杨振宁和李政道 杨振宁和李政道究竟研究了什么？史上最快的诺贝尔是如何诞生的

想象一下，如果有一天，你照镜子的时候，突然发现镜子里有一滴汗水向上流，你觉得自己有鬼吗？

试想一下，如果有两个人，长相、声音、肤色都一样，当你觉得是一对双胞胎的时候，你发现这两个人的血型完全不一样。你以为你又有鬼了？

这两件事可以用诡异来形容。如果同时遇到这两件事，你的大脑是不是像两个幽灵一样——爆炸？

当然，这样的事情不会真的发生，但这两件事可以用来形容困扰科学家很久的物理谜题，他们最终获得了杨振宁和李政道的诺贝尔奖。1957年，他们因发现弱相互作用下的宇称非守恒而成功获得诺贝尔奖。

那么，到底什么是宇称呢？守恒与否有什么意义？要说清楚，必然是一脸逼进来，一脸逼出去；说得太粗，会觉得浪费了时间，什么都没学到。我思考了很久，今天决定用通俗易懂的语言告诉大家应该知道的一切，让大家明白弱相互作用下什么是宇称不守恒。

θ-τ之谜

嗯，开头好神秘，还有两个奇怪的希腊字母。别担心，我可以给你解释。

θ和τ是上个世纪物理学家发现的两种粒子。我们知道，微观粒子是相对“皮”的，它们会腐烂，成为另一种微观粒子。比如质子可以俘获电子，变成中子。就像大力水手，吃菠菜可以变成有肌肉的大力水手。

注意:这种衰变和放射性原子的衰变是不一样的，因为这些粒子衰变后形成的粒子也会衰变，相当于大力水手消化了他吃的菠菜，然后又萎顿了。不同的粒子有不同的“坚定”时间，这个时间叫做粒子的寿命。

这里我们要说一下θ粒子和τ粒子的衰变。

物理学家发现，θ粒子和τ粒子是一对非常奇怪的粒子:它们的质量、电荷、寿命、自旋等等几乎一模一样。那么，它们应该是同一个粒子，那么为什么要有两个名字呢？

原因是这两种粒子的衰变产物不同。θ粒子衰变后会产生两个π介子，而τ粒子衰变产生三个π介子。在这里，我们不必考虑质量、电荷等属性，因为物理学家发现这里最重要的问题是两个衰变产物的总宇称数不同。这就是著名的θ-τ之谜。

那么问题来了:什么是平价？要理解宇称，我们先来研究对称性。

对称的

宇称是指物理学中的一种对称性。

对称在我们的生活中很常见，但在物理世界中，对称有更深的含义。一般来说，对称是指图形经过一定的变换后，形状保持不变。在物理学中，这种说法可以引申理解为某一规律经过某种属性变换后保持不变。

比如我们知道物理学中有一个定理叫做能量守恒。能量守恒定律对应的是时间平移的对称性，也就是说无论什么时候做实验，这个定律都成立。看到这句话，你可能会觉得是废话。别担心，物理学家认为宇称守恒是一派胡言。后面我们会讲到他们是怎么被打脸的。

除了能量守恒，物理学中还有一个守恒叫做宇称守恒。名字听起来好牛逼，但也不难理解。宇称守恒对应的不变性称为空之间的反演不变性。简单来说，可以理解为镜子般的翻转。也就是说一个物质或粒子遵循什么规律，一个物质或粒子与它镜像关系遵循什么规律。你可能会问:镜子里的世界都是假的。物理学家为什么研究宇称？他们疯了吗？

当然不是，只是形象比喻。当然物理学家并不是真的研究镜子里的世界，而是镜子反射的反物质之类的那些物理现象。

然而，θ粒子和τ粒子的衰变对宇称守恒提出了挑战。那么，他们如何挑战宇称守恒呢？

平价

有一种表示奇偶的表达式叫做奇偶数，通常用p表示，它有两个值:+1和-1。怎么理解？既然我们说宇称大概是镜像的意思，那么我们可以通过镜像来继续理解。

假设你在玩陀螺，顺时针转动。那么，假设这个顺时针方向是正的，也就是，+，我们给它取值1，那么它的“旋转值”就是+1。如果你有一面镜子，你看镜子里的陀螺，你会发现镜子里的陀螺逆时针旋转，也就是负向旋转。但其转速与实际陀螺相同，因此其“旋转”值为-1。

还是那句话，宇称不是真的去研究镜子里的世界，而是现实中的物理世界，但是对于外行人来说，这种理解很方便。总之，以陀螺为例，现实中陀螺的奇偶性数为+1，镜像中陀螺的奇偶性数为-1。

好了，把这个做完，再回到θ-τ的奥秘，就好理解了。

我们说过，θ粒子和τ粒子的衰变分别产生两个和三个π介子，π介子的宇称数为-1。

这就尴尬了。二-1的奇偶数的计算结果是什么？简单来说，就是做乘法。或者回到陀螺的例子，两个-1的奇偶数相当于用镜子反射两次。镜子里逆时针转动的陀螺会在镜子里转回来顺时针转动，和现实中的陀螺一样。同理，3-1的奇偶性数再次反转，或者乘以1-1。显然，结果也是逆时针-1。

即θ粒子的宇称数为+1，而τ粒子的宇称数为-1。前面说过，它们的其他所有属性都是完全一样的，那为什么奇偶数不一样呢？这是开头的例子:为什么两个人长得一模一样，只是血型不同？

这个问题只有两个答案:要么这两个人不是双胞胎，两个人长得像只是巧合；要么这两个人是双胞胎，但是其中一个血型突变。对于物理学家来说，是这样的:要么这两个粒子看起来很像，要么宇称不守恒。

显然，他们不想相信第二种可能性，因为对称或守恒对他们来说是一个标准定律。尤其是宇称，我们可以用眼睛证明:你什么时候见过镜子里的物质违背牛顿定律？你什么时候见过镜子里的磁铁吸引不了指甲？所以很多人更愿意相信这两个粒子相似只是巧合。

俗话说“初生牛犊不怕虎”，两个小男孩就敢质疑这个规律:宇称真的守恒吗？

这两个人是杨振宁和李政道。他们并不想完全否定宇称守恒，因为目前除了θ-τ之谜，其他物理现象都与宇称守恒完全一致，也没有人发现镜面材料不符合万有引力定律。

但戴尔夫妇非常聪明，他们敏锐地意识到，这并不意味着衰变过程遵循宇称守恒原理。就好像你看到的每一个活着的人，最后七天肯定都吃过东西。然而，这并不意味着这个人今天早上一定吃过东西。因此，在θ粒子和τ粒子衰变过程中，宇称不守恒是不确定的。

所谓粒子衰变，在于四种基本力之间的弱相互作用。所以他们思考的问题本质是:弱相互作用下，宇称是否保持非守恒？

如果要单独观察弱相互作用，有一个现象非常适合观察，那就是β衰变。所谓β衰变，就是中子和质子转化的过程。中子把电子释放成质子的过程叫β衰变，质子把电子俘获成中子的过程叫β+衰变。

衰变的“力量”从何而来？就是弱相互作用。自从发现β衰变以来，物理学家们一直密切关注它，并参与了大量的实验。因此，杨振宁和李政道决定从β衰变开始。

果然，当他们摆脱了固有的思维，从客观的角度来看待这些实验时，发现过去的物理学家从来没有检测到宇称在β衰变过程中是否守恒，而是假设它守恒而忽略了它。

就好像你听过鲁迅的一句名言，觉得很好，然后告诉我。我觉得有道理，告诉另一个人。就这样广为流传，也没有人考证鲁迅是否说过这句话。最后，只有一个人翻阅鲁迅全集，发现——

过去的物理学家和听鲁迅名言的人一样，认为宇称守恒是如此自然，从来没有人考虑过验证它。

既然没有被证明是正确的，就应该以科学家严谨的学术精神去怀疑。于是，他们立即写了一篇论文，提交给《物理评论》，题目是“弱相互作用中宇称守恒吗？》

杂志回答说:“你在问谁？我们要发的是论文，不是10万为什么。”于是杂志把标题改成了“弱相互作用中宇称守恒质疑”。

杂志的话不糙，谁提问题谁自己解决。杨振宁和李政道的下一个问题是:如何验证他们的猜想？

俗话说，出门靠父母，出门靠朋友。好在美国有个姐姐——吴健雄。

东方的居里夫人

吴健雄于1912年5月31日出生于江苏省苏州市。这个名字乍听起来像一个男人的名字，但当吴健雄年轻时，她是一个娇小、可爱和聪明的女孩。她对胡适的钦佩和两人之间的友谊是饭后最值得讨论的。

民国二十三年，吴健雄毕业于中央大学物理系，获学士学位。两年后，她被加州大学伯克利分校录取，师从物理学硕士欧内斯特·劳伦斯、埃米利奥·基诺·西格尔和奥本海默，师从泡利。

1944年，尚未加入美国国籍的吴健雄参加了曼哈顿计划，因为他在西格尔的指导下进行了铀裂变产物的实验。

吴健雄在β衰变方面做了许多精细的实验，他在其他实验方面也很擅长，所以他在当时的物理学界很出名。所以她后来不仅被称为“实验女王”，还被称为“东方居里夫人”、“核物理女王”、“物理第一夫人”。

俗话说，杨振宁和李政道以为美国有这么一个靠谱的中国学长，有着超凡的实验能力，仿佛命中注定要成名。就这样，他们决定向吴健雄求助，并通过实验证明了弱相互作用下宇称不守恒。

钴-60实验

这个实验，除了吴健雄，其他人真的做不到。原因有三:

吴健雄不同。她是实验女王。做这样的实验并不难。她也愿意帮助她的中国同学。而且，她牢牢记住了男神胡适的一句话:“大胆假设，小心求证。”

很多人都听说过，当杨和李发现自己的时候，正准备和她的丈夫去日内瓦参加一个高能物理会议。结果，她放袁家骝鸽子，留下来帮助两个同学。

袁家骝没有抱怨，但有一个人表达了不满，那就是泡利。泡利坚信宇称守恒。他曾说:“我不信上帝是个软弱的左撇子！”听到吴健雄要帮两个人做实验后，保利甚至说:“我可以跟你打赌。这个实验无论如何都不能成功！”

那么，他们如何验证呢？我们的地图如下:

假设左边的核从上方顺时针旋转，那么我们用左手跟随旋转方向，我们拇指伸展的方向定义为核旋转方向。所以，因为镜子是对称的，我们还是用左手定则，所以镜像核的旋转方向是向下的。

接下来，原子核衰变，释放电子。向上旋转的原子核会向上发射电子，那么镜像原子核会如何发射呢？如果也是向上，其实发射电子的方向和镜像原子核的旋转方向不一样，宇称不守恒。然而，如果它击落电子...镜像世界与现实世界不同，恐怕是灵异。

当然，这里的镜子并不是单纯的去研究镜子里的世界。我们多次提到镜子只是一个假设，方便大家理解。很多人对宇称的概念很困惑，不明白这个研究的意义，就是在科普中用这个比喻，但是不理解清楚，混淆了大家的理解。吴健雄用来比较的其实是其他性质相同，只是旋转方向相反的原子核。

你可能又要问了:反正原子核是个球，你把它翻过来，旋转的方向就不一样了。其实不然，两个原子核的关系很可能和高中化学中的手性分子的关系类似，是彼此对称的，而不仅仅是相同。换句话说，虽然关闭头部可以使旋转方向相同，但是其他参数的方向可能相反。

这个实验很难，因为你很难观察到单个原子核。而且微粒杂乱无章，四处乱跑，也给实验带来很大的难度。

最后三人选择钴-60的衰变为研究对象，在-273.14℃下进行实验，仅比绝对零度高0.01℃。对于单个原子核不能单独观测的情况，他们退而求其次，用实验手段操作多个原子核，使其同向旋转，然后统计发射电子的方向概率。

实验结果和我们今天看到的一样:弱相互作用下宇称不守恒！吴健雄本人非常震惊。经过反复试验，他终于告诉杨振宁和李政道，并告诉他们不要向公众公布。但是，戴尔和他的妻子已经有了一个计划，他们立即写了一篇论文，并于1956年10月发表，证明了弱相互作用下宇称不守恒！

这个结果一公布，全世界的物理学家都震惊了。或者原比喻，他们就像你在镜子里看到了一个不同的世界一样震惊。

这一发现不仅颠覆了物理学家的认知，还具有其他重大意义。例如，今天，科学家们正试图用这一发现衍生的理论来解释为什么宇宙是由物质组成的。

1957年，诺贝尔奖委员会决定将诺贝尔物理学奖授予杨振宁和李政道。这么快就发表论文获奖，在诺贝尔奖历史上实属罕见。比如1956年的另一个重要发现中微子，也暗示了宇宙的命运。但是直到1995年，其中一位发现者莱文获得了诺贝尔奖，而另一位发现者柯文已经在玩游戏了。

打赌？打脸？

听说吴健雄通过实验证明了弱相互作用下宇称不守恒，泡利首先发来祝贺。后来他自己也承认了:幸亏当初真的没人跟我赌，不然我现在就破产了。

除了泡利，还有一个物理大神在上面打了赌，那就是费曼。他的学生拉姆齐曾经想像杨振宁一样做相关的验证，但一直得不到实验的支持。费曼也告诉他:“不要惹那些没用的东西，有时间怎么了？”我跟你赌1000美元。这个实验就算做了，也是白做。“后来，这个数字被改为50美元。结果，随着杨和李实验的成功，费曼老老实实地付给拉姆齐一张50美元的支票。这样，杨和李获得了诺贝尔物理学奖，拉姆齐获得了50美元...

拉姆齐不是唯一一个被自己老师耽误的人。

在研究介子衰变时，苏联物理大师兰道的一个叫毕沙罗的学生也发现了宇称不守恒现象，写了一篇论文，提交给了兰道。兰道干脆不理会，扔到一边。诺贝尔奖公布时，兰道记得:我去了，我好像在什么地方见过这个理论...

可见，一个人的成功不仅取决于他自己，还取决于有一个伯乐。俗话说“千里马是常事，伯乐不是”。如果拉姆齐和毕沙罗得到了足够的支持，很难说谁会获得这个诺贝尔奖。

然而，即使他们能先得诺贝尔奖，恐怕杨振宁也不会心疼。说一句让你吃惊的话，弱相互作用下的宇称不守恒根本不是杨振宁一生的最高成就。他的伟大之处在于提出了杨-米尔斯理论。正是这个理论让他和爱因斯坦、麦克斯韦等人相提并论。

但是那是另一回事...

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