弱作用的歷史


1988年05月221期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1988、05 ＃期號：0221 ＃專欄：＃標題：弱作用的歷史＃作者：李政道講　江才健譯．弱作用的早年時期．新境界（1949～1953年）．θ－τ疑難．突破（1956年）．展望．哈恩．麥特納．費米．圖：1986年三月在哥倫比亞大學舉行的李政道六十誕辰及「奇偶性不守恆」三十年慶祝會，不啻是諾貝爾物理獎得主的「群星會」：由左至右分別是詹德拉西卡（S. Chandrasekhar, 1983年）、克隆寧（J. Cronin, 1980年）、拉比（I.Rabi, 1944年）、李政道（1957年）及丁肇中（1976年）。．圖一：粒子物理重大發現的里程碑。括弧內的英文字表示實驗室的名稱。BNL：美國紐約州長島的Brookhaven National Laboratory；CERN：瑞士日內瓦的Conseil Européen pour la Recher che Nucléaire； DESY：德國漢堡的Deuts ches Elektronen Synchrotron； LBL：美國加州的Lawrence-Berkeley Laboratory； SLAC：美國加州的Stanford Linear Accelerator ．圖二：密契參數（Michel parameter）的值ρ，隨著測量年份而有不同。		弱作用的歷史【摘要】編者案：李政道先生於民國七十七年三月二十四日在台大活動中心講「弱作用的歷史」。這一講演先是在1986年為慶祝史坦柏格（J. Steinberger）六十五歲生日的講演會上發表，後來刊登於1987年元月號的CERN Courier上，由江才健先生譯出。本刊根據三月二十四日講演再作增補，李政道先生並撥冗越洋親自修改並賜予簽名，特此誌謝。我把弱作用的歷史大體分為三個時期，早年、中年和晚年。早年可以清楚地確定為開始於1898年拉塞福發現β射線；中年與晚年則只能大約劃分，中年約開始於普適費米作用的發現以及1949年關於居間玻色子（W）的假設；晚年則約開始於1983年W及Z粒子的發現，確定弱作用與電磁作用的統一（是為電弱作用）。弱作用的早年時期 1898年拉塞福（E.Rutherford）發現，所謂的巴克瑞爾射線（Becquerel ray），事實上是由兩種不同型態的輻射所組成：容易被吸收的一種他稱之為α射線，另外一種具有更強穿透性的則稱之為β射線。隨後在1900年，居禮先生和居禮夫人量出了β粒子的電荷，並且發現它是帶負電的（電子）。這些在上世紀和本世紀交替之際的發現，開啟了弱核交互作用的歷史。從一開始起，這條發現之路就是曲折的，而競爭是劇烈的。 1902年拉塞福三十一歲時寫給他母親的一封信上，就表明了當時的研究精神：「我必須繼續向前，因為在我的跑道上總是有志同道合者。我必須儘快將目前研究發表出來，以便在競爭中保有一席地位。在這一研究跑道上，最好的選手是巴克瑞爾和居禮夫婦…。」今天我們也都有著與拉塞福相同的處境。很快的出現更多的賽跑者：哈恩（O. Hahn）、麥特納（L. Meitner）、威爾森（W. Wilson）、馮貝葉（Von Baeyer）、查兌克（J. Chadwick）、波爾（N. Bohr）、鮑立（W. Pauli）、費米（E. Fermi）、艾里斯（C. Ellis）、烏楞拜克（G. Uhlenbeck）和許多其他的人。物理學實在是一門年輕的學問。我們知道達到我們今日的境界，經過了約四分之三世紀的時間，靠了一群傑出的物理學家。然而也許任何一個現代物理學家和這些科學先驅們只有三手之隔，對有些人來說只有兩手之隔──在座的都能與吳大猷先生握手，吳先生握過波爾的手，波爾則握過所有這些先驅的手。 1960年代中期，麥特納到紐約來，我和她在靠近哥倫比亞大學的一家餐館中吃午飯。達諾（K.K.Darrow）加入我們，麥特納說：「看到年輕人真好。」要領會她的這句話，你必須了解達諾是美國物理學會最早會員之一，在那次午餐時，他已年過七十。但是麥特納已近九十。我十分驚訝地聽到她告訴我，她的第一個博士後研究工作是跟波茲曼（L.B.Boltzmann）作理論，而波茲曼是馬克士威同時代的人。這告訴我們，即使是古典物理時期也是很新近的。波茲曼在1906年不幸去世之後，麥特納必須另找工作。她說她很感激蒲朗克邀請她到柏林去。但是當她到達之後，發覺由於她是女性，因此只能在蒲朗克研究院的地下室工作，而且只能經由僕人的入口出入。那時，哈恩在一個老舊的木匠工廠中有一個實驗室。麥特納決定加入並且改為一位實驗工作者。在其後的三十年，他們兩人的合作改變了近代物理發展的道路（是通過他們的工作，最後發現了核的裂變；而裂變的理論，麥特納是創始人）。 1906年他們發現β粒子通過物質時的吸收遵守一個指數律，由此推論認定β射線帶有固定能量。1909年威爾森則得出一個相反的結論，認為β射線有不同的能量。因為他發現固定能量射線的吸收是遵從乘冪律，並非指數律。但是不久（1910年）哈恩和馮貝葉發現β能量果然不固定，卻是分立的（這所以有好像指數律的吸收），使得問題又形混淆。這件事到1914年查兌克確立β射線的連續能譜後，才得到澄清（原來，哈恩與馮貝葉所發現的分立能譜，係來自伴隨β射線的γ射線所打出來的次級電子）。隨著量子理論的出現，麥特納在1922年提出關於連續能譜的來源的問題。她推論，原子核能量若是量子化，應該不會放射出不同能量的電子，所觀測到的多種能量性質，或係來自電子被原子核逐出之後，與原子核間的電磁交互作用。1922～1927年間，由艾里斯和其他許多人進行了一系列的實驗，很快地證明這並不能成立，而β能譜的確是連續的。這就導致波爾1931年提議，在β衰變中能量可能是不守恒的。同年，鮑立則不以為然，而提出微中子假說，該β衰變時亦同時放出一個沒有質量的中性粒子來，因為看不到，所以以為能量不守恒，其實能量是守恒的。這一有關新粒子的假說在當時是非常革命性的，鮑立甚至一直不發表，只在美國物理學會的講演中提及，當時聽講者也無甚反應。直至1933年，費米綜合起來提出他著名的衰變理論。（起先，費米的論文曾遭英國「自然」雜誌的退稿，說是「跟現實關係不夠密切」。）於是進一步引發對能譜形狀的研究，而結果卻與費米的理論性預測不相符合。這又導引出其他不同的想法，這些混淆爭議一直到二次戰後的1949年，才由吳健雄和艾伯特（R.O.Albert）經由仔細測量，完全釐清，而證明費米理論是對的。新境界（1949～1953年） 1935年，湯川秀樹發表了很重要的介子理論（meson theory），來說明強作用，一年以後緲子（muon﹐當時稱為mesotron）發現。其後若干年，由於第二次世界大戰，物理研究工作停頓了下來。到了1945年，三位年輕的義大利物理學工作者康維西（M. Conversi）、潘奇尼（E. Pancini）和皮奇歐尼（O. Piccioni）用那時候大家以為就是湯川介子的緲子，打到物質裡，特別是碳，有些停了下來衰變，有些被碳核吸收。1946年，費米和泰勒（E. Teller）仔細分析了他們的實驗，認為這種緲子並不是湯川所預測的介子。這時的發展與我自己參加物理就發生了一點關係：1946年，政府接受吳大猷、曾昭掄、華羅庚三位先生的建議，設立六個留美研究生的名額，其中兩名屬物理，兩名屬化學，兩名屬數學。我很榮幸被吳大猷先生選為物理研究生，而改變了我一生的經歷。那年的秋天，我到芝加哥大學去留學，當時費米與泰勒都在。我適時參加了費米關於康維西三人實驗的討論會，費米的演講永遠是非常清楚而明瞭，聽他講了以後，我深受感動，而且相信從宇宙線來的緲子不會是湯川介子。緊跟著在1947年，另三位物理學家發現，緲子雖不是湯川介子，卻是從另外一種稱為派子（pion）的粒子衰變而來的，而那種粒子則是湯川介子；緲子不參與強作用，而派子則參與。這一來把整個概念都改變了。緲子會衰變為電子，這電子的能量是固定的呢？還是連續的？這問題爭論許久，到1948年，我在芝加哥大學的同學史坦伯格（J. Steinberger），在博士論文中證明緲子的能量也是連續性的──緲子衰變時，還放出兩個微中子，於是我（當時是費米的博士論文學生）與羅森布魯斯（M. Rosenbluth）、楊振寧兩人（他們倆是泰勒的博士論文學生）開始了一項系統性的研究。在β衰變之外，是不是還有其他的交互作用可以用費米的理論來描述？我們發現緲子衰變和緲子被核捕獲的反應，與β衰變是相類似的，其中有一常數是一樣的，這便開始了所謂的「普適費米交互作用」（universal Fermi interaction）。我們隨後提出理論，認為基本的弱作用可能和電磁力相類似，是經由一種居間重玻色子作為媒介，有一普適的耦合常數。這種粒子我後來稱之為W^±，取自英文「弱」字（weak）之字首。很自然地我們到費米那裡去，告訴他我們的發現。他非常興奮，以他慣有的洞悉力，他馬上體認到超越我們結論的進一步意義。他把問題更向前推，認為如果這是一種普適的交互作用，那麼必須要解釋為什麼有一些的費米子對有這種交互作用，而另一些費米子對則沒有。例如，為什麼質子不衰變成一個正電子和一個光子，或者一個正電子和兩個微中子。幾天之後，他告訴我們他已經找到了答案：他賦予每個粒子＋1、－1或0的量子數（現在叫做重子數和輕子數），而要求反應的兩邊重子數和輕子數相同。據我了解，這是將重子數守恆律和輕子數守恆律，放在一起來共同建立起選擇規則的頭一遭。但是在當時（1948年），我自己對那個構想的反應是十分不能體會其重要性。我想，並不需要去解釋為什麼質子不會衰變成一個正電子和一個光子，因為每個人都知道粒子的本性是不會因為放射或吸收一個光子而改變的；而就弱作用而言，我們僅需要指出只有少數幾種粒子組合可以和居間玻色子有交互作用，又何需如此費周章地去引入一大堆奇怪的數字﹖（我當時自然沒有料到五、六年後，會在實驗中發現多種新粒子和它們間的弱作用。）大多數物理學的發現是由於時機已經成熟。如果這一個人沒有發現它，那麼大約在同一個時候必然會有另外一個人來發現它。回顧過去，我們建立普適費米交互作用這件事，正是合乎這種定則的一項發現。這是很明顯的，因為大約在同一個時期，至少有另外的三個組也分別獨立地觀察到普適費米耦合。但是費米所想到的則是更深入。然而他這一提議從未發表，這對物理學來說是很不幸的，而這些守恆定律的所有重要意義一直到多年之後才為人所認識。這也許是我未能認識展現在我面前的一項偉大的物理構想的第一次，而很不幸的，對我這也不是最後的一次。在1950年代初期，有許多努力想決定β衰變的時－空變換性質，期望洞悉其中的機制。1953年對氦－6衰變的實驗，似乎排除了居間玻色子的理論構想，我感到十分沮喪。 θ－τ 疑難現在我們開始弱作用的中年，就是普適費米作用的演進，中間過程的解釋從簡。 1950年代發現了許多所謂的「奇異粒子」，有許多很奇怪的性質。其中有種稱為θ與τ。θ會衰變成兩個π介子，而τ則衰變為三個π介子。實驗顯示，π介子的奇偶性（parity，或譯宇稱）是負的，自旋數為0；θ因為變成兩個π介子，所以奇偶性是正的；π因為變成三個π介子，所以奇偶性是負的（所謂奇偶性，乃指狀態在鏡像反射下變號或不變號的性質）。以前認為奇偶性的守恒乃是天經地義的事，而既然θ與τ各衰變為不同奇偶性的狀態，它們應屬不同的粒子。然而實驗卻發現，它們的質量與生命期卻相似。θ－τ之疑難便在於：何以兩個質量與生命期相同的粒子，奇偶性會不相同。我的頭一個努力完全走錯了方向：在1955年夏天，奧瑞爾（J. Orear）和我在傳統理論範圍內提出了一個解釋這個疑難的架構。我們提出一種階式的機制，結果證明是錯的。奇偶性（左／右對稱）在這些粒子衰變中也許是不守恒的概念，在我的思緒中閃現。既然帶奇異數的粒子當然是奇異的，它們又為什麼一定要遵守奇偶性守恒律呢？問題在於當你說奇偶性在這些衰變中是不守恒的話，之後，你應該要怎麼辦？因為如果奇偶性不守恒只存在於θ－τ粒子中，那麼所有的事實就已都擺在眼前，也就是說，相同的粒子會以不同的奇偶性衰變成兩個或三個π介子。我和楊振寧討論這種可能性，但是我們沒能得到任何進展。因此我們另外去寫了兩篇關於奇偶性二重態的論文。那是另外一個錯誤的嘗試。（這兒的啟示是：有人也許說某人大膽提出奇偶性不守恒的觀念，這其實不僅是大膽不大膽的問題，而在於提出新的可能發現的現象，使假設成為具有決定性的實驗，這才是物理。）突破（1956年） 1956年四月初我有了另一個幸運的機緣，這次是由於史坦柏格又成了我在哥倫比亞大學的同事。當時我和他討論在超子（hyperon）蛻變中衰變角的定義（超子是與核子同一家族，比較重且帶奇異數的粒子）。我了解到如果數據能採取正確的分析方式，就可能顯現出奇偶性不守恒的現象。換言之，奇偶性不守恒是可能用實驗來證明的。很快地，史坦柏格和他的同事們就採取了這新的分析方式，得到了他們的結果，而且甚至在楊振寧和我發表我們奇偶性不守恒的理論論文以前，就已經發表了他們的數據。其中有跡象顯示，在超子衰變中可能違反左右對稱，但是由於數據不夠，並不能得到定論。但如果不是史坦柏格和他的小組的要求水準很高，這也許可以說是奇偶性不守恒的頭一個徵象。但是在理論這方面，另外還有一般β衰變中的奇偶性守恒問題。在這方面，五月初又幸運地有楊振寧加入研究，這使我們發現，儘管在核物理和β衰變中廣泛的用到奇偶這一觀念，但是在弱作用中，卻迄當時止完全沒有奇偶性守恒的證據。於是，在隨後的幾個月中，有1956年底由吳健雄、安伯勒（E. Ambler）、黑沃（R. Hayward）荷皮斯（D. Hoppes）和哈德遜（R. Hadson）對β衰變所進行的決定性實驗，有加文（R. Garwin）、李德曼（L. Lederman）和萬瑞區（M. Weinrich）的實驗，還有費德曼（J. Friedman）和泰勒第（V. Teligdi）在其他衰變上的實驗。他們的實驗除證實奇偶性不守恒外，也證實了電荷共軛性（charge conjugation）不守恒。〔雖然我們在1956年底，也曾想到微作用中時間倒逆性（time reversal）可能不守恒，但到1964年才有實驗證實。〕吳健雄的實驗像是開啟了一扇大門，由那時起我們進入一個嶄新的時期：θ和τ改名為K介子，β衰變的轉換特性終於確定，而弱作用和電磁作用終在1967年統合成為電弱作用。展望目前，理論物理學家和實驗物理學家的觀點似乎是分歧的。實驗物理學家充滿了問題，並在尋求解答──錢的問題、管理的問題、實驗進度的問題等等。在另一方面，理論物理學家似乎認為他們已經得到最後的解答，而沒有任何疑問。超弦理論很可以是解釋萬事萬物的理論，但是對於希格斯（Higgs）粒子的質量和夸克－輕子質量的計算又如何呢？因此，我想要回顧一下我們的經驗，不是找物理定律，而是找物理學家的定律。我們都知道進行高能物理實驗需要加速器。每當提議建造一個新的加速器時，理論物理學家就像祭師般地為其辯護，並且對這項所費不貲的探究祈福。因此我們值得來檢視一下理論物理學家過去的努力紀錄，看看他們在獲得實驗結果之前的預測有多好。回顧過去三十多年來粒子物理的重大發現，有趣的是在這些創造里程碑的發現中，除了找到反核子和居間玻色子W和Z°之外，沒有一項是促建相關加速器的原始理由。勞倫斯建造他184吋（約467公分）迴旋加速器時，其能量被認為是低於π介子出現的能量。因此，這個迴旋加速器運轉之後，甚至已經產生了大量的π介子，卻有很長一段時間沒有人注意到。粒子物理的進展和共振態的發現有緊密的關聯，它們的發現是在芝加哥迴旋加速器開始的。而甚至是偉大的費米，在他提議建造此一加速器時，也全然沒有設想到此事，在發現頭一個出人意料的核子共振之後，幾乎有一年之久，費米都不對此事是否是真實表示懷疑。次一個里程碑的發現也有一個類似的故事。在布魯克海汶國家實驗室建造加速器（Cosmotron）的時候，一些最傑出的理論物理學家認為，高能物理中最重要的問題，是去了解質子碰撞的角分布，在能量是幾億電子伏特時，儘管其碰撞的動力學是十分複雜，但是還是十分奇異地有著平坦的角分布，這其中包含有許多的因素，他們為什麼會剛好造成這樣一個平坦的角分布呢？但是當能量再增加之後，質子和質子碰撞的角分布不再是平坦，而變得十分不有趣了。反倒是由於奇異粒子的產生和對衰變機制力學的了解，才使Cosmotron這個加速器在高能物理發展上占了一席之地。我們可以繼續探索，而相同的模式也將一再地重現。這導致我的頭一個物理學家定律：「若沒有實驗物理學家，理論物理學家心虛觀望。」沒有理由讓我們相信這會改變，我們也不應該過分期待現在的理論物理學家能預測未來。在單位時間內偉大發現出現的密度是十分一致與平均的，大約每兩年一次。讓我們期望這個長久以來一直成立，有關大發現穩定出現的紀錄可以保持下去。為了達成這個目標，我們必須有好的物理實驗。現在我們來看我第二個物理學家定律：「若沒有理論物理學家，實驗物理學家舉步蹣跚。」密契參數的歷史就是一個好例子，這個參數決定了緲子衰變所產生電子能譜的形式。將這一參數的實驗值和測量的年份分別作縱橫坐標來畫出坐標圖，是很有意思的。起初它是零，然後慢慢向上移，直到1957年有了理論預測之後，它才逐漸變成0.75。妙的是，從來「新」的實驗值沒有落在前一個實驗值的誤差容許值之外過！李政道任教於美國哥倫比亞大學物理系；江才健任職於中國時報
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1988年05月221期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1988、05 ＃期號：0221 ＃專欄：＃標題：弱作用的歷史＃作者：李政道講　江才健譯．弱作用的早年時期．新境界（1949～1953年）．θ－τ疑難．突破（1956年）．展望．哈恩．麥特納．費米．圖：1986年三月在哥倫比亞大學舉行的李政道六十誕辰及「奇偶性不守恆」三十年慶祝會，不啻是諾貝爾物理獎得主的「群星會」：由左至右分別是詹德拉西卡（S. Chandrasekhar, 1983年）、克隆寧（J. Cronin, 1980年）、拉比（I.Rabi, 1944年）、李政道（1957年）及丁肇中（1976年）。．圖一：粒子物理重大發現的里程碑。括弧內的英文字表示實驗室的名稱。BNL：美國紐約州長島的Brookhaven National Laboratory；CERN：瑞士日內瓦的Conseil Européen pour la Recher che Nucléaire； DESY：德國漢堡的Deuts ches Elektronen Synchrotron； LBL：美國加州的Lawrence-Berkeley Laboratory； SLAC：美國加州的Stanford Linear Accelerator ．圖二：密契參數（Michel parameter）的值ρ，隨著測量年份而有不同。		弱作用的歷史【摘要】編者案：李政道先生於民國七十七年三月二十四日在台大活動中心講「弱作用的歷史」。這一講演先是在1986年為慶祝史坦柏格（J. Steinberger）六十五歲生日的講演會上發表，後來刊登於1987年元月號的CERN Courier上，由江才健先生譯出。本刊根據三月二十四日講演再作增補，李政道先生並撥冗越洋親自修改並賜予簽名，特此誌謝。我把弱作用的歷史大體分為三個時期，早年、中年和晚年。早年可以清楚地確定為開始於1898年拉塞福發現β射線；中年與晚年則只能大約劃分，中年約開始於普適費米作用的發現以及1949年關於居間玻色子（W）的假設；晚年則約開始於1983年W及Z粒子的發現，確定弱作用與電磁作用的統一（是為電弱作用）。弱作用的早年時期 1898年拉塞福（E.Rutherford）發現，所謂的巴克瑞爾射線（Becquerel ray），事實上是由兩種不同型態的輻射所組成：容易被吸收的一種他稱之為α射線，另外一種具有更強穿透性的則稱之為β射線。隨後在1900年，居禮先生和居禮夫人量出了β粒子的電荷，並且發現它是帶負電的（電子）。這些在上世紀和本世紀交替之際的發現，開啟了弱核交互作用的歷史。從一開始起，這條發現之路就是曲折的，而競爭是劇烈的。 1902年拉塞福三十一歲時寫給他母親的一封信上，就表明了當時的研究精神：「我必須繼續向前，因為在我的跑道上總是有志同道合者。我必須儘快將目前研究發表出來，以便在競爭中保有一席地位。在這一研究跑道上，最好的選手是巴克瑞爾和居禮夫婦…。」今天我們也都有著與拉塞福相同的處境。很快的出現更多的賽跑者：哈恩（O. Hahn）、麥特納（L. Meitner）、威爾森（W. Wilson）、馮貝葉（Von Baeyer）、查兌克（J. Chadwick）、波爾（N. Bohr）、鮑立（W. Pauli）、費米（E. Fermi）、艾里斯（C. Ellis）、烏楞拜克（G. Uhlenbeck）和許多其他的人。物理學實在是一門年輕的學問。我們知道達到我們今日的境界，經過了約四分之三世紀的時間，靠了一群傑出的物理學家。然而也許任何一個現代物理學家和這些科學先驅們只有三手之隔，對有些人來說只有兩手之隔──在座的都能與吳大猷先生握手，吳先生握過波爾的手，波爾則握過所有這些先驅的手。 1960年代中期，麥特納到紐約來，我和她在靠近哥倫比亞大學的一家餐館中吃午飯。達諾（K.K.Darrow）加入我們，麥特納說：「看到年輕人真好。」要領會她的這句話，你必須了解達諾是美國物理學會最早會員之一，在那次午餐時，他已年過七十。但是麥特納已近九十。我十分驚訝地聽到她告訴我，她的第一個博士後研究工作是跟波茲曼（L.B.Boltzmann）作理論，而波茲曼是馬克士威同時代的人。這告訴我們，即使是古典物理時期也是很新近的。波茲曼在1906年不幸去世之後，麥特納必須另找工作。她說她很感激蒲朗克邀請她到柏林去。但是當她到達之後，發覺由於她是女性，因此只能在蒲朗克研究院的地下室工作，而且只能經由僕人的入口出入。那時，哈恩在一個老舊的木匠工廠中有一個實驗室。麥特納決定加入並且改為一位實驗工作者。在其後的三十年，他們兩人的合作改變了近代物理發展的道路（是通過他們的工作，最後發現了核的裂變；而裂變的理論，麥特納是創始人）。 1906年他們發現β粒子通過物質時的吸收遵守一個指數律，由此推論認定β射線帶有固定能量。1909年威爾森則得出一個相反的結論，認為β射線有不同的能量。因為他發現固定能量射線的吸收是遵從乘冪律，並非指數律。但是不久（1910年）哈恩和馮貝葉發現β能量果然不固定，卻是分立的（這所以有好像指數律的吸收），使得問題又形混淆。這件事到1914年查兌克確立β射線的連續能譜後，才得到澄清（原來，哈恩與馮貝葉所發現的分立能譜，係來自伴隨β射線的γ射線所打出來的次級電子）。隨著量子理論的出現，麥特納在1922年提出關於連續能譜的來源的問題。她推論，原子核能量若是量子化，應該不會放射出不同能量的電子，所觀測到的多種能量性質，或係來自電子被原子核逐出之後，與原子核間的電磁交互作用。1922～1927年間，由艾里斯和其他許多人進行了一系列的實驗，很快地證明這並不能成立，而β能譜的確是連續的。這就導致波爾1931年提議，在β衰變中能量可能是不守恒的。同年，鮑立則不以為然，而提出微中子假說，該β衰變時亦同時放出一個沒有質量的中性粒子來，因為看不到，所以以為能量不守恒，其實能量是守恒的。這一有關新粒子的假說在當時是非常革命性的，鮑立甚至一直不發表，只在美國物理學會的講演中提及，當時聽講者也無甚反應。直至1933年，費米綜合起來提出他著名的衰變理論。（起先，費米的論文曾遭英國「自然」雜誌的退稿，說是「跟現實關係不夠密切」。）於是進一步引發對能譜形狀的研究，而結果卻與費米的理論性預測不相符合。這又導引出其他不同的想法，這些混淆爭議一直到二次戰後的1949年，才由吳健雄和艾伯特（R.O.Albert）經由仔細測量，完全釐清，而證明費米理論是對的。新境界（1949～1953年） 1935年，湯川秀樹發表了很重要的介子理論（meson theory），來說明強作用，一年以後緲子（muon﹐當時稱為mesotron）發現。其後若干年，由於第二次世界大戰，物理研究工作停頓了下來。到了1945年，三位年輕的義大利物理學工作者康維西（M. Conversi）、潘奇尼（E. Pancini）和皮奇歐尼（O. Piccioni）用那時候大家以為就是湯川介子的緲子，打到物質裡，特別是碳，有些停了下來衰變，有些被碳核吸收。1946年，費米和泰勒（E. Teller）仔細分析了他們的實驗，認為這種緲子並不是湯川所預測的介子。這時的發展與我自己參加物理就發生了一點關係：1946年，政府接受吳大猷、曾昭掄、華羅庚三位先生的建議，設立六個留美研究生的名額，其中兩名屬物理，兩名屬化學，兩名屬數學。我很榮幸被吳大猷先生選為物理研究生，而改變了我一生的經歷。那年的秋天，我到芝加哥大學去留學，當時費米與泰勒都在。我適時參加了費米關於康維西三人實驗的討論會，費米的演講永遠是非常清楚而明瞭，聽他講了以後，我深受感動，而且相信從宇宙線來的緲子不會是湯川介子。緊跟著在1947年，另三位物理學家發現，緲子雖不是湯川介子，卻是從另外一種稱為派子（pion）的粒子衰變而來的，而那種粒子則是湯川介子；緲子不參與強作用，而派子則參與。這一來把整個概念都改變了。緲子會衰變為電子，這電子的能量是固定的呢？還是連續的？這問題爭論許久，到1948年，我在芝加哥大學的同學史坦伯格（J. Steinberger），在博士論文中證明緲子的能量也是連續性的──緲子衰變時，還放出兩個微中子，於是我（當時是費米的博士論文學生）與羅森布魯斯（M. Rosenbluth）、楊振寧兩人（他們倆是泰勒的博士論文學生）開始了一項系統性的研究。在β衰變之外，是不是還有其他的交互作用可以用費米的理論來描述？我們發現緲子衰變和緲子被核捕獲的反應，與β衰變是相類似的，其中有一常數是一樣的，這便開始了所謂的「普適費米交互作用」（universal Fermi interaction）。我們隨後提出理論，認為基本的弱作用可能和電磁力相類似，是經由一種居間重玻色子作為媒介，有一普適的耦合常數。這種粒子我後來稱之為W^±，取自英文「弱」字（weak）之字首。很自然地我們到費米那裡去，告訴他我們的發現。他非常興奮，以他慣有的洞悉力，他馬上體認到超越我們結論的進一步意義。他把問題更向前推，認為如果這是一種普適的交互作用，那麼必須要解釋為什麼有一些的費米子對有這種交互作用，而另一些費米子對則沒有。例如，為什麼質子不衰變成一個正電子和一個光子，或者一個正電子和兩個微中子。幾天之後，他告訴我們他已經找到了答案：他賦予每個粒子＋1、－1或0的量子數（現在叫做重子數和輕子數），而要求反應的兩邊重子數和輕子數相同。據我了解，這是將重子數守恆律和輕子數守恆律，放在一起來共同建立起選擇規則的頭一遭。但是在當時（1948年），我自己對那個構想的反應是十分不能體會其重要性。我想，並不需要去解釋為什麼質子不會衰變成一個正電子和一個光子，因為每個人都知道粒子的本性是不會因為放射或吸收一個光子而改變的；而就弱作用而言，我們僅需要指出只有少數幾種粒子組合可以和居間玻色子有交互作用，又何需如此費周章地去引入一大堆奇怪的數字﹖（我當時自然沒有料到五、六年後，會在實驗中發現多種新粒子和它們間的弱作用。）大多數物理學的發現是由於時機已經成熟。如果這一個人沒有發現它，那麼大約在同一個時候必然會有另外一個人來發現它。回顧過去，我們建立普適費米交互作用這件事，正是合乎這種定則的一項發現。這是很明顯的，因為大約在同一個時期，至少有另外的三個組也分別獨立地觀察到普適費米耦合。但是費米所想到的則是更深入。然而他這一提議從未發表，這對物理學來說是很不幸的，而這些守恆定律的所有重要意義一直到多年之後才為人所認識。這也許是我未能認識展現在我面前的一項偉大的物理構想的第一次，而很不幸的，對我這也不是最後的一次。在1950年代初期，有許多努力想決定β衰變的時－空變換性質，期望洞悉其中的機制。1953年對氦－6衰變的實驗，似乎排除了居間玻色子的理論構想，我感到十分沮喪。 θ－τ 疑難現在我們開始弱作用的中年，就是普適費米作用的演進，中間過程的解釋從簡。 1950年代發現了許多所謂的「奇異粒子」，有許多很奇怪的性質。其中有種稱為θ與τ。θ會衰變成兩個π介子，而τ則衰變為三個π介子。實驗顯示，π介子的奇偶性（parity，或譯宇稱）是負的，自旋數為0；θ因為變成兩個π介子，所以奇偶性是正的；π因為變成三個π介子，所以奇偶性是負的（所謂奇偶性，乃指狀態在鏡像反射下變號或不變號的性質）。以前認為奇偶性的守恒乃是天經地義的事，而既然θ與τ各衰變為不同奇偶性的狀態，它們應屬不同的粒子。然而實驗卻發現，它們的質量與生命期卻相似。θ－τ之疑難便在於：何以兩個質量與生命期相同的粒子，奇偶性會不相同。我的頭一個努力完全走錯了方向：在1955年夏天，奧瑞爾（J. Orear）和我在傳統理論範圍內提出了一個解釋這個疑難的架構。我們提出一種階式的機制，結果證明是錯的。奇偶性（左／右對稱）在這些粒子衰變中也許是不守恒的概念，在我的思緒中閃現。既然帶奇異數的粒子當然是奇異的，它們又為什麼一定要遵守奇偶性守恒律呢？問題在於當你說奇偶性在這些衰變中是不守恒的話，之後，你應該要怎麼辦？因為如果奇偶性不守恒只存在於θ－τ粒子中，那麼所有的事實就已都擺在眼前，也就是說，相同的粒子會以不同的奇偶性衰變成兩個或三個π介子。我和楊振寧討論這種可能性，但是我們沒能得到任何進展。因此我們另外去寫了兩篇關於奇偶性二重態的論文。那是另外一個錯誤的嘗試。（這兒的啟示是：有人也許說某人大膽提出奇偶性不守恒的觀念，這其實不僅是大膽不大膽的問題，而在於提出新的可能發現的現象，使假設成為具有決定性的實驗，這才是物理。）突破（1956年） 1956年四月初我有了另一個幸運的機緣，這次是由於史坦柏格又成了我在哥倫比亞大學的同事。當時我和他討論在超子（hyperon）蛻變中衰變角的定義（超子是與核子同一家族，比較重且帶奇異數的粒子）。我了解到如果數據能採取正確的分析方式，就可能顯現出奇偶性不守恒的現象。換言之，奇偶性不守恒是可能用實驗來證明的。很快地，史坦柏格和他的同事們就採取了這新的分析方式，得到了他們的結果，而且甚至在楊振寧和我發表我們奇偶性不守恒的理論論文以前，就已經發表了他們的數據。其中有跡象顯示，在超子衰變中可能違反左右對稱，但是由於數據不夠，並不能得到定論。但如果不是史坦柏格和他的小組的要求水準很高，這也許可以說是奇偶性不守恒的頭一個徵象。但是在理論這方面，另外還有一般β衰變中的奇偶性守恒問題。在這方面，五月初又幸運地有楊振寧加入研究，這使我們發現，儘管在核物理和β衰變中廣泛的用到奇偶這一觀念，但是在弱作用中，卻迄當時止完全沒有奇偶性守恒的證據。於是，在隨後的幾個月中，有1956年底由吳健雄、安伯勒（E. Ambler）、黑沃（R. Hayward）荷皮斯（D. Hoppes）和哈德遜（R. Hadson）對β衰變所進行的決定性實驗，有加文（R. Garwin）、李德曼（L. Lederman）和萬瑞區（M. Weinrich）的實驗，還有費德曼（J. Friedman）和泰勒第（V. Teligdi）在其他衰變上的實驗。他們的實驗除證實奇偶性不守恒外，也證實了電荷共軛性（charge conjugation）不守恒。〔雖然我們在1956年底，也曾想到微作用中時間倒逆性（time reversal）可能不守恒，但到1964年才有實驗證實。〕吳健雄的實驗像是開啟了一扇大門，由那時起我們進入一個嶄新的時期：θ和τ改名為K介子，β衰變的轉換特性終於確定，而弱作用和電磁作用終在1967年統合成為電弱作用。展望目前，理論物理學家和實驗物理學家的觀點似乎是分歧的。實驗物理學家充滿了問題，並在尋求解答──錢的問題、管理的問題、實驗進度的問題等等。在另一方面，理論物理學家似乎認為他們已經得到最後的解答，而沒有任何疑問。超弦理論很可以是解釋萬事萬物的理論，但是對於希格斯（Higgs）粒子的質量和夸克－輕子質量的計算又如何呢？因此，我想要回顧一下我們的經驗，不是找物理定律，而是找物理學家的定律。我們都知道進行高能物理實驗需要加速器。每當提議建造一個新的加速器時，理論物理學家就像祭師般地為其辯護，並且對這項所費不貲的探究祈福。因此我們值得來檢視一下理論物理學家過去的努力紀錄，看看他們在獲得實驗結果之前的預測有多好。回顧過去三十多年來粒子物理的重大發現，有趣的是在這些創造里程碑的發現中，除了找到反核子和居間玻色子W和Z°之外，沒有一項是促建相關加速器的原始理由。勞倫斯建造他184吋（約467公分）迴旋加速器時，其能量被認為是低於π介子出現的能量。因此，這個迴旋加速器運轉之後，甚至已經產生了大量的π介子，卻有很長一段時間沒有人注意到。粒子物理的進展和共振態的發現有緊密的關聯，它們的發現是在芝加哥迴旋加速器開始的。而甚至是偉大的費米，在他提議建造此一加速器時，也全然沒有設想到此事，在發現頭一個出人意料的核子共振之後，幾乎有一年之久，費米都不對此事是否是真實表示懷疑。次一個里程碑的發現也有一個類似的故事。在布魯克海汶國家實驗室建造加速器（Cosmotron）的時候，一些最傑出的理論物理學家認為，高能物理中最重要的問題，是去了解質子碰撞的角分布，在能量是幾億電子伏特時，儘管其碰撞的動力學是十分複雜，但是還是十分奇異地有著平坦的角分布，這其中包含有許多的因素，他們為什麼會剛好造成這樣一個平坦的角分布呢？但是當能量再增加之後，質子和質子碰撞的角分布不再是平坦，而變得十分不有趣了。反倒是由於奇異粒子的產生和對衰變機制力學的了解，才使Cosmotron這個加速器在高能物理發展上占了一席之地。我們可以繼續探索，而相同的模式也將一再地重現。這導致我的頭一個物理學家定律：「若沒有實驗物理學家，理論物理學家心虛觀望。」沒有理由讓我們相信這會改變，我們也不應該過分期待現在的理論物理學家能預測未來。在單位時間內偉大發現出現的密度是十分一致與平均的，大約每兩年一次。讓我們期望這個長久以來一直成立，有關大發現穩定出現的紀錄可以保持下去。為了達成這個目標，我們必須有好的物理實驗。現在我們來看我第二個物理學家定律：「若沒有理論物理學家，實驗物理學家舉步蹣跚。」密契參數的歷史就是一個好例子，這個參數決定了緲子衰變所產生電子能譜的形式。將這一參數的實驗值和測量的年份分別作縱橫坐標來畫出坐標圖，是很有意思的。起初它是零，然後慢慢向上移，直到1957年有了理論預測之後，它才逐漸變成0.75。妙的是，從來「新」的實驗值沒有落在前一個實驗值的誤差容許值之外過！李政道任教於美國哥倫比亞大學物理系；江才健任職於中國時報
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