破缺的宇称 by 李政道.pdf

251破破 缺缺 的的 宇宇 称称* 李政道 一一. 序序 一个阴暗有雾的日子,有两个小孩在沙滩上玩耍,其中一个说:“喂,你看到那闪烁的光了吗？”另一个回答说:“看到了,让我们走近一点看 ”两个孩子十分好奇,他们肩并肩向着光跑去有的时候 一个在前面,有的时候另一个在前面像竞赛一样，他们竭尽全力,跑得越来越快他们的努力和速度使他们两个非常激动,忘掉了一切 第一个到达门口的孩子说:“找到了！ ”他把门打开另一个冲了进去 他被里面异常的美丽弄得眼花缭乱,大声地说: “多么奇妙！ 多么灿烂！ ” 结果,他们发现了黄色帝国的宝库他们的这项功绩使他们获得了重奖，深受人们的羡慕他们名扬四海多少年过去，他们老了，变得爱好争吵记忆模糊，生活单调其中一个决定要用金子镌刻自己的墓志铭:“这里长眠着的是那个首先发现宝藏的人” 另一个随 后说道:“可是，是我打开的门 ” 我第一次与杨振宁在物理学方面的合作是在 1948 年的秋天其次是于 1951－52 年然后是 1955－62 年最近，一位朋友给我看一* 原文见T.D. Lee: Broken Parity, T.D. Lee, Selected Papers, Vol. 3, Edited by G. Feinberg (Birkhauser, Boston, 1986), p. 487 252本书，是杨振宁注释的 1945－1980 年他的论文选 1。

书中列举的有关我们合作的情况使我大吃一惊 我很不情愿地重新去追述和回忆那已经破裂的友谊,为此我感到伤心 二二.早期的合作早期的合作 1946 年秋季我十九岁时进入芝加哥大学研究生院杨振宁比我大几岁，和我来自中国的同一所大学当我到达时，他已经在芝加哥大学了杨极端聪明，在数学物理上特别有天赋1945 年我在昆明遇见过他一次在芝加哥,我们很快便成了好友 1948 年春,我通过了基础考试， 在费米教授指导下开始做我的论文那时在费米实验室的另一位学生斯坦伯格（Jack Steinberger） ，正在做μ→ e + …… 衰变中电子谱的实验他的测量证实,μ衰变和β衰变一样,包括有四个费米子 很自然, 我的注意力和在芝加哥的其它几位一样,也被这一领域内的问题所吸引结果就有了我与杨的第一次合作 1948 年秋,罗森布鲁斯(Marshall Rosenbluth)、 杨振宁和我开始系统地研究μ衰变和μ俘获我们发现, 这些反应和β衰变类似，可以用四费米子相互作用描述，其耦合常数也与β衰变中近似相同随后1 C.N. Yang: Selected Papers 1945－1980 with Commentary (San Francisco, W.H. Freeman and Company, 1983) 253我们推测, 这些反应与库仑相互作用相似, 实际上是通过普适耦合的中间玻色子场来传播的。

对于这种场，所有的费米子对具有相同的“荷” 为了产生短程相互作用,这个场的量子必然具有质量,而由于没能探测到, 它的寿命必然是非常短的 然而,因为光子和引力子是没有质量的, 中间玻色子要有相当的质量这一问题就使我们极为棘手同时, 因为宇称守恒, 那时要理解为什么在β衰变中既有费米相互作用, 又有伽莫夫－泰勒相互作用是困难的 我们同费米教授讨论了这些问题在费米的执意坚持下, 我们才勉为其难, 写出了我们那篇论文2,那是在 1949 年新年前后 在芝加哥的那些日子里,我同杨讨论了大量的物理和其它问题他的兴趣较倾向于数学,这对我是一个补充我们思想开阔地去对待所有的问题, 讨论通常是激烈的, 但对我的发展, 特别是在我成长的年代里, 产生了重要的影响；那些讨论还使我大大提高了对与我不同的智力的鉴赏能力当然, 费米教授给我的影响则大得多 3即使现在,有些时候我遇到困难, 我就去设想, 如果费米遇到同样的情况会怎么办费米同他的学生之间的关系是非常亲近的我可以每周有一整个下午同他见面通常他总是提出某个题目, 问我是不是能想一想和阅读一下有关它们的资料, 然后“给他上堂课” 当然,我不能拒绝他的要求, 可我随后总是感到非常愉快。

只是在很久之后, 我才意识到,这是一个引导学生去独立工作的非常好的方法 我于 1949 年底离开芝加哥杨早几个月离开芝加哥去普林斯顿高等研究院（Institute for Advanced Study） 2 T.D. Lee, M. Rosenbluth and C.N. Yang: Phys. Rev. 75, 905 (1949). 3 除了费米教授，我还从钱德拉塞卡教授（Chandrasekhar），迈耶教授以及在芝加哥的人那 里学到了许多知识杨关于我的物理学训练方面的看法与我迥异请看杨的 Selected Papers 1945-1980 with Commentary (《1945－1980论文选及注释》), p. 7 254当我于 1951 年秋到达高等研究院时,讨论的最热烈的问题之一是伊辛（Ising）模型那时候,杨刚好完成了他的两维伊辛模型的磁化计算, 想继续在这一领域中工作由于我在芝加哥时,曾听了乔和玛丽·迈耶（Joe and Maria Mayer）的统计力学课,迈耶的凝聚理论总是使我入迷自然, 我们的讨论就很快集中到将伊辛结果向气－液相变的推广很快杨和我严格证明了几个有关相变的定理,做出了具有实质性的进展, 稍后发表了两篇论文4。

第一篇论文包括两个定理, 主要的部分是由我证明的我们完成这篇论文之后, 杨要求如果我不在意的话能不能把他的名字放在我的前面,因为他比我大几岁我对他的要求十分吃惊由于中国尊敬年长者的传统, 我同意了稍后,我看了文献, 察觉这样做是不公平的当我们写第二篇论文时, 我把其它一些发表的论文作为例子给他看,说明年岁的大小通常不是排名要考虑的因素这样, 在第二篇论文上名字的次序便倒过来了, 虽然在这篇论文中单位圆定理(unit circle theorem)的决定性的一步是由杨做出的 5 在这种看起来细小,但使人颇感困窘的事情之后,我觉得还是不再与杨合作下去为好这就是为什么我们直到 1955 年都没在一起工作的原因,尽管我还在高等研究院工作了一年半（至 1953 年）,然后转到不远的哥伦比亚大学去工作 在高等研究院的伟人中,爱因斯坦超越一切其他人年轻人看到4 C. N. Yang and T. D. Lee : Phys. Rev. 87，404 (1952); T. D. Lee and C. N. Yang: Phys. Rev. 87, 410 (1952). 5 我们用了一个多月的时间，紧张刻苦共同努力，从对单位圆定理的第一个推测开始，经过 许多部分成功、部分不成功的尝试，直到最后完成证明。

在1969年杨对卡斯（M.Kac） 所作的解释(为了发表)中, 他只强调了他自己在合作工作最后阶段的贡献在我第一次读 他的Selected Papers 1945-1980 with Commentary (《1945－1980论文选及注释》)第15页 的时候，我没想到他个人会有这样的看法 255他都十分敬畏,他经常和高德尔(K.Goedel)一起走着去办公室我们所有的人都过分腼腆不敢同他谈话1952 年的一天,爱因斯坦叫他的助手布鲁瑞· 考夫曼 (Bruria Kaufman) 来问,他是不是能同杨和我谈谈我们立刻回答:“当然可以！6”我本想把我的一本“相对论的意义”带去请爱因斯坦签名,但是我没有做,我一直为此感到遗憾 我们到了爱因斯坦的办公室 他说他读了我们关于统计力学的两篇文章,给他很深印象他首先询问我们关于巨正则系统的基础显然,他对这一方法完全不熟悉这使我十分吃惊,因为我一直以为,这一套方法是为了推导出玻色-爱因斯坦凝聚而发明的随后他的问题转向格点气体的物理适用性以及配分函数解的分布的细节 我们的回答使他很高兴整个谈话涉及的面很广,持续了很长时间最后他站起来,握着我们的手说:“祝你们未来在物理学中获得成功。

”我记得他的手较其它人的大而温暖总之,这是一件非常难忘的事 三三. 宇称破坏宇称破坏 随后几年,虽然我和杨没有合作,但是我们的家庭却经常来往 1954 年杨和米尔斯(Mills)发表了他们关于同位旋规范场理论的文章 7这就是著名的“杨-米尔斯方程”的首次问世,它注定要在现代物理学中发挥非常重要的作用但是在当时,它的最终的重要性我还不太清楚我在这一研究领域中的作用是不大的然而,他们的研6 杨对这一件事的回忆和我的不同请看 C.N. Yang: Selected Papers 1945-1980 with Commentary，p.15 7 C.N.Yang and R.L. Mills: Phys. Rev. 96, 191 (1954). 256究结果却使我和杨比较接近， 逐渐形成了我们在以后七年中有非常丰富成果的合作 在 1955 年初,我对杨和米尔斯论文中的“局域规范不变性”假设发生怀疑由于同位旋不是整体守恒的,为什么去要求它有局域规范不变性呢? 为说明这一点,可以举出最好确立的守恒定律,即重子数守恒依据相同的局域规范不变性假设,人们可以得出结论,一定存在着一种新的长程作用力,可是这一结论没有实验的支持。

杨和我讨论了多次,结果就是我们 1955 年的论文 8 从 1956 年到 1962 年,杨和我共同写了 32 篇论文,范围从粒子物理学到统计力学我们很幸运能生在物理学的这一特殊时代尽管冷战时期政治上是紧张的,但是物理学的国际合作也许是处在高峰时期,由马尔夏克（R.E.Marshak）发起的著名的罗彻斯特会议和由许多国家联合努力而成立的欧洲核子中心就是证明 杨和我的合作符合并反映了那时的精神合作紧密而富有成果,有竞争也很协调我们在一起工作,发挥出我们每个人的最大能力合作的成果大大多于每个人单独工作可能取得的成果 我们的论文中,最重要的是关于宇称破坏；我这里集中谈一谈这个问题,尽我可能地准确写出我对那个非常有意义的时期的个人看法我想强调一下,这个看法完全是个人的,它是从我个人的回忆里找出来的, 仅仅包括我在场的一些情形 再说一下,这不是那种能让大家共享的回忆录范本我之所以这样做,仅仅是为了回答杨的说法,因为他对所发生事件的叙述和事实上很不相同 8 T.D. Lee and C.N.Yang: Phys. Rev. 98，1501（1955） 257宇称不守恒的发现是物理学界一代人的成果杨和我是众多参与者中的两个。

这件事是从θ-τ之谜开始的,在 1955 年， 这已经是物理学界的一个“热点”了为什么θ和τ,两个不同宇称的粒子,具有相同的寿命和十分相近的质量？ 我起初的努力路线不对在 1955 年夏天,奥里尔（J. Orear）和我在常规理论的范围内提出了一个方案我们建议了一个级联机制 9, 采用当时大家认可的自旋、宇称,τ的自旋、宇称是 0－,θ的是 0＋基于相空间的考虑，假定θ（→2π）较τ（→3π）具有短得多的寿命看起来是合理的如果假定τ比θ重 10 MeV, ,0-0 禁戒跃迁 τ→θ+2γ 就可以与τ的 3π衰变模式相比,其结果是θ的“表面上”的寿命就是τ的寿命,假设θ的寿命是用 2π衰变的衰减方法确定的 然而,在 1956 年初,当阿尔瓦雷兹（Alvarez）小组在他们的泡室中寻找５ MeV 的γ失败之后 10,事情就清楚了,我们那个常规的机制是不对的随后我意识到,θ-τ之谜的解必须取决于更深的基础:或许宇称是不守恒的,θ和τ是同一个粒子我和杨讨论了这种可能性,但是我们没能做出任何进展 11 不幸的是,就这一点而言，在θ-τ衰变中宇称不守恒的假设只是同义重复 因为如果假定宇称不守恒仅发生在θ-τ的弱衰变中,那么最大的可测量效应就只能是同。