CP對稱性的破壞──克隆寧與費契為何得到1980年諾貝爾物理獎


1980年12月132期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1980、12 ＃期號：0132 ＃專欄：＃標題：CP對稱性的破壞──克隆寧與費契為何得到1980年諾貝爾物理獎＃作者：顏晃徹．奇妙的K介子．CP對稱性的破壞．物理定律與CP魔鏡．與外銀河系的「人」如何談左右？．圖：費契．圖：克隆寧		CP對稱性的破壞──克隆寧與費契為何得到1980年諾貝爾物理獎今年的諾貝爾物理獎頒給了兩個美國人克隆寧（J. Cronin）與費契（V. Fitch），因為16年前他們所領導的實驗小組發現了一個很奇特而重要的現象，即CP對稱性的破壞。下面我們先介紹一下他們所做的工作，然後討論這個發現所代表的意義。克隆寧在1931年生於芝加哥，1955年在芝加哥大學取得博士學位，從1958年起任教於普林斯頓大學，直到1971年轉任芝加哥大學教授迄今。費契則是1923年生於內布拉斯加，1954年取得哥倫比亞大學博士學位，然後在普林斯頓大學任教直到現在。1964年，他們兩人帶隨一名研究生克里森森（J. Christenson）以及一位從法國Saclay來普林斯頓客座一年的物理學家特萊（R. Turley），到紐約的布魯克黑汶國家實驗室做實驗，他們原來的目標是要研究中性K介子的某些性質，但很意外地由此發現了自然界中竟然有違反CP對稱性的交互作用存在。奇妙的K介子中性K介子有兩種，叫做K°與K°，它們互為反粒子（就好比電子與正子互為反粒子），質量大約是質子質量的一半，是一種不穩定的粒子。人類最早發現K介子是在1947年，從宇宙線與地球大氣層相撞所產生的粒子當中找到的。其後十幾年的研究，逐漸顯示出K°與K°是大自然中行為特別怪異的粒子。當我們以粒子互撞來產生中性K介子時，它們是以K°或K°的姿態出現的；但是當它們衰變時，卻是以另一種姿態來進行。原來K°本身含有兩種成分叫做K_L與K_S──此處L與S分別代表（英文的）長與短，K_L是比較長命的成分（生命期約為5×10^-8秒）；K_S是比較短命的成分（生命期約為10^-10秒）。在物理上，我們稱K°粒子是K_L與K_S兩種狀態的疊合（superposition）。疊合的概念常見於波的現象裡，例如兩個波的干涉便是由於波的疊合造成的。當K°粒子衰變時，它的兩種成分各自獨立地衰變。同樣地，K°也是由K_L與K_S兩種狀態疊合而成的，衰變時也是兩種成分各自獨立地衰變。因此一個純K°粒子束在產生的時刻固然完全是K°的身分，但隨著時間的前進，它所含的K_S成分消減得比較快，而K_L成分消減得比較慢，這樣兩者所疊合而成的狀態就不再是純粹的K°粒子，而也有K°粒子出現。過了很久，該粒子束當中就只剩下K_L一種成分，這時K°粒子與K°粒子變得一樣多。像這樣原來是純K°的粒子束中竟然會自動跑出反粒子K°，在粒子的世界裡是獨一無二的奇景。 CP對稱性的破壞根據當時（1964年以前）物理學家的了解，一切物理定律應該都具有CP對稱性。所謂C與P是指兩種轉換，C是把正粒子與反粒子互相交換的轉換，如電子與正子互換、質子與反質子互換等等；P則是把空間倒置的轉換，也就是把x、y、z三個坐標軸倒置。有時我們也用鏡像反射來代替P的轉換，例如只將x軸倒置便是一種鏡像反射。CP轉換就是把上述C與P的轉換同時作用上去的轉換。當時相信一切物理定律在CP轉換之下都是不變的，也就是具有CP的對稱性。因此，一個不穩定粒子的衰變方式，也不能例外地要具有CP對稱性。對於中性K介子而言，由計算可知為了維持CP對稱性，K_L應該可以衰變成三個 π介子（3 π），但不能衰變成兩個 π介子（2 π）。反之，K_S可以衰變成2 π，但不能衰變成3 π。這恰好也可以解釋為什麼K_S比K_L短命，因為衰變成2π比衰變成3π容易進行得多，因此衰變也發生得較快。克隆寧、費契等人的實驗發現：當K_L衰變成幾個π介子時，固然絕大部分（99.8％）是變成3π，但也有0.2％的機會是變成2π，這就表示CP對稱性有了破壞。這個0.2％的效應很微小不易測量，而且事先根本沒有人預料到，這就是他們的實驗高明之處。不久，世界各地的實驗室也紛紛跟進，而觀測到K_L衰變成2π的現象。理論方面，剛開始時由於大部分的人不願輕易地就承認CP對稱性有破壞，因此很多人提出各種理論，試圖解釋「為什麼在CP對稱不受破壞的條件下還會看到K_L→2π的發生」。所有這些理論在幾年內都一個一個被擊破了，到今天我們所得到的結論是：K_L的衰變方式天生地就破壞了CP的對稱性。但其他粒子的一切交互作用卻似乎仍然遵守CP的對稱性。 CP破壞的發現過了十幾年之後，才開始有一些比較像樣的基本理論可能可以說明它的來源，其中一些理論認為那是由於夸克具有六種以上的風味。早在1972年，兩位日本物理學家就指出，如果夸克有六種風味，便可以解釋CP破壞的發生。但是當時所知的一切粒子，只需要三種風味的夸克便已足夠構成了，因此他們的理論在當時並未引起特別的重視。現在我們已經有了確實的證據，知道夸克的風味至少有五種，第六種也正在找尋之中。物理學界有些人認為，就是因為近幾年來「六風味夸克」的理論又開始紅起來，才促使諾貝爾獎委員會作今年這個選擇。此外，近年來在規範場論裡所發現的瞬間子（instanton）解，似乎也與CP破壞的來源有基本的關聯。物理定律與CP魔鏡 CP對稱性的破壞到底代表了什麼意義？我們不妨先以P對稱性的破壞為例子來檢討一下。1957年，李政道與楊振寧因為提出在弱交互作用當中P對稱性不再成立而獲得諾貝爾獎。在此之前，物理學家都相信一切物理定律均必須遵守P對稱性，也叫左右對稱性。事實上所有描述日常現象的物理定律，例如牛頓運動定律和馬克士威爾的電磁方程式等，莫不具有左右對稱性。更淺近地來講，當你拿起一個平面鏡來看，則你看到鏡中的所有現象，必然也可以用我們現有的物理定律去描述。舉例而言，我們知道人的心臟是靠左邊的，可是鏡中人像的心臟卻是在右邊，這時我們並不能宣稱「物理定律的左右對稱性被破壞了」，因為心臟生在左邊或右邊這一回事並不是物理定律。現在，假想人體內的一切都左右對調了，此時心臟自然也調到右邊，然後我們問一個問題：「這樣構造的人是否能夠像你我一樣好好地活著？」如果答案是「不能」，那就表示某些有關人體生命的物理定律失去了左右對稱性。據我所知，上面這個問題的答案應該是「能」才對，因為生命的現象與違反左右對稱性的弱交互作用關係極少。 1957年以後，物理學家了解到弱交互作用並不遵守左右對稱性。例如宇宙間存在著一種無質量的粒子叫做微子（ν），它永遠以光速在運動，而且具有自旋。這個自旋永遠是左手旋的，亦即當我們以左手大姆指代表它的運動方向時，左手其餘四指彎曲的方向便是它自旋的轉向。微子的反粒子叫做反微子（ν），它永遠是右手旋的。宇宙間存有這樣的微子和反微子，就表示左右對稱性有了破壞。因為當我們拿鏡子來看，鏡中的微子會變成右手旋，而反微子則變成左手旋，這些都與我們宇宙間所見的事實不符。因此牽涉到微子的交互作用就破壞了左右對稱性。自從發現了左右對稱的破壞以後，有些人對於自然界竟然有此「瑕疵」難免耿耿於懷。所幸不久就有人指出，如果我們不用普通的平面鏡，而改用一種「CP魔鏡」，那麼所有的物理定律對於鏡內鏡外又都可以適用了，這樣一來，自然界還是可以算是完美無缺的。這個CP的魔鏡，除了有普通平面鏡的作用之外，還能把鏡外的一切物質變成鏡內的反物質（氫原子變成反氫原子，人變成反人……）。例如，左手旋的微子以此魔鏡所照出來的映像，正好是右手旋的反微子，此兩者均可用我們現有的同一套物理定律去描述。在1964年以前，人們所知的任何物理定律都具有這個CP的對稱性，因此這些「完美主義者」也再度覺得滿意了。然而克隆寧與費契的實驗結果又再次打破了這些人的美夢，K_L衰變成2π的事實的確證明了CP對稱性的破壞。不久更進一步的實驗發現：K_L衰變成π^-e⁺ν的機會，比衰變成π⁺e^-ν的機會略大一些，這個事實更直接地顯示出CP對稱性的破壞，因為π⁺e^-ν就是π^-e⁺ ν對CP魔鏡的映像。特別的是，除了K_L的衰變之外，我們從沒有看到過其他證明CP破壞的實驗證據。在描述粒子物理的基本理論裏，有一個相當有名的定理叫做CPT定理，它告訴我們任何物理定律在「CPT」的轉換下必然不會改變。此處T的轉換就是時光倒流的轉換。如果這個定理正確的話，那麼K_L的衰變必然也就同時破壞了時光倒流的對稱性。因此在某些新聞報導裡也有這種說法：克隆寧與費契的實驗顯示有些物理定律破壞了時光倒流的對稱性。事實上，後來進一步的實驗發現，K_L的衰變果然破壞了K_L對稱性。與外銀河系的「人」如何談左右？為了闡明P或CP破壞的物理意義，物理學家常常用下面這個有趣的想像做例子。假想你正在跟宇宙遠方某個世界上的人通電話，你向他們解釋在地球上我們所定義的左和右是怎麼一回事。起先也許你會認為只要告訴他們「心臟所在的那邊就是所謂左邊」便可以了，其實不然，因為他們不一定有心臟，即使有心臟，也說不定是長在右邊的。後來你學到一點物理，聽說過中子衰變會變成質子、電子和反微子，而且也知道反微子是右手旋的。因此你認為告訴他們：「把中子拿來，觀察它的衰變產物。其中不帶電的那個粒子我們叫做反微子的，它的自旋方向根據我們所定義的左右是屬於右手旋性的。」這個辦法好像不錯，事實上卻行不通。為什麼？因為我們並不知道對方那個世界到底是由物質組成的（像我們這個世界一般），還是由反物質（anti-matter）組成的。如果他們的世界是反物質世界，那麼當你叫他們拿一個中子來時，他們所拿的卻是一個反中子。由於反中子衰變成反質子、正子和微子，而微子是左手旋的，這麼一來你所說的右手旋其實卻是他們的左手旋。所以你講的左右到了也們的世界裡就恰好相反了。反之，如果他們的世界是物質世界，那麼你所講的左右到了他們那裡還是正確無誤的。問題是：你有什麼辦法知道他們的世界是那一種世界，物質的還是反物質的？對於這個問題，我們終於在K_L的衰變方式裡找出了答案。我們已經知道K_L衰變成π^-e⁺ν比π⁺e^-ν稍多一點，因此你可以告訴他們：「請你們觀察長命的中性K介子怎麼衰變。請注意，當它衰變成v介子和輕子時，它有兩種衰變方式（即π^-e⁺ ν與π⁺e^-ν），其中跑出來較多的帶電輕子在我們地球上是叫做正子的。請你們把這個粒子拿來和你們氫原子外的那個粒子比較，告訴我它們是否相同……」。這樣子你便可以斷定他們的世界到底是由物質還是反物質所構成，因此你也就能夠告訴他們什麼是左，什麼是右了。顏晃徹現任教於清大物理系，本刊編輯委員。
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