曲向东：大师点燃梦想，科学照亮人生。欢迎各位收看由中央电视台《大家》栏目和中国科学技术馆联合主办的“智行天下·大师讲科普”系列活动。那么我们也看到，杨振宁教授已经来到我们的面前，我还是想隆重地给大家推出一下，国际著名的物理学家，1957年诺贝尔物理学奖的获得者，清华大学的教授杨振宁先生，我们再次热烈的掌声欢迎他！其实今天（2007年12月10日）是一个非常特殊的日子，五十年前的今天，杨振宁教授呢，非常荣耀地获得了诺贝尔物理学奖；而今天的此时此刻呢，2007年年度的这个诺贝尔物理学奖也正在颁发。所以我想呢这是一个非常特殊的日子，那么接下来的时间呢，我们就交给杨振宁教授，请他给我们带来精彩的演讲，请！

    杨振宁：五十年以前，在1957年正月，吴健雄宣布她的实验证实了在β衰变中宇称不守恒。差不多一个月以后，2月2日，在美国的物理学会，在纽约的纽约客旅馆举行周年大会。事后对于那天大会的情形有这样一个报道：那天最大的演讲厅挤满了人，有人几乎从厅中央悬灯的铁缆上爬下来。

    解说：在这次会议上作报告的焦点人物，除了吴健雄和两位低温物理学家之外，还有时年35岁的华裔物理学家杨振宁，他在会上宣读的那篇他与李政道合作的论文，给国际物理学界带来了一场威力不亚于原子弹爆炸的冲击。为什么这篇论文的影响如此巨大？这要从他们所从事的粒子物理研究说起。

    杨振宁：第二次世界大战之前，物理实验都是小规模的，一个最好的例子是1897年J.J.汤姆森的仪器。J.J.汤姆森是一个英国人，他用一个很小的仪器，就是这么大，大概放到桌子上有这么大，通过这样子的一个实验，他发现了世界上第一个基本粒子。今天我们知道，每一个人的身上，任何一颗小东西里头都有亿万个电子，电子是最常见的基本粒子。那么人类第一次知道有这么一种基本粒子，就是汤姆森用这个仪器所发现的。这个仪器当然有历史价值，所以今天存在大英博物馆里头。第二次世界大战之后，核物理成为非常热门的研究领域，制造了越来越大的加速器。这个是第二次世界大战以后第一个最大的加速器，叫做宇宙线级加速器。你如果看它的左下角，还有一个人站在那儿，你就可以知道有多么大。这个当时是世界最大的，可以达到三个GeV的能量。这个是今天世界最大的加速器实验室，在瑞士日内瓦，是一个国际的实验室，有几千个工作人员在里面。这个图里边的左下角是瑞士的国际飞机场的跑道，这两个圈的交界的地方，那一组房子就是这个实验室所在的地方。这两个圈不是真正有的，只是画在那儿，因为在这两个圈的底下差不多一百米深的地方有两个隧道，那么这些基本粒子在这些隧道里头被加速，然后碰撞，然后物理学家研究这些碰撞出来的碎片，这个是今天的实验的情形。这个机器所能达到的能量是刚才我给大家看的宇宙线级加速器能量的好几千倍。

    解说：构成世界的最小微粒究竟是什么？在很长一段时间里，人们一直以为答案应该是原子。到了二十世纪初年，科学家们在原子中发现了质子、中子和电子，当时很多人以为，这些粒子已经不可拆分了。然而基本粒子的发现却颠覆了这一观念。随着科学仪器的不断更新，兴奋的物理学家们就像剥洋葱一样，一层一层地将更小的微粒剥离出来。

    杨振宁：有了这些当时的加速器，像宇宙线级加速器这样，再加上宇宙射线，很多从前不为人知的基本粒子都被发现了。这些粒子是料想不到的，所以被称为奇异粒子，strange particles。这个图是一个非常重要的，第一个发现的一个新的基本粒子，一个也叫奇异粒子，叫做π。它从上边下来，然后在这个拐弯的地方衰变成两个粒子，在这个图底下写着π变成了一个μ跟一个问号，问号是没有电荷的，后来我们叫它叫做neutrinal，中文叫做中微子，走到左边去的。那么这个技术是胶片，这个胶片跟大家用照相机的这个胶卷是一回事情，不过这是特别灵敏的胶片，这是上世纪四十年代在英国一个依尔福德公司所发展出来的新的技术，这个新的技术对于物理学当时的研究起了重大的作用。像这一类的研究，是在接着的十五年里头，1950年到1965年之间，鉴定奇异粒子及研究它们的性质，成为基本物理学的主流研究。要研究这些基本粒子是不是带电的，是正电还是负电，还是中性的，它们的质量是什么，它们是怎样衰变，等等，这些都是当时需要研究的题目。

    解说：上世纪50年代，人们先后发现了两个神秘的粒子，θ和τ，它们的基本特征十分相似，衰变方式却大相径庭，这让科学家们大惑不解。θ和τ究竟是什么关系？是近亲？是孪生兄弟？还是根本就是同一个粒子呢？

    杨振宁：1954年到1957年间最激烈的辩论就是这个θ-τ之谜。θ是变成两个π，τ变成三个π，你在这个胶片里头看起来，或者用气泡室看起来，是完全不一样的。可是呢，一方面越来越多准确的实验指出来θ跟τ有相同的质量，而且这个质量呢，测量越来越准，最后准到1%或者2%。两个质子，通常它的这个质量是差得很多的，有时候差几百倍，差几十倍，差好多倍，说是这么样接近的是很少有的；而且呢它们的寿命也差不多是一样的，寿命的测量不够准，可是也在20%的正负号之间，是θ跟τ的寿命是一样的。所以呢，它们似乎其实是一个粒子。可是这一个粒子可以有两种不同的衰变方式，一种变成两个π，一种变成三个π，这个不稀奇，一个东西，一个基本粒子可以变成各种不同的衰变的形式，这个是司空见惯的，θ跟τ似乎是正在向那个方向走。可是呢，另外一方面呢确实出了另外一个问题，是每一个粒子都有一个特点、特性，叫做宇称，而有一个基本定律，这个基本定律叫做宇称守恒。什么叫宇称守恒呢？就是说在衰变之中，原来的宇称跟后来的宇称是必须是一样的，这就叫宇称守恒。

    解说：宇称是一个专门的物理概念，用来表达左右对称或者不对称的性质。π的宇称是-1，如果宇称守恒的话，θ衰变成两个π，它的宇称应该是-1的平方，+1；而τ衰变成三个π，它的宇称就等于-1的三次方，-1。这样的话，θ跟τ的宇称就是不一样的了。

    杨振宁：可是这里头有一个麻烦的地方，就是因为在τ这个情形之下还另外有一种宇称，叫做轨道宇称，假如不再有轨道宇称了，那这个τ就一定是根据宇称守恒，它的宇称是-1。所以第一步先要解决有没有轨道宇称在这个τ里头，这个呢是当时热衷的题目。这个呢就引出来了一个方法，叫做达利兹的图。达利兹是一个英国的理论物理学家，是一个非常重要的理论物理学家，他发明了一个图，你每看见一个τ，就在这个图里头可以找出来、画出来一点，那么从这个图里头这个迹象可以看见有没有轨道宇称。在1956年4月3日到6日，在纽约的罗切斯特市举行的国际高能物理会议，那个会议是上世纪五十年代物理学界最重要的会议，在这个会议上面，达利兹总结了他前两年的工作，指出来几百个τ衰变的研究在这个达利兹图里头形成了一个均匀的分布，均匀的分布就代表是说没有轨道宇称，没有轨道宇称，所以τ根据宇称守恒，它的宇称就应该是-1的三次方，所以是-1，所以跟θ的宇称是不一样的，所以θ跟τ不能够是一个粒子。

    解说：要想证明θ和τ是同一个粒子，除非推翻宇称守恒这条定律。然而在当时的世界物理学界，“宇称不守恒”是绝对不可思议的事情。

    杨振宁：当然在这个情形之下就会有人问了，说是不是宇称可以不守恒呢？任何一个人问这个问题，就立刻被大家攻击，所以攻击得体无完肤，所以大家就不敢讲这句话。为什么不敢讲这句话呢？因为人们相信宇称守恒有三个主要的原因：甲，宇称守恒的意思就是说物理世界是左右对称的，物理世界左右对称这个事情通过牛顿的定律跟麦克斯韦尔的定律是完全符合的，当然说是左右是对称的也似乎是一个先验的经验；乙，左右对称有很大的直觉的跟审美的感召力，大家都愿意多有一点对称，不要有不对称的现象；丙，1920年到1930年以后，量子力学指出：宇称非常准确地在原子物理中守恒。二十世纪一个非常重大的物理学的革命性的发展，就是在头三十年之间的量子力学的发展，这个量子力学的发展，不只是对于物理学，对于整个今天我们的人生有极大的影响。你们手里头拿的这个手提电话，所以有手提电话，因为里头有一个芯片；所以有芯片，因为有半导体；所以有半导体，就是因为有量子力学的革命。那么这个量子力学的革命所以在二十世纪影响非常之大，而量子力学里头说宇称是非常准确地守恒，而且宇称在理论跟实验研究上都已经成为一个很有力量的一个工具。这个工具在原子跟分子物理里头非常有用处，接着在核子衰变的物理里头非常有用处，以后在核子反应的实验里头也非常有用处，所以有这么多的用处，所以大家就觉得宇称绝对是守恒的。特别是在众多的β衰变实验之中，在上世纪三十年代、四十年代、五十年代，β衰变是一个热门的题目，在那里头，宇称守恒是非常有用处的一个观念。

    解说：宇称守恒定律的牢固地位使关于θ-τ之谜的争论陷入僵局，很多试图解谜的科学家都纷纷败下阵来。然而在1956年的夏天，两位年轻的华裔物理学家杨振宁和李政道却聚到了一起，开始联手向它发起挑战。

    杨振宁：那年的夏天，我们想出来了三个重要的进度。第一个，我们当时知道，所有人都知道物理世界有四种力量，叫做强力、电磁力、弱力、引力。强力者，就是把原子核合在一起的力量，这是非常之强，所以反应堆有很大的能可以释放出来，原子弹可以有很大的能爆炸出来，这叫强力。电磁力就是电跟磁的力，电磁力就是化学的基本，所以我们平常所、日常所看见的很多的事情，其实都是电磁力的各种不同的表现。弱力呢，是二十世纪才发现的，其中大家最熟悉的就是放射性，你现在到医院里去，常常他给你吃一些放射性的东西，因为那个可以帮助他们检查出来你身体里头有什么问题。这个力量呢，比起强力跟电磁力都要弱得很多，所以叫弱力。还有第四种呢是万有引力。这四种力，在上世纪四十年代、五十年代，分成这四类，已经变得很清楚了。

    解说：杨振宁和李政道大胆地猜测，或许宇称守恒对绝大多数的力量而言是正确的，但在弱力作用下未必如此。于是他们对弱力，尤其是β衰变进行了非常深入的研究，这使他们有了一个十分惊人的发现。

    杨振宁：我们做了这个研究以后呢，就发现那个以前所有的β衰变实验，原来都跟宇称守恒没有关系。这个是一个使得我们非常惊讶的（发现），因为我刚才讲过了，那个以前有上千个β衰变的实验，那些实验用宇称守恒这个观念来分析，结果得出来是非常有条理。可是我们仔细去研究了一下子以后，原来发现那个是一个错觉，并没有真正的任何一个实验证明宇称是在β衰变里头是守恒的，换一句话说，我们发现宇称守恒一直到那天从来没有在β衰变中被测试过。所以第三个，我们接着就提出来几个实验，来测试β衰变跟其它的弱相互作用中宇称是否守恒。这些我们所提出来的实验都比以前的实验要稍微复杂一点，因为你要照以前那样，它不够辨别左右是不是对称，虽然大家以为已经辨别了。需要加一点花样，那么通过这些加的花样才可以辨别在β衰变里头左右是不是对称的。所以我们就写了一篇文章，这是那个文章的预印本，我现在还有一份，当时我们给它的题目：“宇称在弱相互作用里头是不是守恒”，问题，最后有一个问号。结果在几个月以后，在10月1日这个文章登出来的时候，这个题目改了，叫做“在弱相互作用之下宇称守恒的问题”。为什么变成这样呢？因为当时的编辑叫做戈特斯密特，是一个有名的物理学家，他说一个题目里头不可以有问号，所以就把它改成这样。我自己一直是觉得原来有问号那个题目比这个题目其实更传神一点。（文/央视国际）