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第10章 打破定律

1957年12月10日,在瑞典首都斯德哥尔摩,35岁的杨振宁和31岁的李政道,在热烈庄重的气氛中,登上了领奖台,接受瑞典国王颁发的诺贝尔物理学奖。这是中国人首次得诺贝尔奖,全球华人为之欢呼,感到扬眉吐气!

杨振宁在喜庆的典礼上,发表了相对沉重的致辞。他简要回顾了1900年八国联军对中国的侵略和随后中国人的奋起。暗示着他的成长与整体中国人奋斗、追求有关。他认为他的成就是中西文化的共同产物。他说:“我一方面为我的中国血统和背景而自豪;一方面将奉献我的工作给起源于西方的现代科学,它是人类文化的一部分。”

杨振宁是如何运用创新思维,获得最高学术成就的呢?这要从他勇闯难关,打破宇称守恒定律说起。

什么是宇称守恒定律?

“宇称”是描述微观粒子运动特性的一个物理量。它取值+1或-1。当取值+1时,称“偶宇称”,用以描述微观粒子运动规律在空间上具有偶对称性;而取值-1时,称“奇宇称”,用以描述微观粒子运动规律在空间上具有奇对称性。奇对称与偶对称,与初等数学中奇函数或偶函数具有相应的对称性相似。

所谓“宇称守恒”,是指微观粒子体系的运动或变化规律具有左右对称性。也就是说,微观粒子体系在发生某种变化,如核反应、基本粒子的产生和衰变等的过程中,变化前所有粒子的总宇称,与变化后生成的所有粒子的总宇称必定相等。如果变化前的总宇称是+1,那么变化后的总宇称也应是+1;同样,如果变化前是-1,那么变化后也应是-1。

对宇称守恒定律,人们一直认为是天经地义的。杨振宁曾这样阐述:自古以来,人们已经在讨论对称原理之一——左和右的对称。自然界是否呈现这种对称性?曾经被以往的哲学家长期辩论过。然而物理学一直显示出左右之间的完全对称,这种对称在量子力学上可以形成一种守恒定律,称宇称守恒,它和左-右对称的原理完全相同。

例如照镜子,镜子里出现一个影像,即镜像,你和你的镜像一模一样,完全对称,这是毫无疑义的。宇称守恒定律被人们公认,在一定范围内也曾被实验证实过,并用作制订某种核反应过程能否发生的基准。

直到出现所谓“θτ”之谜:

1935年,有人发现,粒子在弱相互作用下衰变时,似乎有两种不同的粒子:一种叫θ介子、一种叫τ介子。θ介子可衰变为两个π介子,由于π介子的宇称为-1,故两个π介子的总宇称是(-1)×(-1)=+1(求总宇称,应将各个粒子的宇称相乘,而不是相加)。由此可推出θ介子的宇称也应是+1,即偶宇称。τ介子可衰变为三个π介子,三个π介子的总宇称是(-1)×(-1)×(-1)=-1,由此可推出τ介子的宇称也应是-1,即奇宇称。

依据宇称守恒定律,一种粒子不可能具有不同的宇称,因此,θ和τ,只能是不同的粒子。

另一方面,精密测量表明,θ和τ具有相同的质量、电荷和寿命,它们似乎只能是同一种粒子。那么,θ和τ,究竟是不同粒子还是同一粒子呢?这就是当时让全世界物理学家左右为难的θτ之谜。

如果你坚守宇称守恒定律,就只能确定θ和τ是两种不同的粒子,接下去的实验方向,应是找出它们在质量与寿命上的差别。由于大家都不怀疑这一定律的正确性,物理学家们正是遵循着这一方向前进的。然而,随着实验越来越准确,θ和τ在质量和寿命上的差别反而越来越小。这使得当时物理学界有一种被关在黑屋子里找不到出路的感觉。

杨振宁、李政道没有在黑屋子里唉声叹气,他们想,也可能是研究方向有问题:大家沿前进方向所看到的门,是否只有一个画在墙上的门,而真正的门却在相反的方向呢?人类对自然界规律的认识是不断发展前进的。科学的怀疑精神,是料学精神的重要组成部分。他们开始大胆怀疑宇称守恒定律可能不适用于粒子之间的弱相互作用。

青少年朋友一般具有天不怕地不怕的锐气,想打破某个定律的,可能大有人在,并且也可能认为这是轻而易举的事。有的人完全出于无知,他可以今天声称打破了某一定律,明天又声称打破另一定律。于是,“水变油”的种种骗局,得以大行其道。这是无知之勇,不值得效法。真正要打破某一定律,除勇气外,还应有扎实的理论基础和过硬的实验功夫。

要从根本上推翻一个已被公认的概念,必须首先证明,支持该概念的那些证据是不充分的。

杨、李两人正是详细考察了这个问题,经过一系列的科学实验、求证和思索,用充分的论证,于1956年5月得出如下结论:

一、过去做过的关于弱相互作用的实验与宇称守恒定律并无关系。这也就是说,在弱相互作用这个领域内,宇称守恒定律从未被实验证实过。

二、在较强相互作用方面,确实有许多实验以高度准确性确认了宇称守恒定律,但其准确度仍不足以揭示在弱相互作用下宇称守恒或不守恒。

杨振宁感叹地说:“在没有实验支持的情况下,人们竟错误地相信弱相互作用中宇称守恒,这个事实本身是令人吃惊的。然而,更令人吃惊的是,物理学家如此充分了解的一个空间、时间对称定律可能面临破产!”

由于“对称”观念已渗透到人们生活的方方面面,也由于人们在做学问中,常常从“对称”

那里获得一种美的感受,因此,一旦面临美妙的对称可能破产的事实,人们总是不愿相信它。连杨振宁自己也感到有一种“被迫”不得已的悲哀。他说他并不喜欢对称定律破产的可能,只是在找不到其他出路后,才不得不被迫考虑此种可能。这说明对称是多么根深蒂固的传统观念!传统观念一旦形成,就成了难以涉足的禁区,而要突破禁区多么不容易!

事实确实如此,杨、李提出弱相互作用下宇称可能不守恒的设想后,并不被当时多数物理学家所承认。其中最典型的,要数20世纪最负盛名的物理界权威泡利教授。他对杨、李的设想大大地不以为然。他在一封信中说:“我不相信上帝是一个无能的左撇子,我愿意出大价钱和人打赌,实验的电子角分布将是左右对称的!”

虽然没有人和泡利教授打赌,但他终究输了。证明他输的也是一位华人,即女物理学家吴健雄。她用精确的β衰变实验,证明电子角的分布并不左右对称,而是偏向一方。通过这项震动世界的实验,最终得出了在弱相互作用下宇称并不守恒的结论。于是“θτ”之谜也随之解决:具有不同宇称的θ介子和γ介子原来是同一种粒子,后来称之为k介子。

杨振宁终于成功了,是年34岁。

诺贝尔奖是科学界的最高荣誉,然而,这是要特别指出的是,它还不是杨振宁的最高成就。

在更早的1954年,也就是他32岁时,曾完成一项贡献更大、意义更为深远的学术创造。他和美国人密耳斯一道,提出了物理学中的规范场理论,称为“杨-密耳斯规范场方程”。这一方程,和麦克斯韦的电磁场方程、爱因斯坦的引力场方程(相对论)并列,被称为20世纪物理学奠基性理论之一。而杨振宁则被称为“继爱因斯坦、狄拉克之后,20世纪物理学出类拔萃的设计师”。随着人们对规范场理论重要性的认识日益加深,物理学界普遍认为,杨振宁在规范场理论上的突出贡献,应得第二次诺贝尔奖。

杨振宁学术成就如此之高,他是怎样成长起来的呢?杨振宁总结了他的治学经验,通过着文、讲学,带给人们十分有益的启示。

首先,杨振宁认为,做研究工作要有主见,对所研究的问题要保持一种开放的想法。也就是说,要考虑问题的方方面面,考虑一切可能性,不能被书本、权威和已有结论牵着鼻子走。

他认为,物理学中所追求的,应该是新的、活的东西,要多注意新的发展,多注意最初的现象。有时为了不被现成的结论所束缚,对有些问题的研究,还要从头做起:暂时先不看别人的文章,待独立研究一段时间后,再去看看自己和别人的思路有何不同。

其次,杨振宁认为,做研究工作要有自己独特的风格。他认为,爱憎决定风格,而风格又决定贡献大小。他比较喜欢爱因斯坦、狄拉克和费米的风格。这种风格,具有把一个物理概念、一种理论结构或一个物理现象的本质是炼出来的能力,并且能用简洁的数学形式表达出来,从而能准确地把握其精髓。杨振宁的研究风格也是如此。正是在这种风格的基础上,才发展出规范场理论。

第三,杨振宁认为,要发挥自己的特长,注意扬长避短。一方面对自己的能力要有自信,坚信研究目标能够实现,并为之不懈追求;另一方面,也要适当估计自己的能力,不能死钻牛角尖。他说:“假如你做一件事情做得很苦,我想也许值得考虑不要这个东西了,去另外想别的东西。一个学问的前沿方向是很多的,有许多有生气的方向。最好走向这些有生气的方向。牛角尖不是绝对不可以钻,但是必须保持主动性,保持见机而退的能力和勇气。”这里还有一段有趣的故事:杨振宁出国之初,本想从实验物理学发展,但他的动手能力实在欠佳,以致流传着“凡是有爆炸的地方一定有杨振宁”的笑话。后来,氢弹之父泰勒劝他改向理论物理学发展。这一改变,决定了他一生的命运。人们都说,他转向理论物理,是理论物理的幸运;有的朋友也戏言,他“见孬就收”,也是实验物理的幸运。

第四,杨振宁认为,要有广泛的兴趣,要最大限度地扩展自己的知识面。由于各科之间知识的渗适性日益加深,他主张采用“渗透性学习法”。在研究工作中,要抓住由渗透、联想所产生的创造火花,并努力把它发展成创造的支柱。

以上是杨振宁的治学经验谈。除此之外,杨振宁还把他的成功,归结为中西文化的结合。他认为,中国文化注重演绎法,即从一定的数学表达式,推演出相应的物理结构或结论;而西方文化注重归纳法,即从物理现象、事实中,引导出相应的数学表达式。杨振宁同时接受中西两种教育,不同方式的思想训练,使他受益匪浅。他提出规范场理论,最初思路是想把麦克斯韦方程推广到新的领域,这是演绎去的成功范例。而他突破宇称守恒定律的局限,则来源于对物理现象、事实的归纳,这又是归纳法的生动事例。

当然,杨振宁的成功,还有其他一些重要因素,比如良好的家庭教育和学校教育。他父亲杨武之,是清华大学着名的数学教授,也是他学术方面最早的引路人。他母亲罗孟华,是一个善于在幼儿心田上播撒智慧种子的母亲。至于他的学校教育,可以说奠定他学术基础的,是清华大学。这是清华人,乃至全体中国人引为自豪的。

由于杨振宁的科学成就,也由于他对新中国教育、科学诸多方面的贡献,中国有关方面,将紫金山天文台1975年11月26日发现的国际编号为3421号的小行星,命名为“杨振宁星”,并已得到国际小行星命名委员会的正式批准。“杨振宁星”将在浩瀚的宇宙中永远闪耀!

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