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《三体》中的强相互作用材料“水滴”
而质子和中子也不是固定不变的,它们之间可以互相转化,使它们转化的就是弱相互作用。在上面Co-60发射出电子的例子中,发生的就是中子变成质子和电子,这叫做β衰变(β decay),它就是由弱相互作用导致的。
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中子的β衰变
在杨李之前,人们已经发现了这四种相互作用。但默认的看法是,这四种力都是宇称守恒的。李杨却敏锐地指出,弱相互作用中的宇称守恒其实一直没有得到过实验验证,只是个基于习惯的信念而已,因为另外三种力的宇称守恒确实是有充分的实验证据的。
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李政道和杨振宁提出宇称不守恒的论文
他们不但提出了弱相互作用中宇称不守恒的可能性,而且建议了用来验证这个假设的实验。几个月以后,华人女物理学家吴健雄就和同事们做了实验,证实了他们的预测。前面说的给外星人定义左右的实验,就是吴健雄做的。遗憾的是,吴健雄没有获得诺贝尔奖,这是诺贝尔奖历史上一个著名的缺憾。
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吴健雄与袁家骝
打个比方,有四个人去过安检(你可以把他们想象成F4或者刘关张赵或者唐僧师徒四人等等),安检员本来就觉得他们不可能携带危险品。查了前三个人都没问题,然后安检员就觉得第四个人理所当然也没问题,让他混进去了。这时有人跳出来说,且慢,第四个人还没查呢!结果仔细一查,——发现他带了根雷管。
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——俺也一样! ——不对,有一个不一样!
事后看来,杨李对弱相互作用的怀疑是很合理的。因为当时有一个著名的疑难,叫做θ-τ之谜。实验发现了两种粒子,分别把它们叫做θ粒子和τ粒子。但很快就发现,它们的质量、寿命以及能测量出来的任何性质都是相同的,除了宇称以外。
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吴健雄和θ-τ之谜的漫画
所以很自然的问题就是:θ和τ是两种粒子,还是一种粒子?如果是两种粒子,那为什么它们的这么多性质都相同?但如果是一种粒子,为什么它们的宇称又不同?这个两难选择令无数人的头发狂掉,所以叫做θ-τ之谜。
李杨对此给出了明确的回答:θ和τ就是一种粒子,它们看起来宇称不同并不构成问题,因为用来确定它们宇称的实验都涉及到了弱相互作用,这时宇称本来就是不守恒的。这就是他们关注弱相互作用中宇称问题的初始动机。
其实,当时有类似想法的科学家远不止他们两人。但其他人提出类似的想法时,都被权威压制下去了。他们的卓越之处,在于勇敢地坚持自己的看法,做出了细致的分析,而且提出了可操作的验证实验。
例如苏联神奇的物理学家朗道(Lev Davidovich Landau,1908 - 1968),他有位学生沙皮罗写了这样一篇论文给他看,被他直接扔一边去了。后来,他追悔莫及。
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朗道
又如提出泡利不相容原理的泡利(Wolfgang Ernst Pauli,1900 - 1958),在杨李的文章发表后,表示他愿意下任何赌注来赌这样的实验不会成功。用他的话说,上帝不可能是个左撇子。实验结果出来以后,泡利不得不承认上帝确实是左撇子,然后自嘲说幸好没人跟他赌,否则他就破产了,这次他损失的只是声誉,幸好声誉他还有很多。
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泡利
我在以前多次引用过的非常有意思的费曼(Richard P. Feynman,1918 - 1988)先生,当时也已经是个权威人物了。李杨的文章发表后,有一位物理学家拉姆齐想做实验来验证。费曼对拉姆齐说,他愿意用一万比1的赌注来赌这个实验不会成功,后来改成了50比1。拉姆齐听了他的没做实验,结果亏大了,于是费曼真的给了拉姆齐50美元。喂,110吗?这里有人聚赌!