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2006年，当时我还是一名高中生。听到消息说诺贝尔物理学得主杨振宁教授要来学校举行一场主题为《我的生平》的讲座，作为刚决定将来要选择物理专业的我来说，那是非常激动人心的时刻。当即去图书馆上网输入了“杨振宁”、“诺贝尔物理学奖”等关键词准备来个现场提问。结果可想而知，以当时我所具备的知识，即使看完了一连串解释的文章，我也仅仅只记住了关键词。 现在回想起，只记得在讲座上他谈及了母亲对他有深远的影响，培育了他坚强的意志，以及父亲让他接触到了数学，认识了群论。还记得他说过自己深受爱因斯坦、费米和狄拉克的影响。最后，他以一个“圆”的标志来结束讲座，这个圆代表起点也是终点。 直到大三的时候，有一天我正在做实验，教授不知为何突然在旁边说起了吴健雄的故事，为她没有获得诺贝尔奖愤愤不平。才再次勾起我对杨振宁的好奇，究竟什么是弱相互作用中宇称不守恒？ △ 杨振宁教授。（图片来源：http://insti.physics./~yang/） 故事要回到1950年代。 当时粒子物理学是个非常热门的研究领域。物理学家花了大量的时间来理解那些新发现粒子的性质：它们的电荷、自旋、质量和衰变等等。其中有两个粒子（θ 和 τ）特别有意思，它们会分别衰变成两个和三个 π 介子： 越来越多的精确实验显示 θ 和 τ 有几乎相同的质量和寿命，暗示着它们可能是同一种粒子，只是有两种不同模式的衰变。这并没有什么奇怪的，除了它违反了宇称守恒定律：根据该定律，两个 π 介子的宇称为+1，三个 π 介子的宇称则为 -1。如果 θ 和 τ 是同一种粒子，它可以衰变为 +1的宇称，也可以衰变为-1的宇称。因此，宇称不守恒。而这绝对不可能！这个困境被称为 θ - τ 之谜。在1953年 - 1956年间，这个问题逐渐被认为是粒子物理学的一个关键问题。 △ 杨振宁教授（左）和李政道教授（右）。（图片来源：http://www./academic/physics/phyindex/files/PhysicsStarYang.htm） 从1955年到1956年，杨振宁和李政道向这个问题发起了进攻，他们想出了许多解释方案。其中一个就跟宇称不守恒有关。 在粒子物理学中，宇称就是所谓镜像对称性。当你照镜子的时候，镜中的你跟现实中的你正好左右相反。如果你举起右手，镜像中的你就会举起左手。镜中的你心脏在右侧，身上的表针逆时针走。 △ 宇称对称性：左边是原来的时钟，右边为镜中的时钟。（图片来源：Wikipedia） 现在想象有一个镜像宇宙，在这个宇宙中所有的东西都是相反的。在这个宇宙中，太阳会打西边升起，从东边日落等等。但基本上没有任何其它东西会改变，事实上我们只要把左边和右边的概念对换一下就会跟我们身处的这个宇宙没有任何区别。至少，这种情景在宇称守恒的前提下是正确的。在大多数情况下，自然并不区别左和右，宇称是守恒的。左右对称是如此的深入人心，可想而知当宇称不守恒被提出来的时候，在当时看来是多么的惊世骇俗。 △ 当时已知的四种基本相互作用。从左至右分别为：电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力。当时物理学家认为这些基本相互作用应该都遵守宇称守恒。（图片来源：Stichting Maharishi University of Management, the Netherlands） 1956年4月3日-6日，在纽约罗切斯特召开的高能物理会议上，θ-τ之谜引起了很多讨论，但没有一个解决方案是令人满意的。杨振宁在对该谜题做了总结报告后，引发了更激烈的讨论。在回答理查德·费恩曼提出的关于宇称不守恒的可能性中，杨振宁回答，他和李政道曾分析过这种可能性，但还没有得到确切的结论。
△ 费恩曼（左）和杨振宁（右）。 杨振宁和李政道并没有放弃探索这个难题。在1956年4月末或五月初的一天，他们二人来到了纽约的一家中餐馆。据回忆，当他们坐下来的时候，脑中迸发出了一个重要的想法：支持宇称守恒的证据皆来自电磁相互作用的过程（如原子发光）或强相互作用的过程（如两个原子核的散射）。那时，θ - τ 衰变在1956年已经被确定为由弱相互作用所决定。在两到三个星期后，通过许多的计算，他们证明了所有此前的β衰变实验实际上都太过于简单无法检验在β衰变中的宇称是否守恒。因此在弱相互作用中宇称守恒仍值得探讨，他们也提出了许多实验方法来检验。 △ 李政道和杨振宁关于弱相互作用中宇称不守恒的论文。（图片来源： Lee, T. D. & Yang, C. N.） 他们的论文在1956年6月完成，之后发表在《物理学评论快报》【2】。当时这并没有引起关注。泡利在写给维克托·魏斯科普夫的一封著名信件中写道：“我不相信上帝是个弱左撇子…” 当时实验物理学家并不想尝试他们在论文中所提出的实验，因为没有一个是简单的。此外，物理界普遍认为他们的提议并不能解决θ - τ 之谜。泡利和费恩曼都为此下了赌注，认为宇称必定守恒。 在他们众多的实验提议中，有一个涉及自旋的原子核。（对原子不熟悉的读者可以阅读《你脑海中的原子模型是什么样的？》） 为了便于理解，这里我定义一下一个自转物体的自旋方向。假想把你的左手手指围绕着一个自转物体（比如自旋的原子核）弯曲起来，手指的方向和转动物体表面的运动方向一致。我们定义自旋的方向为拇指所指的方向。 李政道和杨振宁建议研究一个自旋的放射性原子核。在放射性原子核中，原子核有一定的几率发生衰变。如果弱相互作用决定衰变，则此几率是很小的。发生衰变的原子核会放出一个电子和一个中微子。后者无法在实验中观测到。 现在，射出的电子是沿哪个方向运动成为了关键。假定在现实世界中，电子沿原子核自旋方向（向上）射出。在镜中，原子核的自旋方向向下，电子则沿原子核自旋的相反方向射出！那么，如果宇称守恒，电子应该在核自旋方向和相反方向有相同的射出几率。 因此自然是否区分左右，这个重任就落到了实验身上。如果我们在实验中能够记录到电子更多沿核自旋方向射出，我们就可以得出结论：宇称不守恒。 当时在哥伦比亚大学的吴健雄教授是β衰变实验方面的权威，她对杨振宁和李政道的想法产生了极大兴趣，当即取消了暑假旅行，立即着手工作。 虽然，上面的理论听起来很简单，但是要通过实验证明则需要克服巨大的困难。例如，首先吴教授需要大量自旋的原子核，而且必须把这些原子核自旋排列起来，实验才能奏效，因此需要在极低温的环境下进行实验。 △ 吴健雄教授的实验示意图。（图片来源：Wikipedia） |
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