宇称的τ-θ之谜

宇称的τ-θ之谜

如何解释这个现象？可供选择的答案只有两种：一种承认宇称守恒定律，则τ粒子与θ粒子是两种不同的粒子，因为它们的宇称不同，相互作用过程宇称应不变，但无法解释为什么θ、τ粒子性质如此相同。另一种确认τ和θ是同一种粒，则宇称守恒定律不成立。
1956年李政道、杨振宁在研究这个问题时，仔细地分析了关于宇称守恒的各种实验资料，发现至少在弱相互作用领域，宇称守恒定律从未得到过实验的验证，而只不过是一个理论上的推论而已。因此根据“τ-θ之谜”的启示，他们提出在弱相互作用过程前后，宇称可能不守恒，并且还指出可以用β衰变（也是一种弱相互作用）的实验来证实或否定他们的推测。人们对于弱作用的研究已经有了相当长的历史，从发现β放射性算起，已经历了半个多世纪;即使从费米提出β衰变理论算起，也已有二十多个年头。在这漫长岁月中，人们对于弱作用，尤其对于β衰变，已经作过大量实验，然而却没有一个实验曾经证明过宇称是否守恒。这是因为左右对称性从未有人怀疑过，人们一直相信它，应用它，从未想去检验它。当然，要怀疑这样一条基本定律，必须持非常慎重的严肃态度，李政道和杨振宁正是在彻底研究了所有已经作过的弱作用实验，并发现还没有一个实验曾证明过宇称是否守恒后，才提出弱作用中宇称可能不守恒的猜测。
但是，毕竟左右对称原理太明显，太自然了，以致人们很难相信宇称真的会不守恒。著名物理学家泡利就曾俏皮地说过：“我就不相信上帝竟然会是一个左撇子?”究竟宇称是否守恒，只有让实验来作出判断，为此，李政道和杨振宁设计了一系列可用来检验宇称是否守恒的实验方案，设计的原则 是要安排两套实验装置，它们严格地互为镜像，然后在这两套装置中观测弱作用过程，看看两套装置中出现的是不是互为镜像的现象。
序
2002年在杨振宁的直接推动下，在台湾出版了江才健写的《杨振宁传》，书中用大量篇幅叙述了我和杨振宁合作和分裂的事情，引起了学术界的很大震惊。
我和杨振宁的分裂，无疑是中华民族的一个很大的悲剧，但它是事实，无法回避。自1962年与杨振宁合作破裂后，我一直保持沉默。1982年杨振宁在他的英文文集里公开发表了他对这一问题的描述。他对此事的描述和我对事情实际经过的记忆相差太大。于是我不得不在1986年作了书面说明。在4月3日前，这是我唯一的一次对事实的公开说明。这一说明是用英文写的，获得了国际学术界的广泛认同。在这之后我继续保持沉默，祈望这件事就此了结，不再纠缠。可是杨振宁却把事情转向了中文读者，借用《杨振宁文集》（1998年出版）等一些中文出版物继续对我攻击。在杨振宁直接推动下，终于又在台湾出版了江才健写的《杨振宁传》，编造了更多不真实的故事。因此，我不得不再一次打破沉默。
我和杨振宁争论的主要焦点是：在1956年我们合作发表，1957年获得诺贝尔奖的论文中，有关宇称不守恒的思想突破是谁首先提出来的。本来这个问题是无需争论的，可是杨振宁在1982年忽然用英文发表文章，宣称当初这个思想突破是他一个人提出来的，当时我还反对。1986年我在用英文发表的文章里指出杨振宁的说法与事实不合，之后，杨振宁就改用中文不断地继续发表和加强他1982年对我的攻击，完全不顾1956年的事实和经过。事实是，1956年，是我首先独立地做出了这个思想突破。接着，立刻就有多位实验物理学家按照我的想法进行了实验和分析，证明了我的想法是可行的，并发表了记载此事的科学论文。在这之后才有我和杨振宁合作写出《弱相互作用中的宇称守恒质疑》的论文和吴健雄等对该论文的实验证实。对于这项事实，当时进行实验予以证实的物理学家后来又发表了回忆文章，对事情发生的时间和经过做了细致、客观的描述。因此，很容易证明在我和杨振宁两人完全不同的说法中哪一个是假的。这种情形是相当惊人的，在科学史上可能也是很少见的。
我和杨振宁的分歧是中国学术界十分关心的事。事情又有了新发展，我觉得有必要让中国国内和海外华人学者及所有关心此事的炎黄子孙能进一步了解李杨合分的真实情况。因此，我才把就此事回答《科学时报》记者杨虚杰女士的全文及当年有关的英文资料的中文翻译，汇集出版，公布于众。
李政道
二OO三年七月
写于纽约 下面是杨振宁1982年写的关于1956年宇称不守恒的回忆 [6]：
“普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study, Princeton)的春季学期于4月初结束， 我和家人于1956年4月17日到布鲁克海文去度暑假。 李政道和我继续保持每周两次的互访。这段时间里，我们是在哥伦比亚和布鲁克海文见面。同过去一样，我们对各种问题都感兴趣，但当时我们最关注的自然是 θ-τ之谜。 我们对下述反应链中的角分布尤其有兴趣：
π-+ p → ∧0+θ0 （1）
∧0 → π-+ p （2）
R. P. Shutt（舒特）、斯坦伯格和W. D. Walker（瓦尔克）等人研究过这些反应。他们曾在罗彻斯特会议上报告过研究的结果， 会上对这三组物理学家所使用的‘二面角’变量的准确范围有争议。
“4月底或5月初的一天，我驱车前往哥伦比亚作每周例行的拜访。我把李政道从他的办公室接出来，上了车。我们很难找到泊车的空位。 后来，我把车泊在百老汇大街和125街的转角处。 那是午饭时分，但附近的饭馆尚未开门营业。于是我们就到左近的“白玫瑰”咖啡馆，在那里继续讨论。稍后，我们在“上海餐馆”（据我回忆，是这间餐馆， 但李政道说他记得是“天津餐馆”）吃午饭。我们的讨论集中在θ-τ之谜上面。在一个节骨眼上，我想到了，应该把产生过程的对称性同衰变过程分离开来。于是， 如果人们假设宇称只在强作用中守恒，在弱作用中则不然，那么，θ和τ是同一粒子且自旋、宇称为0-（这一点是由强作用推断出的）的结论就不会遇到困难。 这种分离对反应链（1）、（2）有特别的意义。李政道先是反对这种观点。我力图说服他，因为这种想法可以通过（1）、（2）两个反应中可能存在的上－下不对称性而加以检验， 它就更有吸引力了。后来，他同意了我的意见。
“……，那时，李政道还不大熟悉β衰变现象。他有点按捺不住了，主张把关于反应（1）、（2）的研究写成短文，先行发表。 我不同意这样做，因为我要把β衰变的计算做完。”