吴健雄与物理学史上的三个判决性实验

　　吴健雄与物理学史上的三个判决性实验

　　摘要:伽利略的落体实验打败了亚里士多德的运动理论，迈克耳逊的光学实验否定了以太的存在，吴健雄的宇称实验推翻了宇称守恒定律的不受限制的普遍性。这三个实验的发现都否定了被人们长期接受的理论或观念，深刻地影响着物理学的发展和人类精神。

　　关键词:伽利略；迈克耳逊；吴健雄；物理学史

　　杨振宁先生在为吴健雄纪念馆作的题词中说:“吴健雄以深入的见地和坚强的毅力创建了20世纪50年代震撼科学界的革命。她的工作是物理学史上一个里程碑。”[1]说一个物理学家的工作是物理学史上的里程碑，在严格和严肃的科学意义上，意味着“他的工作是物理学发展史的链条中不可缺少的一环”。我在《吴健雄——诺贝尔奖亏待了的华人女性科学家》一文中，对吴健雄的物理学工作与密立根(R.A.Millikan)、安德逊(C1D1Anderson)、戴维逊(G.J.Davisson)、G.P.汤姆逊(G1P1Thomson)等的物理学工作做过一个简略的比较，说明在20世纪的物理学史上，吴健雄跟这些一流物理学家一样，做出了令人敬佩的一流贡献，是20世纪物理学中一个当之无愧的里程碑。在那里，我留下一个话头，就是/如果我们跳出20世纪物理学的范围来比较，吴健雄的工作同样是物理学史中不可忽略的里程碑。在这篇文章中，我想从这个角度，再作一些讨论。

　　吴健雄(Chien-ShiungWu，1912-1997)是个实验物理学家，她的贡献主要在实验物理学方面。物理学史上重要实验数以百计，即使严格选择，只留下对物理学基本理论、基本方法、基本概念有重大影响的实验，也不下几十件13-42。比较这些各式各样的重要的物理学实验，有三个实验特别类似。这三个实验就是伽利略的落体实验，迈克耳逊的以太实验和吴健雄的宇称实验。这三个实验都是判决性实验。它们构成了物理学史上的一组独特景观。如果我们把它们加以对照研究，可以看到它们对于物理学的深刻影响与意义，同时，也可以看到华人女性科学家吴健雄的科学贡献所蕴涵的重要的世界意义。第一个判决性实验:伽利略的落体实验

　　伽利略(Galileo.Galilei，1564-1642)的科学贡献中最为人们称道的是自由落体运动规律的发现。所谓自由落体运动是指物体只受重力作用而从静止状态开始降落的运动。相传，伽利略在比萨斜塔作过一个落体实验。伽利略晚年的学生维维安尼在为伽利略写的第一本传记中简略地记述了这件事。伽利略在晚年的《关于力学和位置运动的两种新科学的对话和数学证明》一书中，通过三个人的谈话说明了这个早年的实验(这三个人是:萨尔维阿蒂、辛普利邱、沙格列陀):

　　萨:我十分怀疑亚里士多德确实曾经用实验检验过下面这个论断:如果让两块石块(其中之一的重量十倍于另一块的重量)同时从比如说一百腕尺高处落下，那么这两块石头下落的速率便会不同，那较重的石块落到地上时，另一块石头只不过下落了十腕尺。辛:他的话似乎表明，他已经做过这个实验了，因为他说:我们看见较重的石块，看见这个词证明他做过实验。

　　沙:辛普利邱，可是我进行过检验，我可以肯定地对你说，重量为二百磅以上的一枚炮弹到达地面时，重量仅为半磅的与之同时下落的步枪子弹并不会落后一扌乍，倘若两者都是从高度为二百腕尺的地方落下来的话152。这里讨论的“我”进行过的“检验”，即人们通常说的“伽利略比萨斜塔落体实验”。伽利略是不是在比萨斜塔做过落体实验，是不是最先做了针对亚里士多德运动学说的落体实验，是不是当众做了这样的实验，这些都是物理学史中有争论的问题，我另有文评论，这里不再多说。不过，物理学界都承认，伽利略是否定亚里士多德运动理论、创立新的运动理论的杰出代表。在伽利略以前的时代，一般都接受亚里士多德的运动学说。这个学说认为，落体的运动速度与落体的重量有关，其重越大，其速越快。到了文艺复兴时代，亚里士多德的运动理论引起了越来越多的人的怀疑。从物理学史上我们可以看到，法国人N.奥勒斯姆、葡萄牙人A.托马斯、牛津的教授W.海特斯伯格，以及可能还有达芬奇，都看出了亚里士多德运动理论的毛病。在怀疑亚里士多德运动理论的人中，伽利略是最突出的一个，也是最有成就的一个。他不仅思考了亚里士多德运动论中的逻辑矛盾，而且做了落体和斜面的实验，进行仔细的观察、测量和计算，得到了对落体运动的规律性认识。对于伽利略的这个具有很大的象征性和代表性的实验，在后世的物理学家、科学史家和哲学家，乃至逻辑学、宗教学、文化学的专家的著作中，有许多记述和研究。

　　第二个判决性实验:迈克耳逊以太实验

　　伽利略去世245以后，美国人迈克耳逊(A.A.Michelson，1852-1931)也完成了一个重要的判决性实验，证明了以太的不存在。不过这个实验的初衷却是要寻找以太存在的证据。

　　“以太”(ether)一词源于希腊，原意是高空。笛卡尔于1664年首次把它引入近代物理学。他把以太当作传播光和星球之间相互作用的媒质，是人们日常所见的有重物质之外的另一种物质。从此以后，以太问题即成为一个困扰物理学界几百年的难题，耗费了不知多少物理学家的心力。虽然以太问题的最终结论非常简单，但得到这个结论的过程却极其复杂，构成了物理学史上最为扑朔迷离的一页。

　　为什么要寻找以太?其动因来源于引起超距作用力理论的那些现象，以及导致波动论的光的那些性质。人们从日常生活中形成的观念是，相互作用是通过接触来产生的，比如碰、压、拉，火焰加热或引起燃烧等等。牛顿的引力理论把引力解释为由物质所产生的一种超距作用力，这同人们的普遍经验中形成的原理相矛盾。怎样才能保持自然力概念的一致性呢?要末人们可以把那些作为接触力呈献在我们面前的力，也当作只在很微小的距离中确定可以察觉到的超距作用力来理解。要末人们可以假定，牛顿的超距作用力只是虚构的无媒介的超距作用力，其实它们却是靠一种充满空间的媒质来传递的，不论是靠这种媒质的运动，还是靠它的弹性形变。“以太”就是人们认为应当存在的这种媒质。19世纪上半叶，当人们发现光的性质同有重物体的弹性波的性质之间存在着广泛的相似性的时候，以太假说就获得了新的支持。建立了电磁理论，把电、磁和光的理论用几个简明的公式统一在一个体系中的麦克斯韦(1831-1879)，试图给以太找到新的证明，但他并未能够如愿。这时候，就出现了一种奇怪的情况。以前，物理学家们一直以那些纯粹属于力学的基本概念，比如物质密度、速度、形变、压力，来理解一切物理现象，以求物理理论的统一；现在不同了，他们不得不承认电场强度和磁场强度都是同力学基本概念并列的基本概念。这样，就形成了一种无法长期容忍的理论基础上的二元状态172。找到以太，才能消除这理论基础上的裂痕。

　　根据当时物理学家们的判断，如果存在着以太，地球就一定在以太中运动，因此，光速——假设光对以太而言以匀速传播——应视测量方向是平行于地球运动方向，还是与之垂直而有所不同。由于光速大约是地球轨道速度(相对于太阳而言)的一万倍，预期的差值是很小的，不过应该是能测量到的。迈克耳逊的工作就是在这种背景上进行的。对于实验仪器有着独特感觉的迈克耳逊，1881年在柏林期间，开始筹划运用光干涉技术进行以太漂移实验。德国的光学仪器久负盛名，当时光干涉技术已进入实验室，并作为成套仪器有商品出售。迈克耳逊从其中的雅明干涉仪得到启发，发明了极为灵敏的迈克耳逊干涉仪。与其他干涉仪相比，它的最大特点是使两束相干光完全分开(通常成90度角)，这使它能适应多种用途。他的实验是:使从同一光源分出的两束相干光，其中一束平行于地球运动方向，另一束则与地球运动方向垂直，再使它们重新会合。如果存在“以太风”，因两束光相对地球速度不同产生一定相位差而形成干涉条纹。他再使整个仪器沿水平方向转过90度角，两束光方向互换，相位差逆转， 则干涉条纹就会发生移动。这次实验没有得到足以判断以太是否存在的数据。1887年，迈克耳逊和莫雷合作，对实验进行了改进。这次实验的精密度较之以往大大提高，从实验设计可以推算出，如果存在以太，实验中观测到的干涉条纹应发生相当于140个条纹宽度的移动，但观测结果却是即使有条纹移动，移动距离最大也不会超过101个条纹的宽度。这本来是个惊人的重大的发现，但是一心一意要找到以太的迈克耳逊，却没有想过来，觉得实验还是“失败”了。

　　第三个判决性实验:吴健雄宇称实验

　　又过了70年，1957年初，华人女性物理学家吴健雄，与美国国家标准局的科学家安伯勒等合作，完成了一个实验，发现了宇称在弱相互作用中的不守恒。宇称的概念最早是由美国物理学家维格纳(E.P.Wigner，1902-1995)提出来的。1924年，莱波特发现了原子具有两种不同的能级，并建立了这两类能级之间的跃迁选择定则，但却解释不了为什么存在这样的规律。1927年，25岁的维格纳成功地指出这两类能级来自于描述原子的波函数在空间反射之下具有不变性造成的(1963年，主要因为此项成就，他获得诺贝尔物理学奖)。维格纳指出的这种对称性具有很强的说服力，它在分析原子光谱中很快地就变得非常有用。这个概念后来又进一步被用于原子核物理、介子物理和奇异粒子物理的现象中，因为其一次又一次的成功，很快被信奉为普遍成立的规律——宇称守恒定律。

　　1954年至1956年间，在对最轻的奇异粒子(即后来称为K介子的粒子)衰变过程的研究中，人们发现，有一种粒子衰变成两个P介子，称为H介子；另一种粒子衰变成三个P介子，称为S介子。精确的测量非常明显地表明H与S具有相同的质量，其他方面的性质例如寿命、电荷等也都相同。但是对实验结果的分析表明，当S介子衰变为三个P介子时，这三个P介子的总角动量为零，宇称为负，而当H介子衰变为两个P介子时，如果两个P介子的总角动量为零，则宇称为正值。如此，从质量、寿命和电荷来看，H与S似应是同一种粒子，从衰变行为和宇称守恒的原理来看，则H与S不可能是同一种粒子。一时间，这一疑难困扰着物理学界，成为热门的“H-S之谜”。1956年夏天，李政道和杨振宁一起，考查了当时已有的关于宇称守恒这个概念的实验基础以后发现，在强相互作用和电磁相互作用过程中，宇称守恒定律是经过检验的，而在弱相互作用的过程中，宇称守恒定律却从来没有得到过实验的检验，只不过是人们没有注意到这一点。他们指出，在弱相互作用中宇称守恒还是不守恒并没有实验的支持，还不能做结论。他们建议用B衰变，P-L、L-e及奇异粒子衰变等实验来检查宇称在这些弱相互作用中是不是守恒。所有这些实验的基本原理全都一样:安排两套实验装置，它们互为镜像且包含弱相互作用，然后检查这两套装置中粒子衰变的宇称结果是否总是相同。如果不同，就毫不含糊地证明在这样的弱相互作用中，宇称守恒不成立。

　　吴健雄等做的就是李、杨建议的第一项实验，B衰变实验。他们的实验利用钴60为B源。钴60原子核有自旋，好像一个小磁针，在低温下(约101K)几百高斯的外磁场里，它们便整齐地排列起来，自旋基本上都朝着外磁场方向，形成“极化”现象。这些“极化核”所放出的电子就不再各向同性了。实验的目的要判明，电子是顺着外磁场方向发射的数目多呢，还是反着的方向多?还是两者一样多?如果是第三种情况，上、下对称，就意味着这一B衰变过程中宇称守恒，否则就不守恒。实验结果发现，在弱作用中，宇称是不守恒的，而且效应非常明显，毫不含糊。

　　三个实验留给我们的启示

　　物理学史上的这三项实验，虽然发生于不同的时代，又有着根本不同的物理学内容，但它们却有着共同的特点，即，从实验的性质来看，都是判决性的；从实验的结果来看，都是否定性的；从实验的影响来看，都是开拓性的。

　　这些特征首先表现在伽利略的落体实验上。在古代或中世纪，认同实验研究的人很少。在伽利略和英国科尔切斯特的吉尔伯特(WillianGilbertofColchester，1540-1603)那时之前，实验的必要性还没有得到确认。吉尔伯特用天然磁石做成一个球，并用它说明我们地球的磁性就像他这个小球所显示的一样。伽利略证明只要材料和形状相同，轻的和重的物体一定会以同样的加速度下落。到这个时候，人们才注意到，真理不仅可以从权威那里获得，还可以从自己的眼睛和手中获得。“伽利略的伟大成就就是把着重点放在实验方面，因此排除了一切怀疑。他对实验的强调使物理学发生了革命性的变化。”伽利略认为，在物理学中，基本原理必须来自观察和实验，逻辑和数学是实验的工具和手段，而不是相反。这一点，对于人们思想的解放，具有无比巨大的意义。那时候，许多以智慧著称的人把实验看作是对于精神和道德生活的威胁。在伽利略去世25年后的1667年的英国《皇家学会史》中，后人可以从作者认认真真保卫实验，论证/实验不会伤害教育”，实验对于大学没有危险，看到实验在当时所造成的巨大震撼和反对实验的呼声多么强烈。比伽利略稍后一点的教育改革家J.A.科孟纽斯(1592-1671)说:人们应当不是从书本上，而是尽可能地从天空、从地上、从橡树和山毛榉中在智力上受到教育，就是他们必须学习和研究事物本身，而不仅仅是学习其他人关于这些事物的观测和证言。这话语里所针对的正是当时普遍关注和争论的问题。伽利略竭力反对仅仅根据权威而产生的教条，而赋予实验以权威的地位，今天我们很难理解这种态度在那个时代是多么革命，又多么危险。当时只要怀疑那些除了权威以外别无基础的见解是否真理，就会被认为罪大恶极，受到残酷的处罚。

　　迈克耳逊和莫雷的实验在其明确性上，没有伽利略实验那么爽快，在当时似乎并没有给物理学界解决以太问题带来什么希望。以后又有很多人进行过重复验证性实验，都没有能证明以太的存在。例如，R.J.肯尼迪以改进了的迈克耳逊的仪器在威尔逊山天文台也得到了否定的结果。得到否定结果的还有A.毕卡特和E.施塔黑尔，以及C.T.恰斯。比较特殊的是弥勒(Miller)，他认为这实验应当在高海拔高度重做。在加州的威尔逊山天文台，他于1921年开始观测，得到了好像是由真正的以太漂移所产生的那种效应，它对应于以太和地球每秒10公里的相对运动。以后对可能的实验错误作了多次的研究，并以地球在空间中的某种假定的运动解释这个现象。他还发现，“观测到的以太漂移的方向和大小不依赖于地方时间，而对恒星时间是一个常数。”1925年，弥勒以在任的美国物理学会会长的身份宣布这一实验结果。弥勒实验中的问题直到1955年才弄清楚，原来效应是由于温度梯度的影响所造成的。如果迈克耳逊换一种思维，以太问题在1887年就可以宣告解决了:以太根本不存在。但是直到1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，才说出了以太这件/皇帝的新装”根本没有这句话。爱因斯坦指出:“以太中的运动”这一概念是没有意义的，具有物理意义的运动只有一种，就是相对于物质实体的运动、迈克耳逊没有想明白他的以太实验结果并非偶然，这和他对当时物理学总体情况的认识紧密相关。1888年，在美国科学促进协会克里夫兰会议上，作为物理学组副主席的迈克耳逊谈到他的专业光学时说:无论如何，可以肯定，光学比较重要的事实和定律，以及光学应用比较有名的途径，现在已经了如指掌了，光学未来研究和发展的动因已经荡然无存了。6年后，他进一步说:虽然任何时候也不能担保，物理学的未来不会隐藏比过去更使人惊讶的奇迹，但是似乎十分可能，绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立起来了，下一步的发展看来主要在于把这些原理认真地应用到我们所注意的种种现象中去。迈克耳逊虽然没有从自己成功实验中参透其“负”结果的玄机，但他却因此发展了物理学。他为实验而设计并制成的迈克耳逊干涉仪，对光谱学和基本度量学作出了贡献。光谱学技术的精密化，主要是在美国由罗兰德和迈克耳逊在夫琅禾费(1787-1826)逝世50年之后发展起来的。此外，他测得的光速，人们通常认为，是相对论的支柱之一。当时人们已经求出光在真空中的传播速度始终是c=21997924×1010厘米/秒。迈克耳逊用迈克耳逊干涉仪进行多次测量，曾先后对这个结果做出了精确的验证。这些成就为后来的物理学革命准备了条件，并使得迈克耳逊成了美国最著名的物理学家之一，获得诺贝尔奖金的第一个美国人。虽然他本人和爱因斯坦都不认为他的以太实验对爱因斯坦创立相对论有直接的启发。

　　迈克耳逊和莫雷的这个结果并不痛快的实验(我不太赞成说它只是带来了麻烦，并没有引起革命性的变革。，仍然昭示了两方面的真理:一方面，实验以与理论不同的方式考察自然，比较理论有无可替代的优点。实验的发现具有无情的客观性，它的结果可能是实验者未曾预料的，也可能是他们不能自觉、不能理解的，或者还是他们所不喜欢的。但是不管如何，它们早晚会发出真理的光芒。另一方面，实验又必须与理性相结合，得到理性的引导。就迈克耳逊来说，如果他的理性与他的感觉一样敏锐，后来许多物理学家在以太问题上的反复折腾，或许大多不会出现。物理学最终的目的是描写自然和预测现象。单用理论，我们会陷入无法前进的困境。另一方面，单用实验，我们会在大量使人迷惑的没有联系的事实面前不知所措，无法将它们解释清楚。

　　至于吴健雄等的宇称实验，在前述的所有这三个方面，都作出了不可磨灭的贡献。首先，它以科学信赖的权威方式裁决了不同理论信仰的分歧。在李政道、杨振宁提出宇称在弱作用下是不是守恒的质疑之后，并没有能把物理学家归附到他们的旗帜下来，费曼、布洛赫、泡利这样的大家对这种质疑不以为然，大多数物理学家也都无动于衷。但当吴健雄等的实验结果出来后，不仅物理学界为之激动，整个科学界也为之欢呼。各国的物理学家纷纷放下手头的工作，走进实验室来分享这个发现的愉悦。不管想得通还是想不通，整个物理学界一时形成了空前的一致。这和伽利略时代的实验发现相比，真有了天壤之别。这与迈克耳逊的实验结果相比，也无比痛快。

　　其次，它以确凿无疑的结果推翻了一条定律。宇称守恒既然有着深刻的物理学经验基础和理论基础，物理学家们也理所当然对它坚信不疑。但这一点在吴健雄的实验发现之后，发生了根本的改变。李政道先生在吴健雄的墓前设计了一个“宇称在弱作用下不守恒”实验的示意模型，并亲手题写了一段文字，锲刻在大理石上:按宇称守恒定律，凡是二个左右完全对称系统的演变应该是永远左右对称的。这似乎极合理的定律於一九五七年正月被吴教授钴核子衰变实验推翻了。”李政道认为，吴健雄这项工作做出了“划时代的重大科学贡献。”(吴健雄的墓在她的家乡苏州太仓浏河镇)

　　从第三方面来说，它打开了物理学的新视野，引起了更深入的自然思考，提出了更深入的问题。1978年，获得首届沃尔夫奖的吴健雄在《吴健雄对物理学研究的贡献之若干要点》中写道:我们无可置疑地证明了B衰变的宇称不守恒。在这个实验中，不仅宇称操作不守恒，而且被认为是不变的电荷共轭也给破坏了。进而在实验中观测到不守恒的最大值，它直接地启示了两分量理论和CP组合对称性的可能性。正是由于所有这些革命性的发现，使得第一次宇称实验如此激动人心，并对我们物理世界的思想有着深刻的影响。” 1957年之后，人们认识到，弱作用中不但宇称P不守恒，电荷共轭C不守恒，时间反演T也不守恒。突破一经取得，各种新设想、新实验、新结果跟着不断涌现。杨振宁说:“1957年以来许多关于对称性破缺的发展起了四个作用:对称性的研究变成基础物理中心问题之一。通过规范场与自发破缺的观念，对称性之研究更成了今日的主流思想。中微子理论因为宇称不守恒回到韦耳(Weyl)的二分量场。在夸克理论中，因为有CP不守恒，可以预言必须有6个或更多的夸克，这个预言后来果然被证实。宇称不守恒使得极化的现象容易发生，因此，许多与极化有关的现象被研究清楚。”宇称的不守恒，使我们能把一个物理现象与它的镜像区别开来。但是，这并不是对称性的终极。在新的级别上，对称性的观念获得了巨大的拓展。物理现象的镜像，恰恰是我们用粒子进行实验时所能看见的情况。通过镜面反射，我们从一个实际的情况变换到了我称之为P变换的情况。用反粒子取代每个粒子时，我们就实现了C变换。通过实行两个变换，我们就得到了P变换。若我们首先把一个粒子变换成它的反粒子然后在镜面中反射它，即有所谓CP变换，CP变换和PC变换的结果是相同的。如果我们从一个真实情况出发，CP或者PC变换会使我们再次回到真实情况来。除了C和P变换外，还有T变换。T变换中，所有速度都要颠倒过来，产生的现象，就像我们正在看一部从末尾向开首放映的实验的电影片一样。从真实情况出发，实行所有三种变换——C、和T变换——我们可再次得到一个真实的或可能的现象。这些绕口令似的语言所表述的物理关系，在一般人的观念中可能是云山雾海，但对理论物理学家来说，却非常珍贵和重要。这些都是宇称发现以后的新话语。它不仅改变了物理学，而且也拓展了人类对整个物质世界的观念。

　　从中国人对人类科学的关系，可以看到吴健雄的贡献的另一种意义。中国人从来不缺乏理论的兴趣，也不乏关于宇宙或自然的构想。但是，真正用科学的工具和手段，得到关于宇宙或自然的基本面上的认识，获得具有原始性质的发现，这或许还是第一次。吴健雄是华人科学研究进入世界行列的一个杰出的代表和重要标志。

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