔曼所有的。有许多事情需要整理和解释，其中包括粒子那令人难以置信的庞大数目（为什么如此之多？）以及明显的家族现象（是什么机制或者原理造成的？）

在杨振宁、李政道和吴健雄工作的基础上，盖尔曼提炼出了一些想法，一种分类系统，发表在20世纪60年代初一系列论文中。他称他的系统为“八重法”，这个名词是从中国的佛经里借用的。（并不是像有些热心者所认为的那样，盖尔曼想要暗示物理学已经变得神秘化或哲学化。他只不过是需要一个名字来表示一个概念，这个概念对于语言世界是如此之新，以致必须重新发明一个才行。大多数希腊字母都已经用于命名粒子，所以他只得从他最感兴趣的事情中找一个名字。）

盖尔曼的思路是这样的：他已经注意到，许多亚原子粒子（包括介子、质子和中子）都是以家族出现，两三成组。介子有三个，K介子有两对，质子有一对（质子和反质子），等等，形成密切相关的家族，彼此非常相似。实际上，这些家族成员之间的相似性远超过它们之间的差别性，各种情况唯一的差别在于电荷和质量。而质量差别之小（只有几MeV），显然是由于电荷的差别引起的。换句话说，这些粒子很可能是等同的，因为质量的差别有可能仅仅是电荷的差别引起的。因此，盖尔曼说，如果你把这些家族中的每一个成员都看成是具有不同特性的一个粒子——这些粒子具有“多重性”，有什么不可以呢？这就为如何看待原子核里发现的粒子的多样性，提供了富有成效的新思路。

其次，他注意到强力完全不顾及电荷。不管粒子是中性还是带负电或带正电，效果都一样，它以同样的强度作用于质子和反质子。强力对中性π介子、它的带正电的姐妹或者带负电的兄弟没有什么区别，它们就像是等边三角形的三个边。

盖尔曼认为，奇异粒子的奇异性和多重性有一定联系。奇怪的K介子不像三个一组的丌介子，它们似乎是形成了两对。他肯定这里还有某种没有发现的更深层次的对称性在起作用，并不只是偶然相关。

20世纪60年代末，数学家不久前刚刚重新发现了挪威数学家李（Marius Sophus Lie，1842—1899）的工作，李曾经提出过一种抽象的表示方法，叫做“群论”。盖尔曼认识到有一种李群——SU（3），或者3维特殊幺正群——似乎适用于介子和重子。［伦敦帝国学院的尼曼（Yuval Ne’eman，1925—2006）也提出过同样的想法。］盖尔曼用群作为模子，把介子和重子按它们的电荷与奇异性排列在一起。重子共有八个，正好填满了图像，可是介子只有七个。

因此基于应该有第八个介子才能填满这一图像这一特点，盖尔曼预言它的存在，这类似于门捷列夫1869年提出元素周期表时，曾预言过几种还没有被发现的元素的存在。特别是，盖尔曼预言了一种他所谓的“Ω-”粒子，事实证明他是正确的。1964年果然发现了这样的粒子，并且后来无数次地观察到它。它的反粒子——反Ω-（或者Ω+）也在1971年被发现。

于是“八重法”诞生了，粒子的丛林得到了整治，至少比以前有序得多。

但是盖尔曼还有更多的打算。即使有了“八重法”这一新秩序，他认为必定还有某种更深刻和更简单的秩序，一定还有某种粒子比以前人们设想的更为基本。盖尔曼意识到，物理学家正在做的事情，就像是正在关注物质中的分子，并且试图理解其复杂性，却没有意识到它们是由原子组成这一事实（这正像道尔顿之前的化学家）。重子（中子和质子）应该是由某种更小的东西组成——但那是些什么东西呢？

1963年3月25日星期一，在纽约市哥伦比亚大学的教工俱乐部里，午饭过后开始出现了答案。（看来物理学家在吃饭时往往可以思考出许多东西！）盖尔曼正在哥伦比亚访问，他做了一系列关于“八重法”及其他问题的演讲，受到热烈欢迎。主邀大学的一些理论家，其中包括塞尔伯（Robert Serber，1909—1997），邀请他吃饭。塞尔伯举止安详，曾经在伯克利与奥本海默一起合作过，后来又在洛斯阿拉莫斯和盖尔曼一起工作过。一般来说，他宁愿在后台工作，但是这一天他有一个问题：“粒子三个一组是怎么回事，是三重态吗？”

盖尔曼立即回答：“那不过是可笑的托词！”李政道也在场，补充道：“一个可怕的思想。”于是，盖尔曼开始在餐巾纸上乱涂：要使三重态有效，粒子必须要有分数电荷，这一现象在自然界中从未观察到过，实际上是不可想象的。粒子必须是＋2／3，－1／3，－1／3。

但是后来他开始更多地思考这个问题。只要一个粒子在自然界不以分数电荷出现，这个想法也许就不那么古怪了。如果真正基本的核粒子，基本强子，都是不可观测的，不能从重子和介子里跑出来，那么就无法个别观察；如果它永远被禁锢在自然的质子、中子、兀介子等物理学家在自然界发现的各种粒子里面，那么它也许就是可能的。盖尔曼在下一次的演讲中讲了这一思想。回到加州理工学院，他进一步对此进行加工，并且在和他以前的论文指导老师外斯柯夫（Victor Weisskopf，1908—2002）通电话时提到了这件事。外斯柯夫正在瑞士日内瓦CERN担任主任。盖尔曼对他说，也许重子和介子都是由带分数电荷的粒子组成的。外斯柯夫没当一回事，他立即提醒：“请严肃点，这是国际长途。”

然而盖尔曼是严肃的。1964年他提出，存在携带分数电荷的一组古怪粒子。他又一次采用了怪诞的命名方法，称之为夸克，这是引自乔伊斯（James Joyce，1882—1941）怪诞的诗集《芬尼根彻夜祭》（Finnegans Wake）中的一句成语：“三声夸克，鼓励马克！”携带2／3正电荷的粒子，他称为上夸克，另外两个他分别给予下夸克和奇异夸克的称呼。质子是由两个上夸克和一个下夸克组成，总电荷为＋1。中子是由两个下夸克和一个上夸克组成，结果是不带电。在他介绍这一思想的两页论文中，最后一句话是感谢塞尔伯启发了这些思想。

与盖尔曼想到夸克的同时，另一位年轻的物理学家也沿着同样的思路在做这件事情，他的名字叫兹韦格（George Zweig，1937—）。兹韦格是一位实验物理学家，当时正在CERN工作，他把这些粒子看成是真实具体的粒子，而不是像盖尔曼所认为的只是抽象结构，他称之为王牌（aces）。由于兹韦格比较年轻，不大知名，他未能成功发表他的革命性思想（甚至盖尔曼也是选择向一份很少有人知道的杂志投稿，以免退回）。但是，当盖尔曼得知兹韦格曾经就这一课题在CERN写过一篇内部文章后，他总是肯定兹韦格的功绩，尽管他对兹韦格的“混凝土块模型”持嘲笑态度。

物理学家终于得到了这样的结论：如果真有盖尔曼提出的奇异夸克，它一定是成对的。于是，他们开始寻找所谓的“粲夸克”，粲夸克是奇异夸克的伴侣。令人惊奇的是，产生这一想法的不止一个人，又是两个不同研究单位的研究者：布鲁克海文国家实验室的丁肇中（Samuel Chao Chung Ting，1936—）和SLAC的里克特（Burton Richter，1931—）。考虑到这样的事实：粒子实验往往需要数月、有时数年的计划，并且需要大量科学家的投入才能进行，而这两个单位做同样课题的人互相并不了解，这种可能性是极其罕见的。然而，就在1974年11月丁肇中出现在SLAC准备宣布J粒子诞生的那一天，里克特也宣布他和他的小组发现了他所谓的ψ介子。丁肇中惊呆了。经过交流，他们发现两个小组完全独立地发现了同一个粒子，最后取名为J／ψ介子。随后不久，研究者们认识到，由于J／ψ介子所具有的特性，如果粲夸克不存在，它也不会存在。于是丁肇中和里克特不仅独立地发现了一种新粒子，而且为粲夸克的存在找到了证据。他们两人由于这些发现分享了1976年诺贝尔物理学奖。

味和色

正当盖尔曼企图使亚原子粒子混杂的大家族变得有序时，新粒子的数目还在持续增加。不过，这些新粒子也仍然适合他已经勾画的基本结构。

一种真正基本、无结构和不可分的新粒子观出现了：这些粒子分成基本的两种：夸克和轻子。然而，每种有三个类型（叫做味）。（味这个名称又一次显示物理学家的幽默感，实际上与味道毫不相干。）

轻子的三味是电子（科学家早就知道它了）、μ子（或μ介子）和τ子（或r介子）。轻子的每一味有四个成员，例如：电子、中微子、反电子和反中微子。

夸克稍微有些复杂，夸克的配对也可想成是不同的“味”——这个概念与轻子的味相似。于是，夸克的每个味也都有四个成员。例如，上／下味包括上夸克、下夸克、反上夸克和反下夸克。如果你想到夸克的配对与轻子三味的每一对类似，则夸克的三味是上／下夸克、奇异／粲夸克，还要有一对新的夸克才能填满这个表，它们是顶／底夸克。