图:美国能源部,年份不详(公有领域;与克罗宁、丁肇中、杨振宁、拉比的合影裁切)
瓦尔·菲奇
Val Fitch1923–2015 · 生于美国内布拉斯加州彻里县 · 美国
内布拉斯加牧场长大的孩子,二十岁穿着军装在洛斯阿拉莫斯学会了电子学;后来用 μ 子原子量出原子核比想象的小,又和克罗宁一起在中性 K 介子里看到了 CP 破坏
诺贝尔物理学奖 1980 发现中性 K 介子衰变中基本对称性原理的破坏(与克罗宁共享)
「每当观测推进到一条新的边界,我们总会发现新现象,逼着我们大幅修改原先的观念。我相信这个过程没有尽头,意外发现带来的乐趣与挑战会一直延续下去。」
—— 菲奇 1980 年诺贝尔自传,意译
1945 年 7 月 16 日凌晨,新墨西哥州的沙漠里,一个二十二岁的陆军技术兵守在「三位一体」试验场。爆炸之后,他遇到一名没人事先告诉过会发生什么的警卫,「脸色煞白,满脸惊骇」。他只说了心里想的那句话:「战争快结束了。」
这个年轻人叫瓦尔·菲奇。据同事为他写的讣告,那次试验的引爆信号,就是从他设计制作的装置里发出的。二十年后,他将和詹姆斯·克罗宁一起,在一束中性 K 介子里看到物理学家以为绝不会发生的事。
牧场与风车
菲奇 1923 年生在内布拉斯加州彻里县的一座养牛牧场,离南达科他州边界不远;1890 年的伤膝河屠杀就发生在西北方约四十英里处,他的父母搬上牧场时,那件事才过去二十年。他父亲二十岁就置下了四平方英里多的牧场;因为关心邻近保留地的苏族人、能说一点他们的语言,被授予荣誉酋长的称号。
他出生后不久,父亲骑马摔伤,全家搬到二十五英里外的戈登镇,父亲改做保险。菲奇回忆牧场,记得的不是围捕和烙印牛群的浪漫场面,而是给风车上油、修篱笆。他在家里的地下室搭了个「实验室」,还单独接了保险丝盒,免得把全家的电弄断。
穿军装的技术员
1943 年 3 月,在查德伦州立学院读书的菲奇应征入伍,经陆军专业训练计划被选进曼哈顿计划,派到洛斯阿拉莫斯,在英国代表团的蒂特顿手下工作。实验室当时很小,一个穿军装的技术员也能见到费米、玻尔、查德威克、拉比这些人工作的样子。
他在那里待了三年,把实验物理的手艺学扎实了。他注意到,最有成就的实验家往往也最懂电子学,于是电子学成了他最先掌握的技术。他更看重的是另一课:面对一个新现象,不要只想着手头现成的仪器,要让思路自由游走,发明新的测法。
μ 子原子:原子核只是只「小虾」
战后,洛斯阿拉莫斯物理部主任巴彻邀他去康奈尔当研究生助教,但他本科还没读完,便去麦吉尔大学拿了电气工程学位,1948 年进入哥伦比亚大学,跟雷恩沃特做论文。
有一天,雷恩沃特递给他一份惠勒的预印本,讲的是 μ 子原子:μ 子被原子核俘获后,因为比电子重约两百倍,轨道紧贴着原子核,重核里 1s 能级对核的大小极其敏感。那时还没人看到过这种原子发出的射线。恰好哥伦比亚的尼维斯回旋加速器刚投入运行,碘化钠闪烁晶体和配套的新型光电倍增管也刚出现;缺的多道脉冲幅度分析器,菲奇凭洛斯阿拉莫斯的经验自己设计、带着一位技师造了出来。
他们差点完全错过信号。惠勒用当时公认的核半径算出铅的 2p→1s 跃迁约 4.5 MeV,谱仪就对准那一段,一连几天什么也没有。雷恩沃特建议放宽范围,峰才出现——在 6 MeV。原子核比从其他效应推出的小得多。1953 年的结果上了《纽约时报》头版,与希拉里登顶珠峰并列;《纽约每日新闻》的标题是:「裂变的坏日子:原子核不过是只小虾。」
τ 与 θ
1954 年菲奇转到普林斯顿,此后二十年几乎都在研究 K 介子。他后来说,K 介子是正奇异数粒子里唯一的一对,他当时隐约觉得,要是这一切终有一天能弄明白,关键也许就在它们身上。
第一个难题是 θ–τ 之谜:两种粒子质量相同,一个衰变成两个 π、一个衰变成三个 π,宇称相反。菲奇和研究生莫特利在布鲁克海文的 Cosmotron 上用纯计数器方法测了两者的寿命,与伯克利阿尔瓦雷斯组同时发表:寿命也一样。这把局面推到了李政道与杨振宁面前——两者就是同一种粒子,宇称在弱相互作用里不守恒。为了从束流里干净地挑出 K 介子,他发明了一种按速度筛选的切连科夫计数器,后来被人称作「菲奇计数器」。
「我们自己起初也不信」
宇称倒下之后,朗道等人指出,把宇称变换与粒子-反粒子互换合起来做,也就是 CP,弱相互作用仍然对称。这样一来,盖尔曼与派斯 1955 年预言的中性 K 介子图景可以原样保留:CP 奇的长寿命 永远不会衰变成两个 π。
1963 年,克罗宁的火花室能挑着触发、精确定位径迹。那年春天,菲奇提议把这台谱仪搬到布鲁克海文的交变梯度同步加速器上,与克里斯滕森、蒂尔莱一起系统研究三件事:K 介子的再生、他们所谓的 CP 不变性,以及中性流。追再生是因为阿代尔小组刚在气泡室里报了一个反常;至于查 CP,菲奇说:「研究 CP 不变性这件事,没几个同行会看好,但我们还是做了。」
实验里的两 π 事例要满足两个条件:两个 π 的总动量要对准入射束的方向,算出的母粒子质量要等于 K 介子质量。精细测量后,前向峰里约有 56 个事例,本底 11 个。菲奇在诺贝尔演讲里承认:「我们深知这个结果的分量,说实话,我们起初自己也不相信。」四个人花了将近半年想别的解释,一个也没成立。
把破坏钉死
论文发表后,还有人怀疑:那两个「π」真是普通的 π 吗?会不会伴随着一个能量极低、没被看到的第三个粒子?菲奇用一个漂亮的实验回答了这个问题。
在长寿命 K 介子的束流里放一块再生体,会重新造出一些短寿命 K 介子,它们也衰变成两个 π。如果长寿命 K 介子的两 π 衰变是真的 CP 破坏,两个振幅就会相干叠加。1965 年,菲奇与罗斯、拉斯、弗农把 0.5 毫米的铍片隔 1 厘米排开,做成密度只有正常二十分之一的「稀疏」再生体,让再生振幅恰好与 CP 破坏振幅一样大。结果两 π 计数涨到约四倍——完全的相长干涉。克罗宁后来说,这个实验排除了其他解释:它甚至能让人分辨一个世界是物质做的还是反物质做的。
意外的乐趣
1976 年菲奇出任普林斯顿物理系主任。1980 年,他与克罗宁共获诺贝尔物理学奖。在诺贝尔演讲里他强调,这是一个纯粹的实验发现,事先无论理论还是实验都没有任何征兆;十六年过去,仍然没有令人满意的解释。他引用刘易斯·托马斯的话作结:衡量一项工作的质量,要看它引起的惊讶有多强烈。
他在自传里写道,从一座养牛牧场出发、最后站到斯德哥尔摩领奖,先验地看是极不可能的事。2015 年 2 月,菲奇在普林斯顿去世,享年 91 岁。同事在讣告开头引了他的一句话:「我母亲总说,做了值得称赞的事,让别人去称赞,别自己夸自己。」
代表方程
盖尔曼–派斯的两种组合
与反粒子 奇异数相反,却能衰变到同样的末态。量子力学要求真正按指数衰变的是两者的叠加:CP 偶的 很快变成两个 π,CP 奇的 不许走这条路,只能慢慢衰变成三个 π,寿命长约五百倍。离靶一米以外,束流里就只剩 。
不该有的两 π
1964 年四人实验的结果。在充氦的衰变区里,两个 π 的总动量对准束流方向、不变质量等于 K 介子质量的事例,扣除本底后还剩约 45 个。若 CP 守恒,这个比值应当严格为零。
再生与 CP 破坏的干涉
在长寿命束流里放一块再生体,会重新造出振幅为 的短寿命成分;它与 CP 破坏振幅 衰变到同一个两 π 末态,两者相干叠加,出现交叉项。1965 年菲奇调好再生体密度让 ,两 π 计数涨到约四倍,是完全的相长干涉——证明那些 π 就是普通的 π,破坏确实是 CP 破坏。
原子核半径
核半径随质量数 的立方根增长。μ 子比电子重约两百倍,被俘获后贴着原子核运动,1s 能级对核的大小极其敏感。菲奇在铅里预期 4.5 MeV 的 2p→1s 射线,结果在 6 MeV 找到——原子核比当时惯用的 算出来的小不少。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.克里斯滕森、克罗宁、菲奇、蒂尔莱《 介子 衰变的证据》,《物理评论快报》第 13 卷第 138–140 页(1964)
- 2.菲奇《电荷共轭-宇称不对称的发现》(诺贝尔演讲),《现代物理评论》第 53 卷第 367–371 页(1981)
- 3.菲奇自传,载《诺贝尔奖 1980》(Les Prix Nobel),诺贝尔基金会(1981)
- 4.克罗宁、史密斯、皮鲁埃《瓦尔·洛格斯登·菲奇》(讣告),《今日物理》第 68 卷第 9 期第 63–64 页(2015)
- 5.菲奇、雷恩沃特《μ 子原子的 X 射线研究》,《物理评论》第 92 卷第 789–800 页(1953)
- 6.菲奇、莫特利《 介子的平均寿命》,《物理评论》第 101 卷第 496–498 页(1956)
- 7.莱普纳、奇诺夫斯基、克里滕登、阿代尔等《 介子反常再生出 介子》,《物理评论》第 132 卷第 2285–2290 页(1963)
- 8.菲奇、罗斯、拉斯、弗农《相干再生振幅与 CP 不守恒振幅之间相长干涉的证据》,《物理评论快报》第 15 卷第 73–76 页(1965)