宇稱是指一種對(duì)稱性，要想理解宇稱不守恒為什么這么重要，就要先理解，為什么對(duì)稱性這么重要。

對(duì)稱性到底有多重要呢？如果沒(méi)有對(duì)稱性的指導(dǎo)，愛(ài)因斯坦不可能發(fā)現(xiàn)相對(duì)論，當(dāng)代的理論物理學(xué)家會(huì)像失去了燈塔一樣集體在黑暗里抓瞎。物理學(xué)大師費(fèi)曼曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，如果讓他選擇一句話來(lái)概括現(xiàn)代科學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)，他會(huì)選“世界是原子組成的”。許多當(dāng)代著名物理學(xué)家認(rèn)為，如果有機(jī)會(huì)再選一句，那么所選的將是“對(duì)稱性是宇宙規(guī)律的基礎(chǔ)”。

什么是對(duì)稱？

一提到對(duì)稱，許多人腦海里會(huì)浮現(xiàn)類似天安門這種嚴(yán)格左右對(duì)稱的建筑，或者是圓形、正方形這種幾何圖形。再仔細(xì)想一下這些對(duì)稱，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們有的是中軸對(duì)稱（天安門），有的是圍繞一個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱（圓形、正方形），還有的是相對(duì)鏡子里的鏡像對(duì)稱?？梢?jiàn)，對(duì)稱的標(biāo)準(zhǔn)可以是多樣的。

對(duì)稱性的精確數(shù)學(xué)定義涉及不變性的概念：如果一個(gè)幾何圖形在某些操作下保持不變，我們就說(shuō)這個(gè)圖形在這些操作之下具有某種不變性。

一個(gè)圓無(wú)論旋轉(zhuǎn)多少度，看起來(lái)還是那個(gè)圓，沒(méi)有任何變化，于是我們就說(shuō)圓具有旋轉(zhuǎn)不變性。同樣圓在鏡子里的圖形還是圓，我們把照鏡子的過(guò)程稱為反射，那么，圓也具有反射不變性。可以想象，任何幾何圖形在鏡子里都能保持不變，所以它們都具有反射不變性。

這是我們辨別對(duì)稱常用的思維，但物理學(xué)家更喜歡另一種思維。

以旋轉(zhuǎn)不變?yōu)槔覀兣袛嘁粋€(gè)圖形是否具有旋轉(zhuǎn)不變性，就會(huì)嘗試旋轉(zhuǎn)這個(gè)圖形，看它是否保持不變。這是觀察者不動(dòng)而圖形動(dòng)。但是，物理學(xué)家更喜歡使用另外一種方法——圖形不動(dòng)，觀察者動(dòng)。

什么意思呢？比如物理學(xué)家判斷一個(gè)圖形是否具有旋轉(zhuǎn)不變性，他不是去旋轉(zhuǎn)這個(gè)圖形，而是去旋轉(zhuǎn)觀察者，讓觀察者從不同角度看這個(gè)圖形是否保持不變。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)具有相對(duì)性，所以旋轉(zhuǎn)圖形和旋轉(zhuǎn)觀察者，二者本質(zhì)上并沒(méi)有區(qū)別。物理學(xué)家這種處理方法的優(yōu)勢(shì)在于，在處理復(fù)雜情況時(shí)會(huì)使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單很多，后面你就能體會(huì)到了。

以上都只是幾何圖形的對(duì)稱，但物理學(xué)家關(guān)心的是物理定律，也就是物理定律的對(duì)稱性。

物理定律的對(duì)稱

要理解物理定律的對(duì)稱性，我們就要把腦袋里的幾何圖形對(duì)稱忘掉，回到對(duì)稱更一般的數(shù)學(xué)定義上來(lái)。前面已經(jīng)提及，對(duì)稱性的定義會(huì)涉及不變性這個(gè)概念——如果一個(gè)幾何圖形在某些操作下保持不變，就說(shuō)這個(gè)圖形在這些操作下具有某種不變性。

把上面的幾何圖形換成物理定律，就可以很自然地得到判斷物理定律是否對(duì)稱的標(biāo)準(zhǔn)：如果一個(gè)物理定律在某些操作下保持不變，就說(shuō)這個(gè)物理定律在這些操作下具有某種不變性。

還是以旋轉(zhuǎn)操作為例，我們來(lái)看看牛頓運(yùn)動(dòng)定律在旋轉(zhuǎn)這個(gè)操作下是否具有旋轉(zhuǎn)不變性。答案是很明顯的。比如一個(gè)蘋果從樹(shù)上落下，我們不管是仰視、俯視還是平視，都會(huì)看到蘋果的下落過(guò)程符合牛頓的運(yùn)動(dòng)定律：蘋果朝地心的方向加速飛去。不同的觀察角度并沒(méi)有總結(jié)出不同運(yùn)動(dòng)定律，說(shuō)明牛頓定律在旋轉(zhuǎn)操作下具有對(duì)稱性，牛頓定律符合旋轉(zhuǎn)不變性。

再想想，其實(shí)不只是牛頓定律，我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的任何定律都符合旋轉(zhuǎn)不變性，也就是旋轉(zhuǎn)下具有對(duì)稱性。麥克斯韋的電磁學(xué)、愛(ài)因斯坦的相對(duì)論、量子力學(xué)等都是這樣。

再往深層想，旋轉(zhuǎn)不變性的本質(zhì)其實(shí)是空間的各向同性。也就是說(shuō)，只要空間在各個(gè)方向上都是均勻的、一致的，不存在這邊密度大一點(diǎn)兒那邊密度小一點(diǎn)兒，那么觀察者從不同方向看到的物理定律就肯定是一樣的，肯定具有旋轉(zhuǎn)不變性。

在這里我們看到，物理定律的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性居然和空間本身的性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)了，有沒(méi)有隱約感覺(jué)到對(duì)稱性的威力？別急，這還只是冰山一角，對(duì)稱性的威力還大著呢。

諾特定理

物理學(xué)家研究對(duì)稱性絕不是圖好玩，而是因?yàn)閷?duì)稱性里蘊(yùn)含了巨大的能量。要充分理解對(duì)稱性的威力，我們必須先了解一個(gè)核彈級(jí)別的定理——諾特定理。

諾特定理，是一位叫埃米·諾特的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的定理。這位科學(xué)家被愛(ài)因斯坦形容為“數(shù)學(xué)史上最重要的女人”，還被稱為“現(xiàn)代數(shù)學(xué)之母”。諾特在數(shù)學(xué)上的成就這里不多說(shuō)，她在物理學(xué)上最重要的成就就是發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代物理學(xué)的燈塔，讓現(xiàn)代物理學(xué)家不再抓瞎的諾特定理。

諾特定理的表述非常簡(jiǎn)單，就一句話，但是內(nèi)容非常深刻，它說(shuō)：物理學(xué)里的連續(xù)對(duì)稱性和守恒定律一一對(duì)應(yīng)。

這到底意味著什么？對(duì)稱性和守恒定律一一對(duì)應(yīng)，那就是說(shuō)每一個(gè)對(duì)稱性都有一個(gè)守恒定律跟它對(duì)應(yīng)，每一個(gè)守恒定律也有一個(gè)對(duì)稱性跟它對(duì)應(yīng)？那豈不是說(shuō)我熟悉的能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律也都對(duì)應(yīng)了某個(gè)對(duì)稱性嗎？那上面的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱、反射對(duì)稱又對(duì)應(yīng)了什么守恒定律呢？如果它們之間真是這樣一一對(duì)應(yīng)的，那么以后我只要在實(shí)驗(yàn)里發(fā)現(xiàn)了新的守恒量，就等于發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的對(duì)稱性嗎？這太不可思議了……

沒(méi)錯(cuò)，上面想的都沒(méi)錯(cuò)，諾特定理說(shuō)得明明白白，沒(méi)有任何歧義，就是這樣！

另外，關(guān)于諾特定理里連續(xù)對(duì)稱性的“連續(xù)”，需要稍微說(shuō)明一下——在經(jīng)典力學(xué)里，像旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，我們可以旋轉(zhuǎn)任意的角度，這顯然是個(gè)連續(xù)的對(duì)稱，而鏡像對(duì)稱要么是鏡里要么是鏡外，只能取兩個(gè)值，是不連續(xù)的。在經(jīng)典力學(xué)里，守恒定律是跟連續(xù)對(duì)稱性一一對(duì)應(yīng)的。但是到了量子力學(xué)這里，許多東西都是量子化的，所以這種差異就沒(méi)有了。因此，在量子力學(xué)里，即便是鏡像這種不連續(xù)的對(duì)稱也有相應(yīng)的守恒定律。

為了讓大家對(duì)諾特定理有更深刻的理解，我們先來(lái)看看幾個(gè)常見(jiàn)的例子。

能量守恒定律的對(duì)稱性

諾特定理說(shuō)對(duì)稱性和守恒定律一一對(duì)應(yīng)，那么就從我們最熟悉的能量守恒定律開(kāi)始。既然能量守恒，那么就有一種對(duì)稱性與之對(duì)應(yīng)，是什么對(duì)稱性呢？

直接告訴大家，這種對(duì)稱性叫“時(shí)間平移不變性”?！捌揭啤本褪菚r(shí)間流逝移動(dòng)的意思，說(shuō)得再通俗一點(diǎn)就是：我今天做的實(shí)驗(yàn)跟明天做的實(shí)驗(yàn)遵循同樣的物理定律。

有人說(shuō)這不是很明顯嗎，一個(gè)物理定律如果今天成立明天不成立，那還怎么稱為定律？沒(méi)錯(cuò)，物理學(xué)家千辛萬(wàn)苦尋找各種物理定律，為的就是利用這些定律預(yù)測(cè)物體未來(lái)的運(yùn)動(dòng)情況，如果沒(méi)有時(shí)間平移不變性，那還怎么預(yù)測(cè)呢？

所以，顯而易見(jiàn)，我們目前所有的物理定律都是符合時(shí)間平移不變性的，明白了這一點(diǎn)，就知道為什么能量守恒定律的適用范圍這么廣了。

此外，還有動(dòng)量守恒對(duì)應(yīng)空間平移不變性（即物理定律在不同的空間保持不變），角動(dòng)量守恒對(duì)應(yīng)上文提到的旋轉(zhuǎn)不變性。有了這種概念以后，就知道了能量、動(dòng)量、角動(dòng)量守恒定律不過(guò)是一種對(duì)稱性的體現(xiàn)，可見(jiàn)對(duì)稱性在物理學(xué)的重要性了。

那么，鏡面的反射對(duì)稱呢？物理定律是否遵循反射對(duì)稱呢？如果遵循，那么它對(duì)應(yīng)的守恒定律又叫什么呢？

宇稱不變性

做了這么多鋪墊，我們文章的主角——宇稱——也該出場(chǎng)了。沒(méi)錯(cuò)，跟鏡像反射對(duì)稱（就是左右對(duì)稱）相對(duì)應(yīng)的守恒量，就是宇稱。宇稱也跟物體的質(zhì)量、電荷一樣，是描述基本粒子性質(zhì)的一個(gè)物理量。

所以，我們說(shuō)物理定律的宇稱不變性，其實(shí)就是說(shuō)物理定律在經(jīng)過(guò)鏡面反射對(duì)稱處理之后依然保持不變，即鏡子里的世界跟外面的世界遵循同樣的物理定律。

怎么通俗地理解這個(gè)事？舉個(gè)例子，如果鏡子外面的人用左腳踢了一下足球，足球按牛頓運(yùn)動(dòng)定律被踢開(kāi)，鏡子里面的人會(huì)用右腳把這個(gè)足球朝另一個(gè)方向踢開(kāi)。現(xiàn)在問(wèn)題的關(guān)鍵是：鏡子里的人踢足球的過(guò)程是否滿足牛頓運(yùn)動(dòng)定律？如果滿足，那我們按照定義就可以說(shuō)牛頓運(yùn)動(dòng)定律在鏡面反射對(duì)稱下具有不變性，也就是具有宇稱不變性，那這個(gè)過(guò)程就宇稱守恒。

也就是說(shuō)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律具有嚴(yán)格的宇稱不變性，按照牛頓運(yùn)動(dòng)定律發(fā)生的過(guò)程嚴(yán)格宇稱守恒。其實(shí)，不只是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，在四大基本相互作用力里，電磁力、引力、強(qiáng)力的物理規(guī)律都具有宇稱不變性，由它們支配的過(guò)程都宇稱守恒。

但是，剩下的那個(gè)弱力呢？

從宇稱守恒到宇稱不守恒

宇稱，也就是鏡面反射對(duì)稱，在我們的日常生活中實(shí)在太常見(jiàn)、太熟悉了。鏡子里的世界跟鏡子外的世界，也就是左右、順逆互換了而已。直覺(jué)告訴我們，并沒(méi)有什么定律是偏愛(ài)左邊或者右邊的，相對(duì)論的成功更是極大地加深了這種思想。

所以，宇稱不變性，也就和其他幾個(gè)最基本的不變性（時(shí)間平移不變、空間平移不變、旋轉(zhuǎn)不變等）一樣，被物理學(xué)家視為最基本的規(guī)律。

視為最基本的規(guī)律，意思就是說(shuō)，如果科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了有什么現(xiàn)象似乎違反了這個(gè)規(guī)律時(shí)，大家首先的反應(yīng)不是這個(gè)規(guī)律有問(wèn)題，而是還有其他沒(méi)有考慮進(jìn)來(lái)的因素。這里最明顯的就是時(shí)間平移不變性對(duì)應(yīng)的能量守恒了。有很多次，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)某個(gè)物理過(guò)程不滿足能量守恒，他們不會(huì)懷疑能量守恒出了問(wèn)題，而是去找有什么新粒子或新現(xiàn)象沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，然后就真的找到了這樣的新粒子、新現(xiàn)象。

宇稱不變性也一樣，一路幫助物理學(xué)家過(guò)關(guān)斬將，所向披靡，沒(méi)有人懷疑宇稱守恒的正確性。直到有一天，從戰(zhàn)火中的中國(guó)走出來(lái)兩位天才物理學(xué)家：楊振寧和李政道。

首先我們要清楚，向物理世界中這些最基本、最“顯而易見(jiàn)”的理論提出質(zhì)疑，是需要極大勇氣和極高洞察力的，因?yàn)橐坏┻@種最底層的理論被動(dòng)搖，物理學(xué)的世界肯定就要經(jīng)歷地動(dòng)山搖、天翻地覆。粗算一下，上一次質(zhì)疑如此基礎(chǔ)的概念，還是愛(ài)因斯坦對(duì)牛頓的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間理論的抨擊，以及量子力學(xué)的革命。

那么，楊振寧和李政道為什么要這么做呢？這個(gè)原因還得從弱相互作用，也就是常說(shuō)的弱力說(shuō)起。

弱相互作用

我們?cè)谧匀唤绨l(fā)現(xiàn)的所有作用力最終都可以歸結(jié)為這4種：引力、電磁力、強(qiáng)力、弱力。引力和電磁力我們很熟悉，強(qiáng)力和弱力都發(fā)生在原子核里面，我們平常接觸不到。強(qiáng)力簡(jiǎn)單地說(shuō)就是粘著質(zhì)子、中子、夸克不讓原子核分崩離析的力（否則質(zhì)子都帶正電，它們之間同性電荷產(chǎn)生的排斥力早就把原子核拆散架了），弱力是造成放射性原子核衰變的力，就是中子變成質(zhì)子，質(zhì)子變成中子過(guò)程中的力。

弱力出現(xiàn)最典型的一個(gè)場(chǎng)景就是β衰變。

原子核由質(zhì)子和中子組成，元素周期表里元素的排序（即原子序數(shù)）就是按質(zhì)子數(shù)排列的。然而，原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子并不是固定不變的，在一定條件下，質(zhì)子可以變成中子，中子也可以變成質(zhì)子，這個(gè)相互變化的過(guò)程就是β 衰變，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮作用的就是弱相互作用，即弱力。

最早描述弱力的是費(fèi)米的理論，而費(fèi)米，正是楊振寧和李政道的導(dǎo)師。

θ-τ之謎

在20世紀(jì)四五十年代，科學(xué)家在宇宙射線里探測(cè)到了許多新粒子，這些粒子并沒(méi)有在理論中被預(yù)言，因此被稱為“奇異粒子”。由于宇宙射線有許多人為不可控的因素，為了更好地研究，人們開(kāi)始自己制造粒子加速器：就是把一些粒子加到很高的速度（因此具有很高的能量），然后讓這些高能粒子去撞各種東西，看看能不能撞出一些新東西來(lái)。

不過(guò)，雖然手法簡(jiǎn)單，效果卻非常顯著：科學(xué)家撞出了一堆稀奇古怪的粒子，其中，物理學(xué)家最感興趣的就是θ和τ粒子。它們有一些奇特難解的特性，被當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家稱為“θ-τ之謎”。

θ和τ這兩種粒子的生命非常短，很快會(huì)衰變成其他的粒子，物理學(xué)家也是通過(guò)觀察衰變之后的東西才推測(cè)出它們的存在。奇怪的地方在于：θ粒子在衰變的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)π介子，而τ粒子在衰變的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生3個(gè)π介子。

有人會(huì)說(shuō)這有什么奇怪的？沒(méi)錯(cuò)，單純看，確實(shí)沒(méi)什么奇怪的。但是，隨后人們就發(fā)現(xiàn)，θ和τ這兩種粒子無(wú)論是電荷、自旋還是質(zhì)量都一模一樣，無(wú)論怎么看都像是同樣一個(gè)粒子，但是它們的衰變結(jié)果卻不一樣。

澳大利亞的物理學(xué)家達(dá)利茲仔細(xì)研究了這兩個(gè)粒子，利用當(dāng)時(shí)普遍被接受的物理定律做了一個(gè)計(jì)算分析，結(jié)果表明θ和τ的宇稱數(shù)不一樣，因此不可能是同一種粒子。

當(dāng)時(shí)的局面是，有人認(rèn)為θ和τ是不同的粒子，有人認(rèn)為是相同的粒子，但是認(rèn)為它們相同的人也無(wú)法解釋為什么它們的衰變結(jié)果和宇稱數(shù)不一樣（也就是宇稱不守恒）。其實(shí)，當(dāng)時(shí)一些科學(xué)家已經(jīng)注意到宇稱守恒的成立與否是一個(gè)重要的方向，但由于對(duì)稱性在理論物理里實(shí)在太重要了，要去質(zhì)疑它需要極大勇氣。另外，關(guān)于宇稱的定律在之前的粒子物理里一直都用得很好，因此只要提出宇稱不守恒的想法，很快就會(huì)碰到互相抵觸的地方。

如果楊振寧和李政道認(rèn)為宇稱不守恒是解開(kāi)θ-τ之謎的關(guān)鍵點(diǎn)，那就得先把那些相互抵觸的問(wèn)題都解決掉，并且還要解釋為什么之前的各種相關(guān)現(xiàn)象并不違反宇稱守恒。

當(dāng)然，他們做到了！

弱相互作用下的宇稱不守恒

前面我們提到，基本相互作用力里的強(qiáng)力和弱力都是在原子核發(fā)生的，因此，這兩種力很容易攪和在一起。有些物理學(xué)家即便感覺(jué)宇稱可能不守恒，但是一旦他們認(rèn)為宇稱在強(qiáng)力和弱力下都不守恒，接下來(lái)肯定會(huì)碰到滿頭包。

楊振寧和李政道敏銳地發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)：把原子核黏在一起的是強(qiáng)力，原子核發(fā)生衰變是弱力，如果把這兩個(gè)過(guò)程的對(duì)稱性分開(kāi)來(lái)看，也就是說(shuō)，假如我只認(rèn)定宇稱在強(qiáng)相互用力中守恒，而在弱相互作用中不守恒，那θ-τ之謎看起來(lái)就容易多了。

把強(qiáng)、弱相互作用區(qū)分討論宇稱性，這是一個(gè)很美妙的想法。如果弱相互作用下宇稱不守恒，那么θ和τ粒子就可以看作同一個(gè)粒子不同衰變方式，于是楊振寧和李政道就把目光鎖定到弱相互作用去了。因此，雖然θ和τ粒子的衰變過(guò)程也是弱相互作用，但是我們對(duì)它了解有限，既然要研究，那當(dāng)然是研究我們最熟悉的弱相互作用——β衰變。

所以，楊、李二人立馬就對(duì)過(guò)去已有的各種β衰變進(jìn)行計(jì)算考查，結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)：在過(guò)去所有的β衰變實(shí)驗(yàn)里，實(shí)驗(yàn)結(jié)果都跟β衰變中宇稱是否守恒完全沒(méi)有關(guān)系。這是一個(gè)令人震驚的結(jié)果，也就是說(shuō)，在過(guò)去那些有弱相互作用參與的β 衰變實(shí)驗(yàn)里，宇稱守恒與否并不會(huì)影響他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以楊振寧和李政道的想法并沒(méi)有被過(guò)去的實(shí)驗(yàn)證偽。

當(dāng)然，也沒(méi)有被證實(shí)。

后來(lái)，楊振寧這樣描述他們對(duì)這個(gè)結(jié)果的反應(yīng)：長(zhǎng)久以來(lái)，在毫無(wú)實(shí)驗(yàn)根據(jù)的情況下，人們都相信弱相互作用下宇稱守恒，這是十分令人驚愕的。但是，更令人驚愕的是，物理學(xué)如此熟知的一條時(shí)空對(duì)稱定律面臨破產(chǎn)，我們不喜歡這種前景，只是因?yàn)樵噲D理解θ-τ之謎的其他各種努力都?xì)w于失敗，我們才不得不考慮這樣一種情景。

現(xiàn)在新的問(wèn)題來(lái)了：既然β衰變是典型的弱相互作用，那么為什么我們之前做的那么多β衰變的實(shí)驗(yàn)都剛好跟宇稱守恒無(wú)關(guān)呢？經(jīng)過(guò)一番苦思冥想之后，楊、李發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題的關(guān)鍵：要用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)弱相互作用中宇稱是否守恒，就必須測(cè)量贗標(biāo)量（一個(gè)跟核的自旋和電子的動(dòng)量相關(guān)的物理量），而之前的β衰變實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有測(cè)量這個(gè)量，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果就跟宇稱是否守恒完全無(wú)關(guān)。

認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)后，楊振寧和李政道就重新設(shè)計(jì)了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，并把具體的實(shí)驗(yàn)方法和之前的分析都寫進(jìn)那篇非常著名的論文《在弱相互作用中，宇稱是否守恒？》，然后投給了《物理評(píng)論》。但是，等論文發(fā)表時(shí)，論文題目卻被雜志的編輯改成了《對(duì)于弱相互作用中宇稱守恒的質(zhì)疑》，原因是編輯認(rèn)為一篇論文的標(biāo)題不應(yīng)該是一個(gè)問(wèn)句，雖然楊振寧認(rèn)為前者要好得多。

論文發(fā)表后，雖然他們?cè)谖恼吕飳?duì)“弱相互作用下宇稱不守恒”的問(wèn)題做了詳盡的討論，還提出了一些可以檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)辦法。但是，由于宇稱守恒過(guò)去在各個(gè)方面表現(xiàn)得實(shí)在太好了，而且這些實(shí)驗(yàn)也都不是那么簡(jiǎn)單的，所以他們的論文一開(kāi)始并沒(méi)有引起什么熱烈的反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)女王吳健雄

當(dāng)時(shí)，想請(qǐng)一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來(lái)做驗(yàn)證宇稱是否守恒的實(shí)驗(yàn)，可不是那么簡(jiǎn)單的事。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家考慮的是，是否值得去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。楊振寧和李政道雖然提出了幾個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)方案，但是這些實(shí)驗(yàn)都非常困難。并且，在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家眼里，宇稱守恒是絕對(duì)可靠的，做這樣的實(shí)驗(yàn)幾乎等于白費(fèi)精力。這種想法在當(dāng)時(shí)非常主流。

有一個(gè)叫拉姆齊的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家后來(lái)也想做驗(yàn)證宇稱是否守恒的實(shí)驗(yàn)，費(fèi)曼告訴他“那是一個(gè)瘋狂的實(shí)驗(yàn)，不要在上面浪費(fèi)時(shí)間”，并打賭他的實(shí)驗(yàn)一定會(huì)失敗。當(dāng)然，由于橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室不支持，拉姆齊最終沒(méi)能實(shí)施驗(yàn)證。

眼光毒辣、被稱為“物理學(xué)的良心”的泡利聽(tīng)說(shuō)吳健雄在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)后，他說(shuō)他愿意下任何賭注來(lái)賭宇稱一定是守恒的。后來(lái)他自己也開(kāi)玩笑說(shuō)，幸好沒(méi)有人跟他賭，不然他就得破產(chǎn)了。

而朗道不僅自己公開(kāi)批評(píng)那些質(zhì)疑宇稱守恒的想法，而且直接無(wú)視了學(xué)生沙皮羅提請(qǐng)審閱的認(rèn)為宇稱應(yīng)該不守恒的論文。幾個(gè)月后，楊振寧和李政道發(fā)表了證明宇稱不守恒的論文，接著吳健雄用實(shí)驗(yàn)做了證明，第二年還去斯德哥爾摩捧回了諾獎(jiǎng)，朗道這才追悔莫及。

當(dāng)然，我們也不能說(shuō)如果朗道沒(méi)有無(wú)視沙皮羅的論文，蘇聯(lián)就會(huì)先發(fā)現(xiàn)宇稱不守恒，然后先得到一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。因?yàn)?，?dāng)時(shí)質(zhì)疑宇稱守恒的人很多，但只是質(zhì)疑沒(méi)用。

楊振寧和李政道是極為敏銳地意識(shí)到在宇稱守恒這個(gè)問(wèn)題上，要把強(qiáng)、弱相互作用分開(kāi)，找到了β衰變作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并且設(shè)計(jì)包含測(cè)量贗標(biāo)量的實(shí)驗(yàn)，得到了吳健雄的鼎力支持（想想拉姆齊的實(shí)驗(yàn)，橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)中心都不支持，就知道吳健雄的支持有多寶貴了）才得以完成。這所有的環(huán)節(jié)缺一不可，并不是簡(jiǎn)單質(zhì)疑宇稱不守恒就能拿諾獎(jiǎng)的。

吳健雄的天才在這里不是表現(xiàn)在設(shè)計(jì)了多么巧妙的實(shí)驗(yàn)，而是表現(xiàn)在大環(huán)境如此不利的情況下（想想費(fèi)曼、泡利、朗道都是什么級(jí)別的人物），依然全力支持楊振寧和李政道的想法，并且趕在其他實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家意識(shí)到這個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要性之前，迅速做出實(shí)驗(yàn)。為此，她拒絕了日內(nèi)瓦的高能物理會(huì)議，取消了東南亞的演講旅行，放棄了和丈夫已經(jīng)預(yù)訂的“伊麗莎白王后”號(hào)的船票，只為了盡快做出實(shí)驗(yàn)。

吳健雄于1912年在江蘇蘇州出生，被稱為“實(shí)驗(yàn)核物理的執(zhí)政女王”“東方的居里夫人”。她參與了曼哈頓計(jì)劃，是美國(guó)物理學(xué)會(huì)第一個(gè)婦女主席，是世界上最杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家之一。有如此優(yōu)秀的吳健雄的鼎力支持，實(shí)驗(yàn)當(dāng)然就沒(méi)什么好擔(dān)心的了。

這里并不打算給大家講吳健雄的實(shí)驗(yàn)，你可以想象一個(gè)旋轉(zhuǎn)的原子核衰變的時(shí)候放出一個(gè)電子，中間是一面鏡子，我們從上往下看的時(shí)候，鏡子外的原子核是順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，而鏡子里面的原子核是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。物理學(xué)家約定，左手順著旋轉(zhuǎn)的方向，大拇指的方向就是原子核旋轉(zhuǎn)的方向，所以，靜止外面的原子核旋轉(zhuǎn)方向向上，而鏡子里面的向下。

我們很容易想象，鏡子里外的原子核旋轉(zhuǎn)方向雖然相反，但是如果外面的電子往上飛，鏡子里面的電子也往上飛，這很符合常識(shí)，沒(méi)什么奇怪的，這就是宇稱守恒時(shí)的樣子。但是，如果哪天你看到鏡子里的電子居然是朝下發(fā)射的，你會(huì)不會(huì)覺(jué)得驚訝？

當(dāng)然，物理學(xué)家說(shuō)的鏡像并不是真的去看鏡子，鏡子無(wú)論怎么照肯定都是這樣。他們的意思是：如果我再找來(lái)一個(gè)原子核，讓這個(gè)原子核跟鏡子里的原子核一模一樣（即大小、質(zhì)量都相等，但是旋轉(zhuǎn)方向不一樣），我們就說(shuō)這兩個(gè)原子核互為鏡像。

然后再去觀察這個(gè)鏡像原子核，如果它跟鏡子里一樣也是向上發(fā)射電子，那就不奇怪，是宇稱守恒;如果它跟鏡子里發(fā)射電子的方向相反，也就是向下發(fā)射電子，那么宇稱就不守恒了。

當(dāng)然，上面只是理論分析，真正要做實(shí)驗(yàn)的話，有兩個(gè)難點(diǎn)：

第一，分子、原子、原子核都在雜亂無(wú)章地做熱運(yùn)動(dòng)，怎么讓它們安靜下來(lái)旋轉(zhuǎn)呢？答案是給它們降溫。溫度就是微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的一個(gè)表現(xiàn)，溫度降下來(lái)了它們自然就不鬧騰了。所以，吳健雄做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候把溫度降到了只比絕對(duì)零度（即-273.15℃，粒子不動(dòng)時(shí)的溫度，無(wú)法達(dá)到）高0.01K（即約-270.43℃）。

第二，因?yàn)槲⒂^粒子具有不確定性，我們不可能去觀察一個(gè)原子核發(fā)射電子的方向，只能觀察一堆原子核衰變?nèi)缓蠼y(tǒng)計(jì)其發(fā)射電子方向的概率。于是，就得讓原子核都按照一定的方向旋轉(zhuǎn)，這個(gè)技術(shù)叫原子核的極化，這在當(dāng)時(shí)是絕對(duì)的高科技。

這下知道為什么說(shuō)實(shí)驗(yàn)的難度巨大了吧。不過(guò)不管怎樣，吳健雄完成了實(shí)驗(yàn)，她測(cè)量了一束鈷-60衰變放出電子的方向，證明宇稱在弱相互作用下是不守恒的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來(lái)的時(shí)候，吳健雄自己都不敢相信這個(gè)結(jié)果，她生怕這是哪里的實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致的，于是小心謹(jǐn)慎地再回去檢驗(yàn)。她也只把初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟楊振寧和李政道說(shuō)了，并且讓他們暫時(shí)不要對(duì)外公布。但是，顯然楊、李二人對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒(méi)有那么吃驚，于是迫不及待地告訴了別人。

消息一出，整個(gè)物理學(xué)界都震驚了！他們立刻去做其他驗(yàn)證宇稱守恒的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確無(wú)誤地顯示：在弱相互作用下，宇稱原來(lái)真的不守恒！

宇稱不守恒的影響

諾貝爾獎(jiǎng)只是宇稱不守恒一個(gè)很小的注腳。楊振寧和李政道在1956年10月發(fā)表了論文《對(duì)于弱相互作用中宇稱守恒的質(zhì)疑》，吳健雄隨后給了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，諾獎(jiǎng)組委會(huì)立馬把1957年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了當(dāng)時(shí)35歲的楊振寧和31歲的李政道。要知道，愛(ài)因斯坦在1905年提出光量子說(shuō)和狹義相對(duì)論，1915年完成廣義相對(duì)論，但直到1921年，也就是愛(ài)因斯坦42歲的時(shí)候，他才獲得諾獎(jiǎng)。

因?yàn)橛罘Q不守恒（即便只是在弱相互作用下）并不是一個(gè)局部性的理論發(fā)展，它影響了整個(gè)物理學(xué)界的方方面面，是囊括了分子、原子和基本粒子物理的一個(gè)基本革命。對(duì)稱性在20世紀(jì)物理學(xué)里這么重要（對(duì)稱性對(duì)應(yīng)守恒律），使得那時(shí)候人們對(duì)對(duì)稱性的信仰和依賴就像是20世紀(jì)之前人們對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的依賴。

20世紀(jì)初，洛倫茲、彭加萊這些人都已經(jīng)走到狹義相對(duì)論的門口了，但是就是不愿意放棄牛頓絕對(duì)時(shí)空的概念，因此被年輕的愛(ài)因斯坦后來(lái)居上。20世紀(jì)50年代的時(shí)候，全世界都在為θ-τ之謎絞盡腦汁，但是費(fèi)曼、泡利、朗道這樣的物理學(xué)大師都不愿意假設(shè)宇稱不守恒，從而讓年輕的楊振寧和李政道后來(lái)居上。他們不愿意放棄宇稱守恒，因?yàn)檫@些大師太清楚對(duì)稱性在物理學(xué)的重要程度了。

宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)震碎了人們對(duì)絕對(duì)對(duì)稱的信念，迫使人們重新思考對(duì)稱的問(wèn)題，這一轉(zhuǎn)向帶來(lái)了后來(lái)許多深刻的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。人們慢慢意識(shí)到，絕對(duì)對(duì)稱必然導(dǎo)致大家都一樣，從而缺乏生機(jī)。假設(shè)宇宙在初期都是絕對(duì)對(duì)稱的，那么所有的粒子和相互作用都一樣，那么怎么會(huì)有后來(lái)引力、電磁力、強(qiáng)力、弱力的區(qū)分呢？所以，最開(kāi)始的對(duì)稱在一定條件下是會(huì)慢慢變成不對(duì)稱的，這樣對(duì)稱就破缺了，對(duì)稱破缺之后就出現(xiàn)了不同的東西。

比如現(xiàn)在已經(jīng)知道了的：電磁力和弱力在早期就是完全同一種力，叫電弱力，后來(lái)隨著宇宙的環(huán)境溫度慢慢變化，發(fā)生了對(duì)稱性破缺，電弱力就分成了現(xiàn)在的電磁力和弱力兩種。

電磁力和弱力的統(tǒng)一是二戰(zhàn)后物理學(xué)的一個(gè)巨大成就，楊- 米爾斯理論統(tǒng)一了他們，而這個(gè)楊-米爾斯里的楊，正是楊振寧。其實(shí)，除了已經(jīng)完全統(tǒng)一了的電弱相互作用，現(xiàn)在用來(lái)描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)也是一種楊-米爾斯理論。正因如此，楊-米爾斯方程在現(xiàn)代物理學(xué)里才那么重要，是繼麥克斯韋方程組和愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程之后，最為重要的一組方程。相比給楊振寧先生帶來(lái)諾貝爾獎(jiǎng)的宇稱不守恒，楊-米爾斯方程才是楊振寧先生的最高成就，也是迄今東方人在物理學(xué)上的最高成就。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)后來(lái)幾十年的研究，人們對(duì)弱相互作用下宇稱如何不守恒已經(jīng)基本弄清楚了，但是對(duì)宇稱為什么會(huì)不守恒仍然是一頭霧水，特別是為什么宇稱在其他3種相互作用下守恒，偏偏在弱相互作用下不守恒？這個(gè)接力棒，就交給你了！