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θ和τ这两种粒子的生命非常短，很快会衰变成其他的粒子，物理学家们也是通过观察衰变之后东西才推测它们的存在。它们奇怪的地方就在于：θ粒子在衰变的时候会产生两个π介子，而τ粒子在衰变的时候会产生三个π介子。 有人会说这有什么奇怪的？一个粒子衰变产生两个那个叫啥π介子的东西，另一个产生三个，这不是很稀松平常的事么，难道粒子衰变生成几个介子还要受法律约束不成？ 没错，单纯这有看，确实没什么奇怪的。但是，随后人们就发现，θ和τ这两种粒子无论是电荷、自旋还是质量都一模一样，这哥俩无论怎么看都像是同样一个粒子，但是它们的衰变结果却不一样，这就尴尬了。 更为尴尬的是，澳大利亚的物理学家达利兹仔细的研究了这两个粒子，利用当时普遍被接受的物理定律去做了一个计算分析，结果表明θ和τ的宇称数不一样，因此不可能是同一种粒子。 当时的局面是，有人认为θ和τ是不同的粒子，有人认为他们是相同的粒子，但是认为它们是相同粒子的人也无法解释为什么它们的衰变结果和宇称数不一样（也就是宇称不守恒）。其实，当时一些科学已经注意到宇称守恒的成立与否是一个重要的方向，但是由于对称性在理论物理里实在太重要了，要去质疑它们要不是极聪明就是极蠢。另外，关于宇称的定律在之前的粒子物理里一直都用的很好，因此只要提出宇称不守恒的想法，很快就会碰到互相抵触的地方。 如果杨振宁和李政道认为宇称不守恒是解开θ-τ之谜的关键点，那就得先得把那些相互抵触的问题都解决掉，并且还要解释为什么之前的各种相关现象并不违反宇称守恒。 当然，他们做到了！ ⑨ 弱相互作用下的宇称不守恒 在前面我们就提到了，基本相互作用力里的强力和弱力都是在原子核发生的，因此，这两种力很容易搅和在一起。有些物理学家即便感觉宇称可能不守恒，但是一旦他们认为宇称在强力和弱力下都不守恒，接下来肯定会碰到满头包。 杨振宁和李政道敏锐的发现了这一点：把原子核黏在一起的是强力，原子核发生衰变是弱力，如果我们把这两个过程的对称性分开来看，也就是说，假如我只认定宇称在强相互用力中守恒，而在弱相互作用力中不守恒，那θ-τ之谜看起来就容易多了。 把强、弱相互作用力区分讨论宇称性，这是一个很美妙的想法。如果弱相互作用下宇称不守恒，那么θ和τ粒子就可以看做同一个粒子不同衰变方式，于是杨振宁和李政道就把目光锁定到弱相互作用去了。因此，虽然θ和τ粒子的衰变过程也是弱相互作用，但是这种奇异粒子的弱相互作用我们了解有限，既然要研究弱相互作用，那当然是研究我们最熟悉的弱相互作用了。那么，我们最熟悉的弱相互作用是什么呢？大声说出来： β衰变！β衰变！β衰变！ 答案当然是β衰变，所以，杨、李二人立马就对过去已有的各种β衰变进行计算考查，结果他们发现：在过去所有的β衰变实验里，实验结果跟β衰变中宇称是否守恒完全没有关系。这是一个令人震惊的结果，也就是说，在过去的那些有弱相互作用力参与的β衰变实验里，宇称守恒与否并不会影响他们的实验结果，所以杨振宁和李政道的想法并没有被过去的实验证伪。 当然，也没有被证实。 后来，杨振宁这样描述他们对这个结果的反应：长久以来，在毫无实验根据的情况下，人们都相信弱相互作用下宇称守恒，这是十分令人惊愕的。但是，更令人惊愕的是，物理学如此熟知的一条时空对称定律面临破产，我们不喜欢这种前景，只是因为试图理解θ-τ之谜的其他各种努力都归于失败，我们才不得不考虑这样一种情景。 现在新的问题来了：既然β衰变是典型的弱相互作用，那么为什么我们之前做的那么多β衰变的实验都刚好跟宇称守恒无关呢？经过一番苦思冥想之后，杨、李发现了问题的关键：要想用实验检验弱相互作用中宇称是否守恒，必须测量赝标量（这是跟核的自旋和电子的动量相关的一个物理量，有个印象就行），而之前的β衰变实验都没有测量这个，所以实验结果就跟宇称是否守恒完全无关。 认识到这一点之后，杨振宁和李政道就重新设计了几个可以检验宇称是否守恒的实验，并把具体的实验方法和之前的分析都写进那篇非常著名的论文《在弱相互作用中，宇称是否守恒？》中去了，然后投给了《物理评论》。但是，等论文发表的时候，论文题目却被杂志的编辑改成了《对于弱相互作用中宇称守恒的质疑》，原因是编辑认为一篇论文的标题不应该是一个问句，虽然杨振宁认为前者要好得多。 …… ⑩ 实验女王吴健雄 当时想请一位实验物理学家来做验证宇称是否守恒的时候可不是那么简单的事，实验物理学家考虑的是：是否值得去做一个实验来验证宇称是否守恒？杨振宁和李政道虽然提出了几个具体的实验方案，但是这些实验都非常困难，并且，当时物理学家的眼里，宇称守恒是绝对可靠的，做这样的实验几乎就等于白费精力。 这种想法在当时是极为主流的。 有一个叫拉姆齐的实验物理学家后来也想做验证宇称是否守恒的实验，费曼告诉他“那是一个疯狂的实验，不要再上面浪费时间”，他还以10000:1来赌这个实验不会成功，后来改成了50:1，但是由于橡树岭实验室不支持，所以拉姆齐只得作罢。当宇称不守恒被实验证明之后，费曼倒是很守信的开了一张50美元的支票给拉姆齐，算是给拉姆齐的一个安慰奖。以眼光毒辣，被称为“上帝之鞭”“物理学的良心”的泡利听说吴健雄在做这个实验之后，他说他愿意下任何赌注来赌宇称一定是是守恒的，后来他自己也开玩笑说幸好没有人跟他赌，不然他就得破产了（不知道这些物理学家怎么这么喜欢赌博，应该打110和911叫警察全抓起来~）。最严重的是朗道，朗道不仅自己公平批评质疑宇称守恒的想法，他有个叫沙皮罗的学生在研究介子衰变的时候也觉得宇称应该不守恒，写了篇论文给朗道审阅，朗道直接给他丢一边去了。几个月后杨振宁和李政道发表了宇称不守恒的论文，接着吴健雄用实验做了证明，第二年还去斯德哥尔摩捧回了炸药奖，朗道这才追悔莫及。 …… 吴健雄的天才在这里不是表现在设计了多么巧妙的实验，而是表现在大环境对验证宇称是否守恒如此不利的情况下（想想费曼、泡利、朗道都是什么级别的人物），她全力支持杨振宁和李政道的想法。她不仅要做实验，还要迅速做赶快做，要赶在其他的实验物理学家意识到这个实验的重要性之前做出来。为此，她把取消了去日内瓦的高能物理会议，取消了准备去东南亚的演讲旅行，她和她丈夫已经预订了“伊丽莎白王后号”的船票，结果她公然放了她丈夫的鸽子，让他一个人去日内瓦，吴健雄自己留下来做实验。 吴健雄于满清王朝覆灭那年（1912年）在江苏苏州出生，被称为“实验核物理的执政女王”，“东方的居里夫人”，她参与了曼哈顿计划，并成为美国物理学会第一个妇女主席，是世界上最杰出的实验物理学家之一。 有如此优秀的吴健雄的鼎力支持，实验当然就没什么好担心的了。但这里我并不打算给大家讲吴健雄的实验，我给大家看一个更简单直观的图像。下图就是一个旋转的原子核衰变的时候放出一个电子的图像，中间是一面镜子，我们从上往下看的时候，镜子外的原子核是顺时针方向旋转，而镜子里面的原子核是逆时针旋转。也就是说，一个旋转的原子核的镜像旋转的方向跟它本身旋转方向是相反的。物理学家们约定，左手顺着旋转的方向，大拇指的方向就是原子核旋转的方向，所以，如箭头所示，静止外面的原子核旋转方向向上，而镜子里面的向下。 我们也很容易想象，镜子里外的原子核旋转方向虽然相反，但是如果外面的电子往上飞，镜子里面的电子也往上飞，这很符合常识，没什么奇怪的，这就是宇称守恒时候的样子。但是，如果哪天你看到镜子里电子居然是朝下发射的，你会不会觉得见鬼了？ 当然，物理学家说的镜像并不是真的去看镜子，镜子无论怎么照肯定都是这样。他们的意思是：如果我再找来一个原子核，让这个原子核跟镜子里的原子核一模一样（也即是大小质量啥的都相等，但是旋转方向不一样），我们就说这两个原子核互为镜像。 然后我再去观察这个镜像原子核，如果它跟镜子里一样也是向上发射电子，那就不奇怪，是宇称守恒；如果它跟镜子里发射电子的方向相反，也就是向下发射电子，那么宇称就不守恒了。 当然，上面只是理论分析，真正要做实验的话，有两个难点：第一，分子、原子、原子核都在杂乱无章的做热运动，你怎么让它跟上图一样安静下来旋转？答案是给它降温。温度就是微观粒子热运动的一个表现，温度降下来了它们自然就不闹腾了，所以吴健雄做实验的时候把温度降到了只比绝对零度（-273.15℃，粒子不动的时候的温度，无法达到）高0.01K；第二，因为微观粒子具有不确定性，我不可能去观察一个原子核发射电子的方向，我只能观察一堆原子核衰变然后统计他们发射电子方向的概率。于是，我得让原子核都按照一定的方向旋转，这个技术叫原子核的极化，这在当时是妥妥的高科技。 这下子知道为什么说实验的难度巨大了吧，不过不管怎样，吴健雄完成了实验，她测量了一束钴60衰变放出电子的方向，证明宇称在弱相互作用下是不守恒的。实验结果出来的时候，吴健雄自己都不相信这个结果，她生怕这是哪里的实验误差导致的，于是小心谨慎的再回去检验。她也只把初步的实验结果跟杨振宁和李政道说了，并且让他们暂时不要对外公布，但是，显然杨、李二人对这个实验结果并没有那么吃惊，于是迫不及待的就告诉别人了。 消息一出，整个物理学界都震惊了！他们立刻去做其他验证宇称守恒的实验，结果实验准确无误的显示：在弱相互作用下，宇称原来真的不守恒！ ⑪ 宇称不守恒的影响 诺贝尔奖只是宇称不守恒一个很小的注脚。杨振宁和李政道在1956年10月发表了《对于弱相互作用中宇称守恒的质疑》的论文，吴健雄随后给了实验验证，诺组委立马把1957年的诺贝尔奖颁给了35岁的杨振宁和31岁的李政道。要知道爱因斯坦在1905年提出来光量子说和狭义相对论，1915年完成广义相对论，然后诺组委一直拖拖拉拉到1921年，也就是爱因斯坦42岁的时候才给颁奖。 因为宇称不守恒（即便只是在弱相互作用下）并不是一个局部性的理论发展，它影响了整个物理学界的方方面面，是囊括了分子、原子和基本粒子物理的一个基本革命。我在前面花了很大的篇幅给大家介绍了为什么对称性在20世纪物理学里这么重要（对称性对应守恒律），特别是爱因斯坦的相对论在时空对称方面取得的巨大成就，还有量子力学里对对称性的极度重视，使得那时候人们对对称性的信仰和依赖丝毫不比20世纪之前人们对牛顿绝对时空观的依赖弱。 20世纪初，洛伦兹、彭加莱这些人都已经走到狭义相对论的门口了，但是就是不愿意放弃牛顿绝对时空的概念，因此被年轻的爱因斯坦后来居上。20世纪50年代的时候，全世界都在为θ-τ之谜绞尽脑汁，但是费曼、泡利、朗道这样的物理学大师都不愿意假设宇称不守恒，从而让年轻的杨振宁和李政道后来居上。他们不愿意放弃宇称守恒，因为这些大师们太清楚对称性在物理学的重要程度了，而且基于他们的审美观念，他们绝不愿意相信上帝会是一个左撇子。 宇称不守恒的发现震碎了人们对上帝绝对对称的信念，迫使人们重新思考对称的问题，这一转向导致了后来许多深刻的发现。人们慢慢发现，上帝虽然喜欢对称，但是并不喜欢绝对对称，因为绝对对称必然导致大家都一样，从而缺乏生机（你想想如果全世界的人都长一个样，那将是多么恐怖的一件事）。假设宇宙在初期都是绝对对称的，那么所有的粒子和相互作用都一样，那么怎么会有后来引力、电磁力、强力、弱力的区分呢？所以，最开始的对称在一定条件下是会慢慢变成不对称的，这样对称就破缺了，对称破缺之后就出现了不同的东西。 比如现在已经知道了的：电磁力和弱力在早期就是完全同一种力，叫电弱力，后来随着宇宙的环境温度慢慢变化，发生了对称性破缺，电弱力就分成了现在的电磁力和弱力两种。电磁力和弱力的统一是二战后物理学的一个巨大成就，统一他们的是一种被称为杨-米尔斯的理论，而这个杨-米尔斯里的这个杨，正是我们这篇文章的主人公之一的杨振宁。其实，除了已经完全统一了的电弱相互作用，现在用来描述强相互作用的量子色动力学也是一种杨-米尔斯理论。正因如此，杨-米尔斯方程在现代物理学里极为重要，这是继麦克斯韦方程组和爱因斯坦引力场方程之后最为重要的一组方程。相比给杨振宁先生了带来诺贝尔奖的宇称不守恒，杨-米尔斯方程才是杨振宁先生的最高成就，也是东方人在物理学上的最高成就。
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