楊振寧和李政道究竟研究了什麼？史上最快的諾貝爾是如何誕生的

想象一下，如果有一天，你在照鏡子的時候，突然發現明明汗水往下流的你，在鏡子裡竟然有一滴汗水是向上流的，你是不是以爲自己見鬼了？

再想象一下，如果有兩個人，外貌、聲音、膚色全都一模一樣，就在你認爲這是一對雙胞胎的時候，發現這兩個人血型完全不一樣，你是不是以爲自己又見鬼了？

這兩件事，都可以用詭異來形容。如果你同時遇見了這兩件事，你的腦子是不是就像有兩個鬼一樣——炸了？

這樣的事當然不會真的發生，但是這兩件事都可以用來形容困擾了科學家許久的物理謎題，它們最終成就了楊振寧和李政道的諾貝爾獎。1957年，他們因爲發現了

弱相互作用下的宇稱不守恆

，成功摘下諾獎。

那麼，宇稱到底是什麼？它守恆與否有什麼意義呢？這件事如果想講清楚，你勢必會一臉懵逼地進來，又一臉懵逼地出去；如果講得太粗略，你又會覺得白白浪費了時間，什麼也沒學到。我思考了很久，今天決定儘量用通俗的語言，把你該知道的知識都告訴你，讓你理解什麼叫做弱相互作用下的宇稱不守恆。

θ-τ之謎

好吧，開篇就搞得這麼神秘，還有兩個奇怪的希臘字母。別擔心，我能給你說明白。

θ和τ是上個世紀物理學家發現的兩種粒子。我們知道，微觀粒子都比較“皮”，它們會發生衰變，變身成爲另一種微觀粒子。比如質子可以俘獲電子，變成中子。就像大力水手一樣，吃點菠菜就能變成有肌肉的大力水手。

注意：這種衰變和放射性原子的衰變並不相同，因爲這些粒子在衰變後形成的粒子還會衰變，這就相當於大力水手消化完了吃掉的菠菜，就又蔫了。不同的粒子“堅挺”的時間不一樣長，這個時間就叫做粒子的壽命。

這裡，我們要講到的，就是θ粒子和τ粒子的衰變。

物理學家發現，θ粒子和τ粒子是一對非常奇怪的粒子：它們的質量、電荷、壽命、自旋等幾乎完全相同這麼看來，它們應該就是同一個粒子，爲啥要起兩個名字呢？

原因就在於，這兩個粒子衰變的產物不一樣

。θ粒子衰變之後會產生2個π介子，而τ粒子衰變的結果是3個π介子

（這裡所有的粒子你都不必深究它們有何意義，因爲不影響我們理解宇稱守恆）。這裡大家不必考慮質量、電荷等屬性的問題，因爲物理學家發現這裡最重要的問題是：兩種衰變產物的總

宇稱數

是不同的。這就是著名的θ-τ之謎。

那麼問題來了：宇稱是啥玩意？要明白宇稱，咱們先來研究研究對稱。

對稱

宇稱，講的是物理學上的一種對稱性。

對稱在我們的生活中很常見，不過，在物理的世界，對稱還有着更深的含義。通常所說的對稱，就是一個圖形通過某種變換之後形狀不變，在物理學上可以把這個說法引申一下理解，那就是某個定律在某種屬性變換後仍然不變。

舉個例子，我們知道物理學上有一個定理叫做能量守恆。

能量守恆定律對應的叫做時間平移對稱性，意思就是不論什麼時候做實驗，這個定律都是成立的

。看到這句話，你可能覺得這是廢話。別急，物理學家們當初還覺得宇稱守恆是一句廢話呢，一會我們會講他們是怎樣被啪啪打臉的。

除了能量守恆之外，物理學上還有一種守恆叫做宇稱守恆。這個名字聽着就那麼牛x，不過也不難理解。宇稱守恆對應的不變性，叫做空間翻轉不變性。簡單來說，可以理解爲鏡像一樣的翻轉。也就是說，一種物質或者粒子遵循什麼定律，和它成鏡像關係的物質或粒子也遵循什麼定律。你可能會問：鏡子裡的世界都是假的，物理學家爲何要研究宇稱，難道他們腦子有病？

當然不是，這只是一種形象的比喻。物理學家當然不是真的去研究鏡子裡的世界，而是那些就像被鏡子反射的物理現象，比如反物質。

不過，θ粒子和τ粒子的衰變，對宇稱守恆提出了挑戰。那麼，它們是如何挑戰宇稱守恆的呢？

宇稱

宇稱有一個表達方式叫做宇稱數，通常用P表示，它有兩個值：+1和-1。怎麼理解呢？既然我們說宇稱大概就是鏡像的意思，那就可以繼續用鏡像的方式來理解。

假設你在玩陀螺，用順時針的方向將它轉起來。那麼，我們暫且規定這個順時針的方向是正向，也就是+，並且我們給它規定一個數值爲1，那麼它的“旋轉值”就是+1。如果你有一面鏡子，那麼從鏡子裡看這個陀螺，你會發現鏡子裡的陀螺是逆時針旋轉的，也就是負向的。不過，它的轉速和實際的陀螺是一樣的，所以它的“旋轉”值就是-1。

（圖片說明：在鏡像世界中，左手就變成了右手）

還是那句話，宇稱這件事不是真的爲了研究鏡子裡的世界，而是現實中的物理世界，只不過對於外行人來說，這樣的理解很方便。總之，在陀螺的例子中，現實中陀螺的宇稱數就是+1，鏡子中陀螺的宇稱數就是-1。

好了，搞定了這個，再回去看θ-τ之謎，就好理解了。

我們說過，θ粒子和τ粒子的衰變分別產生2個和3個π介子，而π介子的宇稱數是-1。

這就尷尬了，兩個-1的宇稱數的計算結果是什麼呢？簡單來說，做乘法就好了。或者回到陀螺的例子，兩個-1的宇稱數，相當於你用兩次鏡子進行反射。鏡子裡逆時針旋轉的陀螺在鏡子裡的鏡子裡就又會調轉回來變成順時針的方向，和現實中的陀螺是一樣的。同理三個-1的宇稱數就是再反轉一次，或者說再乘以一個-1。很明顯，結果也是逆時針的-1。

也就是說，θ粒子的宇稱數是+1，而τ粒子的宇稱數是-1。就像我們前面說的，它們其他所有屬性都完全一樣，怎麼偏偏宇稱數不同呢？這就是我們開篇時的那個例子：爲何兩個人長得完全一樣，只有血型不同呢？

這個問題的答案只能有兩個：要麼這兩個人不是雙胞胎，長得像只是巧合；要麼是這兩個人是雙胞胎，但是其中一個人的血型突變了。對於物理學家就是：要麼兩種粒子恰好長得像，要麼宇稱不守恆。

顯然，他們是不願意相信第二種可能的，因爲對稱或者說守恆這種事，對於他們來說就是奉爲圭臬的法則。尤其是宇稱這一點，我們用眼睛看就能證明：你什麼時候見過鏡子裡的物質不遵守牛頓定律了？你什麼時候見過鏡子裡的磁鐵吸引不了鐵釘了？因此，很多人寧願相信，可能這兩種粒子相似真的只是巧合。

正所謂“初生牛犢不怕虎”，有兩個毛頭小子偏偏就敢質疑這個法則：宇稱真的守恆嗎？

這兩個人，就是楊振寧和李政道。他們也不是要全盤否認宇稱守恆，因爲目前來看，除了θ-τ之謎以外，其他物理現象還是完美符合宇稱守恆的，誰也沒發現過鏡像的物質不遵從萬有引力定律的。

但是，楊李二人非常聰明，他們敏銳地意識到：這不代表衰變過程就遵從宇稱守恆的原則啊！就好像你看見的每一個活人，肯定在最近七天內都吃過飯。但是，這不代表這個人今天早上就一定吃過飯。因此，在θ粒子和τ粒子衰變的過程中宇稱到底守不守恆，這件事還不一定。

所謂的粒子衰變，其根本就在於四大基本作用力之中的弱相互作用。因此，他們思考的問題本質就是：弱相互作用下，宇稱到底守不守恆呢？

想要單獨觀測弱相互作用，有一個現象非常適合作爲觀測對象，那就是

β衰變

。所謂的β衰變，就是中子和質子相互轉化的過程。中子放出電子變成質子的過程叫做β-衰變，質子俘獲電子變成中子的過程叫做β+衰變（其中還伴隨着中微子的參與）。

（圖片說明：β衰變示意圖）

衰變的“動力”來自哪裡呢？正是弱相互作用。而β衰變從被發現開始就受到物理學家們的廣泛關注，參與了大量的實驗。因此，楊振寧和李政道決定：就從β衰變着手。

果然，當他們擺脫固有思維，以客觀的角度來審視這些實驗的時候，結果發現：

過往的物理學家們從沒有在β衰變的過程中檢測宇稱是否守恆，而是默認它是守恆的，然後加以忽略

這就好像你聽說了一句魯迅的名言，覺得很不錯，然後講給我聽。我覺得有道理，又講給另一個人聽。就這樣一傳十、十傳百，越來越廣泛，根本沒人考證這句話到底是不是魯迅說的。最終只有一個人翻閱了魯迅全集，發現——

以往的物理學家就像是聽着編造出來的魯迅名言的人一樣，認爲宇稱守恆是如此自然而然，所以從來沒人考慮去驗證一下。

既然沒有證明它是正確的，那麼本着科學家嚴謹的學術精神，就應該懷疑一下。於是，他們馬上就寫了一篇論文，投稿給了《物理評論》，題目就是《在弱相互作用中，宇稱是否守恆？》

雜誌社回覆道：“你問誰呢？我們要發的是論文，不是十萬個爲什麼。”於是，雜誌社將題目改爲：《

對於弱相互作用中宇稱守恆的質疑

》。

雜誌社話糙理不糙（雖然這句話是我編的），誰提出的問題，誰自己解決。楊振寧和李政道接下來的問題就是：如何驗證自己的猜想呢？

俗話說，在家靠父母，出門靠朋友。好在，美國有一位他們的老大姐——

吳健雄

東方居里夫人

吳健雄，1912年5月31日出生於江蘇省蘇州。這個名字乍聽像是男性的名字，但是吳健雄年少時實打實地是一個嬌小可人、容貌出衆、聰明伶俐的女孩。她最值得人們茶餘飯後討論的，就是對胡適的仰慕和兩個人之間的交情。

中華民國二十三年（1934年），吳健雄從國立中央大學物理系畢業，獲得學士學位。兩年後，她考入加州大學伯克利分校，師從物理學大師

歐內斯特·勞倫斯

（1939年諾貝爾獎得主）、

埃米利奧·吉諾·塞格雷

（反質子發現者，1959年諾貝爾獎得主）、以及

奧本海默

（原子彈之父，相信不需要多介紹），還曾經在

泡利

門下學習。

（圖片說明：吳健雄）

1944年，由於曾經在塞格雷指導下進行了鈾原子核裂變產物的實驗，尚未加入美國國籍的吳健雄，就參與了曼哈頓計劃（也就是美國研發原子彈的項目）。

吳健雄在β衰變方面做過許多精細的實驗，還在其他方面的實驗也都非常拿手，因此被當時的物理學界熟知。因此，她後來不僅被稱作“實驗女王”，還被稱作“東方居里夫人”、“核物理女王”、“物理學第一夫人”。

正所謂他鄉遇故知，楊振寧和李政道一想到美國還有一位如此可靠的中國學姐，又有着過人的實驗能力，彷彿就是註定要讓他們成名。就這樣，他們決定向吳健雄求助，通過實驗證明宇稱在弱相互作用下到底守不守恆。

鈷-60的實驗

（圖片說明：實驗女王吳健雄）

這個實驗，除了吳健雄之外，其他人還真不一定能做。原因有三：

就是他們的實驗能力是否足夠

他們和楊李二人又沒有交情，也不是同胞，沒必要幫他們

宇稱守恆這件事根本就不值得懷疑，沒有人願意浪費時間和精力。

吳健雄不一樣，她是實驗女王，做這種實驗並不難，她也樂意幫助自己的中國學弟。而且，她牢牢記得男神胡適的那句話：“大膽的假設，小心的求證。”

很多人都聽說過，在楊李二人找到自己的時候，吳健雄正準備和丈夫袁家騮（袁世凱的孫子）去日內瓦參加高能物理會議。結果，她就這樣放了袁家騮的鴿子，留下來幫助兩位學弟。

（圖片說明：吳健雄和泡利的關係非常好）

袁家騮還沒有什麼怨言，有一個人卻表示了不滿，那就是泡利。泡利對宇稱守恆堅信不疑，他曾經說過：“我不相信上帝是個弱左撇子！”（弱指的就是弱相互作用下）在聽說吳健雄要幫助兩個人做實驗後，泡利甚至說：“我跟你們打賭，賭什麼都行，反正這個實驗不可能成功！”

那麼，他們該怎麼驗證呢？我們貼圖如下：

（圖片說明：宇稱不守恆實驗簡略示意圖）

假設左邊原子核爲俯視的順時針方向旋轉，那麼我們用左手順着旋轉方向，大拇指伸出的方向就規定爲原子核旋轉方向。那麼，由於鏡子裡是對稱的，我們還是用左手定則規定，那麼鏡像的原子核旋轉方向就是向下。

接下來，原子核會衰變，釋放出電子。旋轉方向向上的原子核會向上射出電子，那麼，鏡像的原子核會怎麼射呢？如果它也是向上，那麼實際上射出電子的方向就和鏡像的原子核旋轉方向不同，宇稱不守恆。但是，如果它向下射出電子……鏡像世界竟然和現實世界不一樣，那恐怕就是靈異事件了。

當然，這裡說的鏡像不是單純去研究鏡子裡的世界。我們多次提過，鏡子只是一個假設，方便大家理解。很多人對宇稱的概念混亂，也搞不懂這種研究有什麼意義，就是在於科普的時候用了這個比喻，卻又不說明白，混淆了大家的理解。吳健雄拿來作對比的，其實是其他屬性相同，只有旋轉方向相反的原子核。

你可能又要問了：反正原子核是一個球，翻過來看，旋轉方向不就相同了？其實不然，兩個原子核的關係大概類似於高中化學中手性分子的關係，是相互對稱的，不是掉個頭就一樣了。換句話說，掉個頭雖然可以讓旋轉方向相同，但是其他參數的方向可能又反了。

這個實驗的難度是非常大的，因爲你很難

單獨觀測一顆原子核

。而且，

微觀粒子雜亂無章，到處亂跑，也給實驗帶來了相當大的難度

最終，三個人選擇以

鈷-60的衰變

爲研究對象，在-273.14℃，也就是僅比絕對零度高0.01℃的極低溫度下進行實驗。而對於無法單獨觀測一顆原子核的情況，他們退而求其次，通過實驗手段將許多原子核進行操作，讓它們朝同一個方向旋轉，然後統計發射電子的方向概率。

實驗結果正如我們今天看到的那樣：弱相互作用下宇稱果然不守恆！吳健雄本人也是非常震驚，反覆做了多次實驗，最終才告訴楊振寧和李政道，並且囑咐他們先不要對外公佈。但是，楊李二人早已經胸有成竹，馬上就寫成論文，於1956年10月發表了出去，證明：

在弱相互作用下，宇稱不守恆

這個結果一經發表，全世界的物理學家都震驚了。還是當初的那個比喻，他們的震驚程度無異於你在鏡子裡看見了不一樣的世界。

這個發現不僅是顛覆了物理學家的認知，還有着其他重大的意義。比如今天，科學家們正在嘗試考慮利用這個發現之後推導出的理論，解釋宇宙爲何是由物質組成的。

1957年，諾貝爾獎委員會決定，將當年的諾貝爾物理學獎頒給楊振寧和李政道。

從發表論文到獲獎如此之快，在諾貝爾獎的歷史上實屬罕見

。比如1956年的另一項重大發現——中微子，同樣暗示着宇宙的命運。但是直到1995年，發現者之一的萊萬才獲得了諾貝爾獎，而另一位發現者科溫當時已經gameover了。

打賭？打臉？

聽說吳健雄通過實驗真的證明了弱相互作用下宇稱的不守恆現象，泡利首先發來了祝賀。後來他自己也承認：多虧當初沒人真的跟我賭錢，否則我現在估計已經破產了。

（圖片說明：費曼，曾經也是宇稱守恆的信奉者）

除了泡利之外，還有一位物理學大神也爲此打了賭，那就是

費曼

。他的學生拉姆齊曾經也像楊振寧一樣想要做相關的驗證，但是始終得不到實驗的支持，費曼也對他講：“別整那些沒用的，有那時間乾點啥不好？我跟你賭1000美元，這實驗就算做了也是白做。”後來，這個數字又被改成了50美元。結果，隨着楊李二人實驗的成功，費曼老老實實賠付了一張50美元的支票給拉姆齊。就這樣，楊李二人得到了諾貝爾物理學獎，拉姆齊得到了50美元……

被自己老師耽誤的，又豈止拉姆齊一個人。

（圖片說明：前蘇聯物理學大師朗道，一生成就卓著，但在宇稱不守恆上留下了遺憾）

蘇聯物理學大師

朗道

的一個叫皮沙羅的學生在研究介子衰變的時候，也發現了宇稱不守恆的現象，並且寫了論文提交給朗道。朗道根本不屑一顧，直接扔到了一邊。等到諾貝爾獎頒佈的時候，朗道纔想起來：我去，我好像在哪看見過這個理論……

由此可見，一個人的成功，不僅取決於他們自己，還需要有一位伯樂。正所謂“

千里馬常有，而伯樂不常有

”。如果拉姆齊和皮沙羅曾經得到足夠的支持，那麼這項諾貝爾獎頒給誰，還真不好說。

但是，就算他們能夠搶先得到諾貝爾獎，恐怕楊振寧也未必就會心疼。說一句讓你吃驚的話，

弱相互作用下的宇稱不守恆，根本就不是楊振寧這一生的最高成就

。他的偉大之處，就在於提出了

楊-米爾斯理論

。正是這一個理論，

足以讓他和愛因斯坦、麥克斯韋等人相提並論

不過，那就是另一個故事了……