1957年諾貝爾物理學獎

年諾貝爾物理學獎1957年物理學獎得主，是中國（后加入美國籍）的兩名物理學家楊振寧和李政道，獲獎理由是他們發(fā)現(xiàn)了弱相互作用中的宇稱不守恒定律，從而導致有關(guān)基本粒子研究的重大轉(zhuǎn)變。楊振寧（Chen-NingYang,1922—）,出生在安徽合肥。父親楊武之是中國著名的數(shù)學家，原清華大學（后轉(zhuǎn)入西南聯(lián)大）教授。由于家學淵源，他從小就受到很好的教育?？箲?zhàn)時期，他在昆明的西南聯(lián)大獲得理科學士學位，本科論文導師為北京大學吳大猷教授。1944年在清華大學獲得科學碩士學位，碩士論文導師是王竹溪教授。1945年冬，得到庚子賠款獎學金赴美留學，就讀于芝加哥大學。1948年，獲芝加哥大學物理學博士學位，后長期在美國普林斯頓高等學術(shù)研究所工作。1964年加入美國籍。1966年起，在紐約州立大學石溪分校主持理論物理研究所的工作。1971年回國訪問，此后曾多次回國，為中國科技發(fā)展獻計獻策，為中美科技交流牽線搭橋。2003年底，楊振寧回中國定居，居住于清華園的“大師邸”。2015年，楊振寧放棄美國國籍，成為中國公民，滿足了他父親久違的心愿。2017年，揚振寧正式轉(zhuǎn)為中國科學院院士。近代理論物理學許多領(lǐng)域的發(fā)展，都與楊振寧的名字分不開。1949年，楊振寧與世界著名的物理學家費米一起，提出了基本粒子的結(jié)構(gòu)模式，即費米-楊模型。1954年，楊振寧與米爾斯合作，提出了規(guī)范場理論，確立了他作為20世紀后半葉物理學奠基人的地位；1956年，楊振寧與李政道合作，提出了弱相互作用中宇稱不守恒的理論，這一重大成果沖破了當時物理學界的傳統(tǒng)觀念，促進了基本粒子理論的發(fā)展，被科學家們稱之為“科學史上的轉(zhuǎn)折點”。楊振寧自始至終都認為，青少年時期在國內(nèi)受到的中國傳統(tǒng)文化教育，對自己事業(yè)取得成就至關(guān)重要。然而，了解現(xiàn)代物理學的人都知道一點，盡管宇稱不守恒定律為楊振寧贏得了諾貝爾獎，但這并不是他的最高成就，他最大的貢獻是楊-米爾斯理論，這是現(xiàn)代規(guī)范場論和粒子物理標準模型的基礎(chǔ)，是背景更加宏大的理論。與愛因斯坦類似，楊振寧沒有因為自己的主要貢獻而被授予諾貝爾獎，不是因為這個貢獻沒有價值，而是因為當時的人們對這個新理論缺乏了解，沒有認識到它的真正價值。從另一個方面也說明了這個理論的深邃與龐大。關(guān)于楊-米爾斯理論，暫且不在這里討論，留待其他篇幅另行闡述。除了科學成就被人稱道外，楊振寧的個人生活也被人們津津樂道。1950年，楊振寧與杜致禮(國民黨將領(lǐng)杜聿明之女)在美國結(jié)婚，育有兩子一女。2003年杜致禮去世。2004年，82歲的揚振寧與時年28歲的翁帆結(jié)婚，至今已共同生活17年，打消了很多人先前的置疑。李政道(Tsung-DaoLee,1926—),出生于上海。1943年，在江西聯(lián)合中學畢業(yè)。他上高三時，曾因?qū)W校師資緊張，走上講臺給高一的學生講物理課。1943年,考入遷至貴州的浙江大學物理系,由此走上物理學之路,師從束星北、王淦昌等教授。1944年,轉(zhuǎn)入昆明國立西南聯(lián)大學。1946年,經(jīng)吳大猷教授推薦赴美進入芝加哥大學，師從諾貝爾物理學獎獲得者、物理學大師費米教授。1950年6月，獲芝加哥大學博士學位。任芝加哥大學天文系助理研究員，從事流體力學的湍流、統(tǒng)計物理的相變以及凝聚態(tài)物理的極化子的研究。1950年—1951年，任加利福尼亞大學伯克利分校助理研究員和講師。1951年—1953年，成為普林斯頓高等研究院成員。1953年—1960年轉(zhuǎn)入美國哥倫比亞大學工作，主要從事粒子物理和場論領(lǐng)域的研究。1956年，不滿29歲的李政道成為哥倫比亞大學二百多年歷史上最年輕的正教授，他開辟了弱作用中的對稱破缺、高能中微子物理以及相對論性重離子對撞物理等科學研究領(lǐng)域。1956年，與楊振寧共同提出宇稱不守恒理論，共同獲得1957年諾貝爾物理學獎，年僅31歲，是歷史上第二年輕的獲獎者（最年輕的獲獎者是1915年的小布拉格）。1960年—1963年，任普林斯頓高等研究院教授。1961年，受推選為美國國家科學院院士。1962年入美國籍。1963年—1964年，任哥倫比亞大學教授。1964年—1984年，任哥倫比亞大學費米物理講座教授。1986年，出任中國高等科學技術(shù)中心終身主任；并擔任北京現(xiàn)代物理學研究中心主任。2006年至今，任北京大學高能物理研究中心主任。在闡述宇稱不守恒定律之前，先要搞清楚一個問題：什么是弱相互作用？所謂弱相互作用，又稱為核力，是自然界四種基本作用力之一，其余三種分別是強相互作用（也稱為強核力，即把質(zhì)子與中子結(jié)合在一起的作用力）、電磁力和萬有引力。弱相互作用是四種基本力中第二弱（僅次于萬有引力）、作用距離第一短的作用力。原子核中次原子粒子的放射性衰變就是由它引起的，恒星中一種叫氫聚變的過程也是由它啟動的。那么，什么是宇稱呢？在宇稱不守恒定律被發(fā)現(xiàn)之前，人們普通認為，在微觀世界里，基本粒子有三個基本的對稱方式：一個是粒子和反粒子互相對稱，即對于粒子和反粒子，定律是相同的，這被稱為電荷(C)對稱；一個是空間反射對稱，即同一種粒子之間互為鏡像，它們的運動規(guī)律是相同的，這叫宇稱(P)對稱；一個是時間反演對稱，即如果我們顛倒粒子的運動方向，粒子的運動是相同的，這被稱為時間(T)對稱。也就是說，如果用反粒子代替粒子、把左換成右，以及顛倒時間的流向，那么變換后的物理過程仍遵循同樣的物理定律?？茖W界在1956年前一直認為宇稱守恒，也就是說一個粒子的鏡像與其本身性質(zhì)完全相同。美國物理學家理察?T?考克斯(RichardThrelkeldCox)可能早在1928年就觀察到了B衰變中宇稱的不守恒性?？茖W家在1956年之前已發(fā)現(xiàn)9和t兩種介子的自旋、質(zhì)量和電荷完全相同，一度以為是同一種粒子。然而9衰變時產(chǎn)生兩個n介子，t衰變時產(chǎn)生3個n介子，奇數(shù)個n介子的總宇稱是負的，而偶數(shù)個n介子的總宇稱是正的。如此看來，它們又似乎不是同一種粒子。1956年4月第六屆羅徹斯特高能核物理年會在紐約州北部羅徹斯特大學舉行，會議上討論了9-t的衰變，有科學家提出宇稱是否有可能不守恒？1956年，李政道和楊振寧在深入細致地研究了各種因素之后，大膽地斷言：t和9是完全相同的同一種粒子(后來被稱為K介子)，但在弱相互作用的環(huán)境中，它們的運動規(guī)律卻不一定完全相同，通俗地說，這兩個相同的粒子如果互相照鏡子的話，它們的衰變方式在鏡子里和鏡子外居然不一樣！用科學語言來說，“e-T”粒子在弱相互作用下是宇稱不守恒的。1956年6月，他們在美國《物理評論》上共同發(fā)表了題為《弱相互作用中的宇稱守恒質(zhì)疑》的論文，闡明了這個觀點。然而，論文發(fā)表后，人們?nèi)匀话选癳-T”粒子當作一個特殊例外，還是不愿意放棄整體微觀粒子世界的宇稱守恒。此后不久，同為華裔的實驗物理學家吳健雄用一個巧妙的實驗驗證了“宇稱不守恒”。吳健雄用兩套實驗裝置觀測鈷60的衰變，她在極低溫(0.01K)下用強磁場把一套裝置中的鉆60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向左旋，把另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向右旋，這兩套裝置中的鉆60互為鏡像。實驗結(jié)果表明，這兩套裝置中的鉆60放射出來的電子數(shù)有很大差異，而且電子放射的方向也不能互相對稱。實驗結(jié)果證實了弱相互作用中的宇稱不守恒。從此，“宇稱不守恒”才真正被承認為一條具有普遍意義的基礎(chǔ)科學原理，推翻了物理學上屹立不倒三十年之久的宇稱守恒定律。這一發(fā)現(xiàn)，使瑞典皇家科學院立即在第二年(1957年)的諾貝爾物理獎頒發(fā)給楊振寧和李政道兩位博士，因為他們指正了過去科學家所犯的嚴重錯誤，開啟了基本粒子“弱相互作用”一些規(guī)則的研究，使人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)層的認識邁進了一大步。自從宇稱守恒定律被李政道和楊振寧打破后，科學家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，宇稱不守恒的現(xiàn)象并不是孤立的。科學家很快又發(fā)現(xiàn)，粒子和反粒子的行為并不是完全一致的。一些科學家進而提出，可能正是由于物理定律存在輕微的不對稱，使粒子的電荷(C)不對稱，導致宇宙大爆炸(假說)之初生成的物質(zhì)比反物質(zhì)略多了一點點，大部分物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅了，剩余的物質(zhì)才形成了我們今天所認識的世界。如果物理定律嚴格對稱，宇宙連同我們自身就都不會存在了——宇宙大爆炸之后應當誕生了數(shù)量相同的物質(zhì)和反物質(zhì)，但正反物質(zhì)相遇后就會立即湮滅，那么，星系、地球乃至人類就都沒有機會形成了。接下來，科學家發(fā)現(xiàn)連時間本身也不再具有對稱性了！可能大多數(shù)人原本就認為時光是不可倒流的。日常生活中，時間之箭永遠只有一個朝向，“逝者如斯”，老人不能變年輕，打碎的花瓶無法復原，過去與未來的界限涇渭分明。不過，在物理學家眼中，時間卻一直被視為是可逆轉(zhuǎn)的。比如說一對光子碰撞產(chǎn)生一個負電子和一個正電子，而正負電子相遇則同樣產(chǎn)生一對光子，這兩個過程都符合基本物理學定律，在時間上是對稱的。如果用攝像機拍下其中一個過程然后播放，觀看者將不能判斷錄像帶是在正向還是逆向播放——從這個意義上說，時間沒有了方向。然而，1998年年末，物理學家們卻首次在微觀世界中發(fā)現(xiàn)了違背時間對稱性的事件。歐洲原子能研究中心的科研人員發(fā)現(xiàn)，正負K介子在轉(zhuǎn)換過程中存在時間上的不對稱性：反K介子轉(zhuǎn)換為K介子的速率要比其逆轉(zhuǎn)過程—一即K介子轉(zhuǎn)變?yōu)榉碖介子來得要快。至此，粒子世界的物理規(guī)律的對稱性全部破碎了，世界從本質(zhì)上被證明了是不完美的、有缺陷的。然而粒子的本質(zhì)是電磁相互作用。粒子與粒子或粒子與物質(zhì)間同樣存在相互作用，在正物質(zhì)宇宙環(huán)境下也許正是這種粒子的相互作用影響差異使得粒子能量運動狀態(tài)發(fā)生改變而導致宇稱不守恒。用科學家的話說，宇稱是內(nèi)稟宇稱的簡稱。它是表征粒子或粒子組成的系統(tǒng)在空間反射下變換性質(zhì)的物理量。在空間反射變換下，粒子的場量只改變一個相因子，這相因子就稱為該粒子的宇稱。我們也可以簡單地理解為，宇稱就是粒子照鏡子時，鏡子里的影像。以前人們根據(jù)物理界公認的對稱性認為，宇稱一定是守恒的。這就像有正電子，就一定有負電子一樣。這個道理其實很簡單。對稱性反映不同物質(zhì)形態(tài)在運動中的共性，而對稱性的破壞才使得它們顯示出各自的特性。如同建筑和圖案一樣，只有對稱而沒有它的破壞，看上去雖然很規(guī)則，但同時顯得單調(diào)和呆板。楊振寧和李政道的親密合作是他們?nèi)〉镁薮蟪删偷幕A(chǔ)。楊振寧對此回憶說：我1948年6月獲得芝加哥大學哲學博士學位后，在密執(zhí)安大學度過了那一年的夏天。秋后，我返回芝加哥大學，被聘為物理系的講師。我一邊教課，一邊繼續(xù)做核物理和場論方面的研究。1948年尾，李政道和我合作研究衰變及俘獲，發(fā)現(xiàn)這些相互作用與衰變具有非常相似的強度。李政道1946年秋到芝加哥大學當研究生。我倆早些時候在中國或許見過面，然而，只是到了芝加哥才真正彼此相識。我發(fā)現(xiàn)他才華出眾，刻苦用功。我們相處得頗投機，很快就成了好朋友。我長他幾歲，又先他幾年當研究生，便盡力幫助他。后來，費米做了他的學位論文導師，但他總是轉(zhuǎn)而向我尋求指導。因此，在芝加哥的歲月里，事實上我倒成了他的物理老師。1953年，李政道到了哥倫比亞大學。為了繼續(xù)合作，我們訂立了相互訪問的制度。我每周抽一天時間去哥倫比亞，他則每周抽一天到普林斯頓或布魯克海文來。這種例行互訪保持了6年。而這段時間我們的興趣有時在基本粒子理論方面，有時則在統(tǒng)計力學方面。這是一種非常富有成果的合作，比我同其他人的合作更深入廣泛。這些年里，我們彼此相互了解得如此之深，以致看來甚至能知道對方在想些什么。但是在氣質(zhì)、感受和趣味等諸方面，我們又很不相同，這些差異對我們的合作有所裨益。我們的交往始于1946年，這種交往是親密的，它基于相互尊重、相互信任和相互關(guān)心。接著，迎來了1957年，以及我們的成功（雙雙獲得諾貝爾獎）。在我同李政道做朋友的16年間，我對他就像一位兄長。這種合作對物理