杨振宁的13项重要科学贡献（4）

杨振宁的13项重要科学贡献 （4）

施郁

（复旦大学物理学系教授）

按: 本文最初发表为：施郁，《物理学之美：杨振宁的13项重要科学贡献》，物理, 43卷第1期，2014。 英文版是： Yu Shi, Beauty and Physics: 13 important contributions of Chen Ning Yang, Int. J. Mod. Phys. A 29, No. 17, 1475001 (2014), 内容与原中文版有所不同。后来作者根据英文版对中文版作了增补，2014年10月18日放在作者的科学网博客，并收入：《诺贝尔奖得主与名人在新加坡南洋理工大学讲演与访谈》，南洋理工大学高等研究所，155-168页，2016。部分地基于本文内容，作者曾于2014年6月23日在第8届全球华人物理学大会上作特邀报告，又于2015年5月27日在纪念杨-米尔斯规范场理论60周年大会上作特邀报告。

引用请说明来自本人文章。

【接第三部分】

2.7 弱相互作用中宇称不守恒

如果在杨振宁所有的论文和演讲中找出一个主导性的基调，那就是对称性。对称性是物理学之美的一个重要体现。2002年在联合国教科文组织举行的理论物理大会的最后一个大会报告中，杨振宁指出对称性是20世纪理论物理的主旋律之一[14]。

杨振宁对粒子物理的诸多贡献表现出他对对称性分析的擅长。他往往能准确利用对称性，用优雅的方法很快得到结果，并且突出本质和巧妙之处。1950年，杨振宁关于π0衰变的论文以及他和Tiomno关于β衰变中相位因子的论文奠定了他在此领域中的领先地位。1956年，θ-τ之谜是粒子物理学中最重要的难题，当时普遍讨论宇称是否可以不守恒。杨振宁和李政道从θ-τ之谜这个具体的物理问题走到一个更普遍的问题，提出“宇称在强相互作用与电磁相互作用中守恒，但在弱相互作用中也许不守恒”的可能，将弱相互作用主宰的衰变过程独立出来，然后经具体计算，发现以前并没有实验证明在弱相互作用中宇称是否守恒。他们还指出了好几类弱相互作用关键性实验，以测试弱相互作用中宇称是否守恒。吴健雄于1956年夏决定做他们指出的几类实验中的一项关于60Co 的β衰变的实验。次年1月，她领导的实验组通过该实验证明在弱相互作用中宇称确实不守恒，引起整个物理学界的大震荡。因为这项工作，杨振宁和李政道获得1957年的诺贝尔物理学奖。

回顾历史，从经典物理以及晶体结构，到量子力学与粒子物理，对称性分析是物理学中的有力工具。而量子力学的兴起使得对称性在物理学中占据重要地位。它将原子光谱中的量子数l和m解释为转动算符的本征值。到了1950年代，几乎所有的量子数与对称操作联系在一起。宇称与空间反演或镜面反射相联系。因此宇称守恒有着直觉上的吸引力，被当作自然的、神圣的，而且在实验上非常有用，特别是在核物理的实验分析方面。所以不难理解，在这样的气氛下，1956年杨振宁和李政道建议检验弱相互作用中宇称是否守恒的文章受到普遍的异议乃至嘲弄。同样也不难理解，1957年初吴健雄宣布她的实验结果后，杨振宁和李政道的这一文章当年即被嘉以诺贝尔奖。这个得奖速度创造了诺贝尔奖整个历史上的记录，至今未被打破，前无古人、后无来者。

2.8 时间反演、电荷共轭和宇称三种分立对称性

质疑弱相互作用中宇称是否守恒的论文预印本引起Oehme于1956年8月致信杨振宁提出弱相互作用中宇称（P）、电荷共轭（C）、时间反演（T）三个分立对称性之间的关系的问题。这导致杨振宁、李政道和Oehme发表论文57e，讨论P、C、T各自不守恒之间的关系。此文对1964年所有的关于CP不守恒的理论分析有决定性的影响。

2.9 高能中微子实验的理论探讨

1960年，实验物理学家Schwartz指出如何通过中微子束得到更多弱相互作用的实验信息。李政道和杨振宁在理论上探讨了高能中微子实验的重要性。这是关于中微子实验的第一个理论分析，引导出后来许多重要研究工作。

因为中微子束方法和μ中微子的发现而与Ledermann及Schwartz 共同获得1988年诺贝尔物理学奖的Steinberger在2005年出版的自传中指出：“这种实验的物理意义在李和杨的论文中被列表讨论，这个文章被证明是预知未来的…当中微子束和探测器越来越有力后,这些过程成为多年深入实验的课题。”[15]

2.10 CP不守恒的唯象框架

1964年，Christenson、Cronin、Fitch和Turlay的实验发现了CP不守恒。Cronin和Fitch因此获得1980年的诺贝尔物理学奖。他们的实验发现引发了很多理论文章。其中有众多乱猜其根源的理论文章。杨振宁和吴大峻没有理会那些脱离实际的理论猜测，而作了CP不守恒的唯象分析，集中于未来实验的仔细分析，建立了后来分析此类现象的唯象框架。这反映了杨振宁脚踏实地的作风，也明显显示出他受到的Fermi的影响[16]。

Cronin后来在1993年指出：“在1964年的所有这些理论文章中，只有两篇今天还被引用。其中之一是吴大峻和杨振宁的题为‘K0和反K0衰变的CP守恒的破坏的唯象分析’的文章。”[7] Cronin还指出这篇文章“在过去的29年中是实验的指导。”[7]

与上述杨振宁与李政道和Oehme发表的论文一道，杨振宁和吴大峻1964年的这篇文章定义了这个领域使用至今的理论框架和术语。Steinberger在2005年的自传中回忆，正是吴-杨文章启发他去测量中性K介子衰变的主要参数[15]。

【未完待续】