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《物理学的诱惑》——杨振宁在东南大学的演讲(摘要)
发布时间: 2008-11-07                    访问次数: 647

     

 

 

         一
       很多人认为物理学是很艰难的学问,其实不然,研究物理学的动力是好奇心。有了好奇心钻研物理就不难,而研究的结果可以改造人类的生产力跟人类的福利。
       1831年,英国人Faraday做了一个很简单的实验。这个实验对于人类的影响是没有法子计算的。Faraday二十岁的时候经过一个偶然的机会,被一个有名的化学家雇佣为助手,从此就开始了研究生活。开始的时候虽然大家知道有电有磁,可是这两个的关系不清楚,而且电的性质跟磁的性质也都不清楚。大家知道你们在冬天脱毛衣的时候常常有火花,这就是因为毛衣跟周围的东西有了静电。所以在Faraday早年的时代,在欧洲有一个魔术,这个魔术是用一个金属的盘子,上面站着一个女孩,你把金属的盘子里充了静电,那个时候知道怎么样用刚才讲的火花的办法继续累积,可以弄很多静电跑到这个金属的盘子上,那个女孩子全身都有静电。那么电有个倾向,走到身体的表面极端,所以这个女孩子的头发肩上都有静电。这是当时很有名的一个魔术。可是到底这电是怎么回事,就是像Faraday他们这样的人研究。
       Faraday在1831年做了一个划时代的实验,这个实验其实非常简单,它就是有一个线圈,线圈里放了一个磁铁,那么当这样子他发现这个线圈没有电,他发现当线圈不动把磁铁往里面塞一下,立刻就发生了电。假如把这个磁铁往外拉一下也发生电。反过来也可以,把磁铁不动,把线圈向右或向左动线圈也发生电 这是个大发现。在物理学里面有一个专有名词叫做电磁感应 ,英文叫做electro- magnetic induction 。这个简单的实验的影响是没法子估计的。今天我们所有用的电,都是从大发电厂发出来的。像这个发电厂,这个发电厂里头所用的原理是什么的呢?它用的就是Faraday的原理,就是用一些不动的磁铁,在这个不动的磁铁里,弄些线圈来动,照刚才讲的这个electro- magnetic induction使得这些动的线圈里有电,然后把电通到我们家里来,通到礼堂来,所以是Faraday把人类带进了电的时代。电对20世纪21世纪的人类的影响我们当然是没法子能够估计的。这个是一个油画,是Faraday在他的实验室里头,当然这个Faraday当时已经有名了,所以他已经是主持这个实验室。这是另外一张画,因为那个时候在伦敦每年圣诞节的前后有一个叫做charismas lecture,圣诞的演讲,Faraday曾经给过好几次。这个我想是英国当时上流社会一个很有趣味的活动,而这个活动对于整个英国的科学的发展,以及以后人类整个的发展有决定性的影响。所以,一些社会的活动对于人类常常有很重要的影响。那么今天我们在这里所以有这个活动是华英基金会所组织的,所以我们也可以了解到华英基金会设立它的社会意义。
       Faraday以后出了一个年轻的理论物理学家,叫做Maxwell,他比Faraday小了40岁。Maxwell大学毕业的时候二十几岁,他就想要来研究电,可是他刚大学毕业,不知道怎么研究法,所以他就写了封信给William Thomson。William Thomson是个天才,只比大7岁,可是当时已经是有名的教授,已经写过好多关于电跟磁的文章。所以可以想象到Maxwell觉得向Thomson请教最好,所以就给他写了封信。这封信现在还保留下来了,可是Thomson的回信现在找不到了。Maxwell的信我把它翻译出来,中间有这么一句。我最近得到学士学位,想要多了解电的现象。不知道怎样才能得到一些深入的了解。深入的了解Maxwell用的名词是insight into the subject。他问Thomson“你如果能给我们一些指点我们会十分感激”。为什么他讲“我们”呢?因为他准备和其他三个同学一块来研究电,所以就给Thomson写了这封信。Thomson是认识Maxwell的,他们都是苏格兰人。那么我刚才讲了,Thomson的回信现在失传了,可是我们可以想象到他一定是告诉Maxwell你要看这些文章,其中当然包括他自己的文章,不过很显然他特别加重讲:你要看Faraday的文章。Faraday是个大实验物理学家,可是他不懂理论,他的文章很多,编成好几本书,你去把这些书翻一翻看没有一个公式,因为他没有学过很多的数学,尤其是他没有学过微积分,可是他有丰富的想象力,他有丰富的几何直觉。在Maxwell有了大成就以后,Faraday故去了,Maxwell写了个很长的一个追悼文。在这个追悼文里,Maxwell说“Faraday的书里没有一个公式,可是他其实是一个伟大的几何学家”,因为他引进了一个直觉的观点,这个直觉的观点就是“电场”。他是说电跟磁的力量都可以变成一个东西叫做一个场。场这个名词是20世纪到21世纪理论物理学的中心思想,这个思想的来源是那个不会写公式的Faraday是所提出来的。Maxwell去研究了Thomson所告诉他的这些文章,67年以后他就写下了这四个方程式,这四个方程式是有名的“Maxwell”方程式。这四个方程式我想是19世纪最最重要的物理贡献,我想也许可以说这四个方程式跟达尔文的进化论是19世纪最重要的科学的结晶。
       Maxwell 在1861年的秋天算了一下,他就发现这种波的速度是每秒钟19万3千英里,于是他就去查一查文献。当时他就知道有人量过光的速度,也是19万3千英里,他就想这两个不可能是一个耦合,所以他就大胆提出来说是光波——当时已经知道光是个波——他说光波其实就是电磁波。这个结论对人类的影响又是没法子估计的,这个发现把人类带入电磁波通讯时代。1854年6月28号,Faraday已经63岁了,他写了一封信给一个年轻的英国的物理学家叫做Tyndall,Tyndall后来也成了一个大物理学家。Faraday信里边说:“你还年轻,我已老了......可是我们知道我们研究的题目是如此崇高美丽,在其中工作使弱者陶醉,强者振奋。
       二
    底下我再给大家讲第三个例子,是关于吴健雄的例子。我想在座的都非常熟悉吴健雄这个名字,因为在东南大学就有一个吴健雄纪念馆。吴健雄是当初中央大学毕业的学生,到美国去,在布鲁克林获得博士学位。这张照片是她五十几岁的时候,在她哥伦比亚大学的实验室里头所照的。1957年正月,吴健雄宣布了她的实验,证实了在β衰变中宇称不守恒。关于β衰变跟宇称不守恒,我底下要跟大家稍微解释一下子。
      到了20世纪的初、19世纪的末,第一次发现有放射性。有一些像铀之类的元素、它发出来一些放射性的东西。这个发现——这个放射性的东西使得贝克多·居里和居里夫人得到了诺贝尔奖金。那么这些放射性里面放出来的光和射线,有一部分是x光或者是γ光,刚才其实我已经提到了,可是还有一些当时叫做β光。β光是一个粒子。那么这个β光发现时,许多电子从这个铀里头跑出来。所以在20世纪的初年就研究得很多了,那么吴建雄在20世纪五十年代的时候,在这方面就已经扮演一个非常重要的角色了。大家都知道她的工作非常准确,而且是选的题目非常好。宇称不守恒是一个理论的观点,我底下再跟大家稍微地讲一讲。1957年,吴健雄这篇著名的文章在当年一月份只是一个预印本,到二月里头才正式刊印出来。这个消息当时就传遍了物理学界,所以有这样大的震惊,我底下给大家解释一下。2月2号美国物理学会在纽约的New Yorker Hotel举行了周年大会。这个大会是盛况空前。在后来的大会的记录上面说:“那间屋子挤满了人,有些人甚至从天花板上的大吊灯爬到那个上面去,使得能够听这些演讲。”物理学界引起震荡,那一次的震荡跟三十年以后一样——1987年的“Woodstock”高温超导体会议,是第二次世界大战以来物理学界两次最大的震荡。最大的原因,是因为这两个震荡都是遍及物理里头很多的方向,不只是其中一个领域。
    关于吴健雄这个实验的背景,我底下给大家解释一下。二战之前,物理的实验都是小规模的。二战以后核物理成为非常热门的研究题目。因为二次世界大战以后,所有的政府都知道这个物理的研究对于国防有密切的关系。第二次世界大战里头两个新出现的重要军用设备都是跟物理研究有关系的:一个是雷达,一个是原子弹。所以第二次世界大战以后,所有的国家都知道为了国防必须要研究物理,所以就纷纷走进了物理的研究,尤其走进了核物理的研究。要做核物理的研究就要用加速器,所以就做越来越大的加速器。那么这个是第二次世界大战以后做的第一个大的加速器,叫做“Cosmo”,在纽约州。像这样子的加速器这是第一个,不过后来又有更大的,因为你这上面做了比如说10年,得到了很多成果,你要想做到更精细,就好像你要做一个放大倍数更大的显微镜一样,所以呢,你要做一个更大的加速器。所以呢,这样子一代一代的加速器就越做越大。今天最大的加速器是在日内瓦,叫做“LHC”,是在日内瓦的欧洲的一个联合实验室叫做“CERN”。恰巧就是最近这一个月,这个机器宣告完成了。所以,就是在上一个礼拜,把欧洲的很多元首都请去要给他们看。因为欧洲各个国家一共加起来也加上美国包括——中国也稍微贡献了一点点——前后花了80亿美金才造成这个机器。不过一个月以前不幸有个小的火灾,所以现在看起来真正对撞恐怕要到明年夏天才可以开始。这个实验上面动不动就是几百个博士学位的研究工作人员在里头做,有几千个研究生,中国也有一些研究生跟研究员在里面工作。
       三
   那么在1956年的这个夏天,我们有了三个发展,从后来看起来,这是重要的。我们的第一个想法是说:不错,Newton的方程式、Maxwell的方程式都是左右对称的,Newton的方程式跟Maxwell的方程式里头所讲的力量是叫做核力跟电磁力,而我们现在所要讨论的衰变是比较弱的力量,叫做弱力。那么我们说,是不是在强的力量里头左右是对称的,可是在弱的力量里头左右不对称?这个只是一种设想。那么b衰变跟K衰变都是一种弱的力量,所以我们说是不是在这个里头左右可能不对称?可是这个底下立刻就要研究,我刚才说了,B衰变已经有上百上千个试验了,那些试验都是建立在宇称守恒的观念上头。所以我们说,得要把这个重新估价一下。所所以我们就把5种不同的b衰变——过去所做过的很多试验归纳成5种——我们把每一个都去仔细算了一下。这算了以后得出来了一个惊人的结论,就是,原来大家当初以为这些B衰变的试验是跟宇称守恒有非常大的关系,而且大家都是讲得头头是道。其实完全是错误的。所有过去的试验都不能证明左右在B衰变里头是不是左右对称。我们经过计算以后发现到,事实是过去在B衰变里头并没有人做过一个试验是直接证明左右是对称的。换一句说就是,宇称守恒一直到那个时候,从来没有在B衰变试验中被测验过。所以我们就提出来说就是,那么用什么样的实验来测试在B衰变和其他的衰变里头宇称是守恒的呢?那么这就是代表要做一个比从前所有B衰变试验都要复杂的试验,才能够测量出来。所以我们就提出来了5种不同的试验,其中一种是关于B衰变的。我们的文章是在1956年的6月22号寄出去的,这个是当时的预印本。
我们这个预印本寄出去之后的反应呢,就是大家都觉得不相信。当时有一个大物理学家,叫做Pauli,在英文叫做“Formidable Pauli”,中文翻译成“可畏的Pauli”。Pauli比我大21岁,他是在量子力学开始的时候就做了极为重要的工作。那么他是一个理论物理学家,而且他是非常严格的,也许因为他非常严格的个性呢,他批评人也是不容情的。他就写信给他的一个有名的学生,Pauli说:“我不相信上帝是一个弱的左撇子。”他这个“弱”当然就是讲弱相互作用,“左撇子”就是说左右是不对称的。他还说:“我准备投注一笔很大的金额,实验将会得出一个对称的分布。”换一句话说就是左右是对称的。这个话也是写在信上的。过了半年多,等到吴健雄的实验做出来以后,发现左右是不对称的,他又给从前的助手写了一封信,他说“我上回跟人说我要打赌,幸亏没有人跟我打,假如打了的话,那我现在要破产了。我是不能有够多的钱,所以要破产。现在这样呢,我只损失一点名誉,不过我名誉很多,所以我不怕。”(观众笑)这个是Pauli的照片,他跟吴健雄,后来跟李政道、跟我都很熟。他是一个矮胖矮胖的维也纳出身的人,后来住在瑞士,也常常到Princeton,所以他在四十年代底就跟吴健雄和袁家骝很熟,那么后来跟我、跟李政道也都很熟。他呢,我刚才讲,常常是不容情地批评人。那么假设你做一个报告,如果Pauli来了,他通常都是坐在第一排。而他又有一个习惯:他老是这样前后这样子摇。我们都知道,假如他摇的频率增加的话,就表示他要问一个很困难的问题了。
     大家也知道费曼,他是一个大理论物理学家,当年还很年轻,是36岁,他跟人说这个宇称是绝对不可能不守恒的。他说,我愿意跟你用50块美金赌一块美金,这个宇称是一定守恒的。等到发现宇称不守恒之后,他就乖乖地写了一张支票:50块美金。可是跟他打赌的那个人呢,觉得这是一张很重要的支票,就没有把这个支票拿到银行里头去兑现,就把它放在镜框里,挂在他的办公室里头。这是费曼的照片。Felix Bloch是一个诺贝尔奖金获得者,他因为有这个NMR的贡献——大家也许晓得NMR后来就引导出来了MRI,这个MRI对于今天的医药简直是太有意义了。我想,听说一年有几千万人照这个MRI——他呢,绝对不相信左右可以不对称。他说如果宇称不守恒,他会把自己的帽子吃掉。这是Bloch的照片。Bloch是Stanford大学第一个得到诺贝尔奖的科学家。李政道跟我就觉得我们指出了一个非常重要的事实,就是:在弱相互作用之中,过去并没有宇称守恒的试验,而我们觉得我们指出来的是很好的试验,可以来研究。可是我们并不觉得宇称会在任何弱相互作用力中不守恒。
       四
   那么吴健雄的实验是怎么发生的呢?那个时候,大部分的实验物理学家都不愿进行我们的实验,因为当时我们提出来的实验都非常困难。其实后来发现,其中有一种非常简单的 ,可是当时没人了解到。她觉得,宇称会不守恒。她的超人的地方,是她了解到,一个基本的自然定律必须要做实验的验证。后来我曾经讲过,是吴健雄“独具慧眼”。
      她是一个伟大的B衰变的物理学家,可是她要做这个B衰变的实验要在低温里头做,那么她自己没有这个低温的物理实验,所以她就从National Bureau of Standards——国家标准局请了四位低温物理学家一起进行其中的一个实验,是李政道跟我提出来的五种实验中的一个。这个实验是“B-decay of polarized radioactive Co60”。Co60是Co的一种同位素,这个Co的同位素现在在医药界很有用处。Co60是放射性的。这个放射性的Co60不是普通的Co60,要把它拿来激化,这个激化是要在低温底下做的。所以她就找了四个国家标准局的合作者合作。在那个夏天之后的5个月里头,一直到1957年年初,她就往来于纽约跟华盛顿之间。因为国家标准局在华盛顿。他们的实验遇到了很多困难,因为B衰变和低温都是两个新的技术,在他们之前,从来没有人把这两个技术合在一起做一个实验。所以这是一个新的领域,那么她走进了这个领域。在这个新的领域里头当然有很多战术上的问题需要解决。比如说,因为他们要做的是一个非常低的温度,他们要做的这个Co60要放在一个大的结晶的表面上的,因为如此低的温度,这个结晶需要相当大,小的结晶不行,他们第一步得要造一个大的结晶,在上面去涂这个Co60。所以他们要学习制造大晶体的技术。经过三个星期的艰苦奋斗,她跟她的哥伦比亚的学生们终于成功制造了一个大约1个Centimeter大的晶体。吴健雄后来说是“Beautiful like a diamond”,像一颗钻石一样漂亮。
     他们先到Columbia大学大化学系图书馆里去找,化学系的人常常要做晶体,所以他们就到化学系的图书馆去,把做晶体的书都找来。她后来自己说,这些书上有很多灰尘,他们把它们打开来进行研究,弄了三个礼拜,还是做不出来。这些溶液里头可以做出来小结晶,做不出来大的。她的学生里头有一个女研究生,这个研究生后来是Rutgers大学的教务长。那个研究生那个时候一个下午做不出来,她就把它带回家,然后第二天早上忽然醒来她就发现这个溶液里头出了很大的晶体,所以她就把这个溶液带到实验室里头去观察。后来懂了。原来她把这个溶液放在厨房的炉子旁边,厨房的炉子当然温度比较高,所以他们就懂了,这个窍门就是要控制温度。那么这么一来,他们就做出来一个大的晶体。这个晶体,吴健雄把它带到华盛顿去的时候,她说:“那天当我把晶体带去华盛顿,我知道我是全世界最快乐和最骄傲的人。”吴健雄宣称了她的实验以后,美国最重要的报纸《纽约时报》头版有了这个消息,就报告了这个(实验的)消息。我们可以说,因为宇称守恒是一个基本的观念,现在突然有了一个漏洞,就好象一个堤坝被攻破了,所以物理学家们就都赶紧去测试在各种弱相互作用下宇称是否守恒。接着的五年进行了几百个类似的实验,在全世界的许多地方。因为这是一个普遍现在,所以不只是高难物理学家,很多别的物理学家都可以做这个实验。几百个实验做出来的结果是什么呢?就是证实了宇称不守恒是所有的弱相互作用下的一般特征。
        五
      吴健雄的实验导致了以后几年很多不同的研究路径——不只是一个实验,而是整个路径都有了一些改变。第一,她把对称的观念提升为基本理论里头的一个中心观念。第二,除了宇称P守恒不守恒以外,还有两种离散的守恒——一个叫C,一个叫T。1964年,有两个美国的物理学家带领了两个学生,他们证明了T也不守恒。他们的实验在十几年以后,在1980年得到了诺贝尔奖。第三,在B衰变里头除了有电子出现以外,还有中微子出现。这个深入的研究导致了三个诺贝尔奖。在1988年,因为发现有两个不同的中微子而得了诺贝尔奖。到了1995年,发现了还有第三种中微子,又有了一个诺贝尔奖。到了2002年,发现这三种中微子之间互相转换,这是以前没想到了,这又得了一个诺贝尔奖。
      可是吴健雄始终没有获得她应该得到的诺贝尔奖。这是什么道理呢?这有很多种不同的讨论。一个讨论呢,是说诺贝尔奖的奖金有一个规矩,必须是在那年的2月1号以前发表的文章才有可能得诺贝尔奖。她的文章是发表在2月1号以后,所以那一年的诺贝尔奖不能够包含吴健雄。这个话虽然有道理,可是你当然也很容易问了:很显然应该也给吴健雄。因为李政道跟我只是提出来这个理论,这个理论不能算证实,必须有实验支持,那么这个实验室吴健雄做的。所以假如在那年的十月底,他们在讨论诺贝尔奖的时候,最容易的一个办法就是:今年我们不给这个方面的,而给别的方面——这是常常有的事情——然后到第二年,到了58年,吴健雄的文章就合格了,就也给吴健雄。这不是很简单的一个解释吗?所以这个解释不能够自圆其说。可是又有一个解释说,诺贝尔奖还有另外一个规矩,就是诺贝尔奖不能给四个人,只能给一个、两个或者三个。那么吴健雄实验的重要伙伴呢,就是那几个国家标准局的合作人,其中有一个是最重要的,叫做Ambler——Ambler后来做了国家标准局的主任——Ambler当时是一个很年轻的杰出的低温物理学家。所以当时你要给吴健雄,那必须要给Ambler,所以就变成四个人。所以他们讨论了一下,结果就没有给吴健雄。这个理论有人赞成——通常是低温物理学家赞成这个理论——可是做B衰变的物理学家不赞成这个理论。到底哪个是对的,现在还不知道。不过诺贝尔奖金委员会也有一个规矩,说是一个奖给了五十年以后,可以让科学史的研究者看看五十年前的档案。所以我猜想现在一定已经有科学史的研究者到Store home,去看五十年前的档案了,那么也许他们会得出来一个结论。
       吴健雄在伯克利得博士学位的时候,她的导师是Emilio Segre,Emilio Segre后来在五十年代也得到了诺贝尔奖。Emilio Segre是意大利出身的,他是在相当有名了以后才搬到美国去,以后长期住在美国。他在晚年的时候写了一本书,这本书我印象中现在好像已经有中文翻译了,我推荐给在座的年轻的同学,叫做《From X-rays to Quarks》(中文名《从X射线到夸克》),这本小小的书把二十世纪理论和实验——不过是以实验为主——基本物理学的发展用一个通俗的语言讲出来。我把这个书推荐给大家,给对于科学发生兴趣的同学。我特别要提出来的是他这个书里头有一段——这个书里头当然也讲到了宇称不守恒,也讲到了他这个学生——这里头有一段我把它念给大家听。我把它翻译成底下的:“这三位中国物理学家显示了下面的预测:历史上中国曾扮演世界文化领袖的角色。当中国从她(目前)的浴血革命时代走出,重新担任她的历史角色以后,她对未来世界物理学将有多么大的贡献。”我跟在座的各位年轻的同学讲,你们是处在一个大时代。全世界人民都已经看出来了,说是中华民族已经走出了浴血革命的时代,希望而且一定可以在世界文化里头扮演领导角色。那么我希望Segre的这一段话,你们能够想到它的深意。(整理: 周星舟 赵勇 张莉 方波 )