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大约两年前，整个科学史上最令人惊奇的发现之一诞生了。……我指的是由杨振宁和李政道在哥伦比亚大学做出的发现。这是一项最美妙、最独具匠心的工作，而且结果是如此的令人惊奇，以至于人们会忘记思维是多么美妙。它使我们再次想起物理世界的某些基础。直觉、常识——它们简直倒立起来了。这一结果通常被称为宇称的不守恒性……

一部物理学史，真是充满了离奇的事件，如果去掉那些令人生畏的数学公式和一些读起来令人别扭的专业名词，其离奇曲折的程度，绝不亚于一部福尔摩斯探案集。如果就“破案”的难度和技巧而言，那比后者还不知强多少倍。就拿β衰变来说，由于β能谱的连续性，使物理学陷入危机。为了解救这一危机，泡利独具一格的提出中微子假说，成功地解释了连续谱，而且拯救了能量和角动量两个守恒定律。泡利的功劳不可谓不大。

到了1956年，又是这个β衰变出了问题，引出了所谓的“θ-τ之谜”，威胁着另一个叫做宇称守恒的定律。泡利，这位在几十年前为拯救能量守恒定律立下丰功伟绩的“福尔摩斯”，又要重振当年雄风，继续拯救这个宇称定恒定律。哪知沧海桑田，这次他竟败在比他小将近30岁的、两位中国出生的年轻物理学家手下。这不真有点玄乎吗？可这都是事实。自然界比柯兰道尔^[4]更富有想象力。

物理学家对守恒定律有一种特殊的偏爱，这有着深刻的历史原因和现实意义的。从古希腊起，人们就试图从杂乱无章的自然界找到某种符合审美原理的一些形式，即希望在自然界找到和谐、秩序。而且，从一种纯思辩的原因出发，人们相信有理由希望自然界具有一种我们可以理解的秩序。令人惊奇的是，人们这种希望竟获得了极大的成功，守恒量和守恒定律的发现就是最突出的一个例子。

定恒量和守恒定律是物理学中非常重要的概念。有些量在一定的系统中，不论发生多么复杂的变化，都始终保持不变，如系统的总能量、总动量等。有了这种规律，自然界的变化就在其看来杂乱无章中呈现出一种简单、和谐、对称的关系，这不仅有着美学的价值，而且它能对物质运动的范围作出严格的限制，从而具有重要的方法论的意义。每一个读过高中物理的人，都有这种体会：有些题目如果用能量守恒定律来做，比用牛顿三大定律来做简单得多，几乎可以一下子就直接解出来，让人觉得十分舒服、痛快！在科学研究中也是如此，例如，在物理学史上，单纯从守恒定律出发，就曾做出过许多重大的发现，而且十分简便、痛快。例如中微子的发现，以及反粒子的预言，无一不雄辩地证实了这一事实。

守恒定律的普遍性引起了物理学家们的深思：在守恒定律的背后有没有更深刻的物理本质？19世纪末，人们才终于认识到，一定物理量的守恒是和一定的对称性相联系的。杨振宁教授（1922—）在1957年12月11日作的诺贝尔讲演中，曾详细谈到了这一关系。他说：

一般来说，一个对称原理（或者，一个相应的不变性原理）产生一个守恒定律。……这些守恒定律的重要性虽然早已得到人们的充分了解，但它们同对称定律间的密切关系似乎直到20世纪才被清楚地认识到。……随着狭义相对论和广义相对论的出现，对称定律获得了新的重要性：它们与动力学定律之间有了更完整而且相互依存的关系，而在经典力学里，从逻辑上来说，对称定律仅仅是动力学定律的推论，动力学定律则仅仅偶然地具备一些对称性。并且在相对论里，对称定律的范畴也大大地丰富了。它包括了由日常经验看来绝不是显而易见的不变性，这些不变性的正确性是由复杂的实验推理出来或加以肯定的。我要强调，这样通过复杂实验发展起来的对称性，观念上既简单又美妙。对物理学家来说，这是一个巨大的鼓舞。……然而，直到量子力学发展起来以后，物理学的语汇中才开始大量使用对称观念。描述物理系统的状态的量子数常常就是表示这系统对称性的量。对称原理在量子力学中所起的作用如此之大，是无法过分强调的。……当人们仔细考虑这过程中的优雅而完美的数学推理，并把它同复杂而意义深远的物理结论加以对照时，一种对于对称定律的威力的敬佩之情便会油然而生。

杨振宁教授的这段话言简意赅，但对尚未学习理论物理的人来说，似乎有点抽象，不太好懂。其实，我们学过的初、高中物理学中，有很多有关对称性方面的定律，只不过没有用“对称性”这样的深度来描述它罢了。例如，与能量守恒定律相联系的对称性，是时间平移的对称性，即物理规律在t时刻成立，那在另一时刻t′它也应该成立；与动量守恒定律相联系的对称性是空间平移对称性，即物理规律不因空间位置平移而改变，欧姆定律在湖北省武汉市成立，在美国纽约市也会成立，这就是“空间平移的对称性”。与角动量守恒相联系的是空间转动的对称性，即空间具有各向同性，物理规律不因空间转动而改变，麦克斯韦电磁定律在地球表面成立，在不断转动的空间站也成立。

上面提到的都是经典力学中的对称性，是最简单的一些对称性，它们反映了时间和空间是均匀的、各向同性的。这些对称性都是对某种“连续变换”的不变性。经典力学还具有左右对称性，即在空间坐标反射变换下的不变性。牛顿定律就具有空间坐标反射不变性。例如，质量为m的物体在外力F的作用下，沿AB作加速度为a的匀加速直线运动，且a=F/m；a、F、AB具有相同的方向。如果做空间反射［即用坐标（-x、-y、-z）代替坐标（x、y、z）］，运动轨迹则为A′B′，力F为F，F′与A′B′方向仍一致，牛顿定律为a=F′/m，即质量为m的物体的运动规律在空间反射下仍然不变。但这种左右对称性是一种分立变换下的对称性。经典力学虽然具有这种对称性，但却找不到相应的守恒量，因而不产生守恒定律。这样，左右对称性对于经典力学就不具有十分重要的实用意义。但是在量子力学中，分立变换下的对称性和连续变换下的对称一样，可以形成守恒定律，找到守恒量。这个守恒量被称之为“宇称”（parity）。

宇称的概念最早是由美国物理学家维格纳（Eugene Paul Wigner，1902—1995，1963年获得诺贝尔物理学奖）引入的。1924年，正在进行铁光谱研究的美国物理学家拉波特（Otto Laporte，1903—1971）发现，铁原子的能级分为两种，后来把它们分别称为“奇”、“偶”能级。如果只发射或吸收一个光子，则在这些能级跃迁中，能级总是由奇变偶，或由偶变奇。1927年5月，维格纳用严密的推导证明，拉波特的经验规律是辐射过程中左右对称的结果。维格纳的分析论证，正是借助于“宇称”和“宇称守恒”的观点。他将偶能级定义为带有正宇称，奇能级定义为负宇称。拉波特发现的规律正好反映了辐射过程中宇称守恒，即粒子（系统）的宇称在相互作用前、后不改变，作用前粒子系统宇称如果为正，作用后亦为正；作用前粒子系统宇称如果为负，则作用后亦为负。如果作用前、后宇称的正负发生了改变，则宇称不守恒。维格纳还指出，与宇称守恒相关联的对称性就是左右对称，或称空间反射不变。

维格纳的基本思想很快被吸收到物理学语言中。由于在其他相互作用中宇称守恒是毫无疑问的，于是这一思想就迅速被推广到原子核物理、介子物理和奇异粒子物理学中去。而且，这一推广应用似乎颇具成效，于是物理学家们确信，宇称守恒定律有如能量、动量等守恒定律一样，是一条普遍有效的规律。从宏观现象得到的左右对称的规律，也完全适用于微观世界。

在科学史上，科学家经常采用扩大已发现规律的应用范围，向未知领域进行探索。1959年诺贝尔物理学奖获得者之一塞格雷说过：

一旦某一规则在许多情况下都能成立时，人们就喜欢把它扩大到一些未经证明的情况中去，甚至把它当做一项“原理”。

宇称守恒定律的遭遇也正是这样。在1956年以前，它一直被视为物理学中的金科玉律，谁也没有想到去怀疑它。但到1956年，物理学家们的这一信念开始发生动摇。发生动摇的原因是出现了一种佯谬，即“θ-τ之谜”。

1947年，鲍威尔（C.F.Powell，1903—1969）用乳胶方法发现了12年前日本物理学家汤川秀树（H.Yukawa，1907—1981）预言的介子。不久，英国物理学家罗彻斯特（George Dixon Rochester，1908—2001）和澳大利亚物理学家巴特勒（Clifford Charles Butler，1922—1999）从宇宙射线中发现了一种中性粒子衰变为两个π介子的过程，这中性粒子后被称为θ粒子，其衰变过程为：

1949年，R.布朗（R.Brown）等人又发现一个新粒子，即τ粒子，它可以衰变为3个π介子：

由于θ，τ粒子具有一些先未曾预料到的性质，故被称为“奇异粒子”（strange particle）。根据实验测得，这两个粒子的质量、平均寿命非常接近，但其衰变方式不同：θ粒子衰变为2个π介子，因此宇称为正，而τ衰变为3个π介子，宇称为负。1953年，英国理论物理学家达里兹（Richard Henry Dalitz，1925—2006）和法布里（E.Fabri）根据实验指出，按照θ和τ的衰变公式，可以确定θ的宇称为正（亦称偶），而τ的宇称为负（亦称奇）。这当然不是什么了不起的问题，人们早就知道不同的粒子可以以不同方式衰变，正如不同的人可以以不同的方式死去一样。问题在于这两个粒子在物理学家看来似乎是同一个粒子，如果真是同一个粒子却不遵守宇称守恒定律，在当时看来这是不允许的。到1956年初，实验资料均证实了达里兹和法布里的论证。

于是，物理学家只能在两种选择中决定取舍：要么认为τ和θ粒子是不同的粒子，以挽救宇称守恒定律；要么承认τ和θ粒子是同一种粒子，而宇称守恒定律在这种衰变中失效。但是，左右对称这一原理毕竟具有那么悠久的历史，以致人们很难相信宇称会真的不守恒。所以，人们囿于传统的信念，开始根本不愿意放弃宇称守恒的观念，而是极力设法去寻找τ和θ粒子之间的某种不同，以证明它们是不同的粒子。但一切努力均劳而无功，τ 和θ粒子实在是无法区分。物理学家又一次陷入了迷惘和思索；同时，新的突破也在紧张的思索之中孕育着。这种情形正如杨振宁教授所说：

那时候，物理学家发现他们所处的情况，就好像一个人在一间黑屋子里摸索出路一样，他知道在某个方向上必定有一个能使他脱离困境的门。然而这扇门究竟在哪个方向上呢？

1956年9月，物理学家们听到了一个他们不愿意听到的建议，提建议的人却认为他提出的建议正是“脱离困境的门”。提这建议的人就是杨振宁和李政道（1926一）。在西雅图举行的一次国际理论会议上，杨振宁指出：

然而，不应匆忙即下结论。这是因为在实验上各种K介子（即τ和θ）看来都具有相同的质量和相同的寿命，已知的质量值准确到2至10个电子质量，也就是说准确到1%，而寿命值则准确到20%。……　这迫使人们怀疑……τ和θ不是同一粒子的结论是否站得住。附带地，我要加上一句：要不是由于质量和寿命的相同，上述结论肯定会被认为是站得住的，而且会被认为比物理学上许多其他结论更有依据。

接着，于10月1日，杨振宁和李政道在美国《物理评论》上发表了一篇名为《弱相互作用中宇称守恒的问题》的文章。他们在文章中指出，虽然在所有强相互作用中，宇称守恒的证据是强有力的：但在弱相互作用中，以往的实验数据对于宇称是否守恒的问题，都不能给出回答。虽然以前在分析实验数据时都预先假定宇称是守恒的，但实际上根本没有必要，也就是说，以前的实验安排得使宇称守恒或不守恒都不影响结果，因而整个衰变过程中，所完成的实验既不足以肯定、也不足以否定宇称守恒定律。原来物理学家由于一相情愿地认为在弱相互作用中宇称是守恒的，结果竟受到自然界的愚弄。他们两人认为，也许在弱相互作用中宇称根本就是不守恒的。而且他们还注意到，类似的情况不是唯一的，以前人们就知道至少有一个守恒定律（同位旋守恒）仅适用于强相互作用，而不适于弱相互作用。他们在文章中明确指出：

为了毫不含糊地肯定宇称在弱相互作用中是否守恒，就必须进行的实验……并加以讨论。

这儿我们需要简单介绍一下弱和强相互作用。物理学家通过对亚原子粒子50多年的研究，已掌握它们之间有4种不同的相互作用。现将其类型及强度列表如下：

关于电磁和引力相互作用人们比较熟悉，就不必多说。强相互作用是把核子结合在一起的力，以及核子和π介子之间的相互作用；弱相互作用是最典型的例子是原子核的β衰变，后来物理学家发现π介子衰变、中微子过程等都属于弱相互作用。

物理学家对弱相互作用的研究，从发现β射线算起到1956年已有半个多世纪，如果从费米提出β衰变理论算起，也有20多年。但由于人们从未怀疑过左右对称性，所以虽然对弱相互作用（尤其是β衰变）做过大量实验，却没有一个实验能证明弱相互作用中宇称是否守恒。

杨振宁和李政道的文章发表后，反应冷淡。当时在加利福尼亚理工学院任教的著名理论物理学家费曼曾回忆说，他对宇称不守恒的看法是：

我认为这种看法不一定能兑现，但并非不可能，而且这个可能性还是惊人的。数日后，实验物理学家诺尔曼·拉姆齐^[5]问我，是否值得让他为此做实验验证，以确定在β衰变中宇称守恒是否真的遭到破坏。我明确地回答，值得。虽然当时我感到宇称守恒肯定不会遭到破坏，但又感到也许有遭到破坏的可能，所以，设法澄清这一点是十分紧要的事。他问我：你说宇称守恒不可能遭到违反，那你是否愿意以100元对1元跟我打赌？我回答说：不行，但打50元的赌我倒情愿。他说：50元也行，这个赌可是打定了，我去做！不幸的是拉姆齐此后没时间去做这个实验。使我欣慰的是我这50元算保住了。

戴森（左2）和杨振宁（左3）、李政道（右1），左1是杨、李的好友阿伯拉罕·派斯。

费曼对宇称守恒的态度在当时来说还是比较高明的，而其他绝大部分物理学家还远不如费曼的认识水平，他们根本无法相信宇称竟会不守恒。普林斯顿高级研究院的戴森（Freeman Dyson，1923一）教授曾在《物理学的新事物》一文中，生动地描述了当时大多数物理学家的“蒙昧无知”。他写道：

给我寄来了一个副本（指李政道和杨振宁的论文），我看过了。我一共看了两遍。我说了“这个问题很有趣”一类的话，或许不是这几个字，但意思差不多。可是，我没有想象力，我连下面的话都说不出来：“上帝！如果这是真的话，那它就为物理学开辟了一个全新的分支。”我认为，当时除了很少数几个人外，其他物理学家也都和我一样，是毫无想象力的。

戴森的话一点也不夸张。例如被公认为物理直觉异常敏锐、而且在量子物理发展过程中几乎是战无不胜的泡利，在1957年1月17日给韦斯科夫（Vector Frederick.Weisskopf，1908—2002）的信中写道：

“我不相信上帝是一个软弱的左撇子，我愿出大价和人打赌，……我看不出有任何逻辑上的理由认为，镜像对称会与相互作用的强弱有关系。”

信也好，不信也好，这是只有实验才能决定的是非。但是，没有多少实验物理学家作出积极的响应。正如戴森在上面提到的文章中所说：

自然可以想象，在得知李、杨的模型后，所有的实验物理学家都会立即去做这个实验。要知道这里提出的正是盼望已久的、能揭示新的自然规律的实验。但是，实验物理学家们，除极少数人以外，仍然默默地继续从事原来的工作。只有在美国国家标准局工作的吴健雄和她的同事们有勇气花费半年的时间来准备这个有决定意义的实验。

大多数实验物理学家对验证宇称守恒的实验所采取的态度是：这个实验太难，还是让别人去做吧！

吴健雄（1912—1997）于1934年毕业于南京的中央大学，获学士学位。1936年，从浙江大学物理系考入美国加州大学伯克利分校，先后当过劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，1901—1958）和塞格雷的研究生。由于她刚强坚定的性格、敏锐的物理思想和高超的实验技术，而受到许多杰出物理学家的高度评价。塞格雷在他的《从X射线到夸克》一书中写道：

她的毅力和对工作的献身精神使人想起了玛丽·居里，但她更成熟、更漂亮、更机灵。她的大部分科学工作是从事β衰变的研究，并且在这方面作出一些重要的发现。

她还跟泡利工作过一段时间，泡利对她十分敬重，他曾说：

“吴健雄这位中国移民，对核物理这门科学的兴趣简直浓厚到了令人难以想象的程度。和她讨论核物理方面的问题，她会滔滔不绝，忘记了夜晚窗外早已是皓月当空。”

与吴健雄合作做验证宇称守恒实验的美国国家标准局的三位物理学家：安伯勒（右一）、海瓦尔德（右二）和哈德逊（左一）。

吴健雄需要约半年时间为实验做各种准备。由于实验需要使温度接近0.01K，而她当时所在的工作单位哥伦比亚大学实验室里，还没有获得这种制低温的装置，只有美国国家标准局才有这样的装置和熟悉制冷技术的工作人员。幸好标准局相信吴健雄做这项实验是必要的，于是吴健雄与物理学家安伯勒（Ernest Ambler，1923—）、海瓦尔德（Raymond W.Hayward，1921—）、霍普斯（Dale D.Hoppes，1928—）和哈德逊（Ralph P.Hudson，1924—）等人能在标准局开始紧张的准备和预测工作。这时，全世界物理学家都焦急、紧张地等待他们实验的结果。大部分物理学家期望实验的结果将再次使泡利的“拯救”成功，他们甚至相信只可能出现泡利预言的结果，否则，已经相当完美、和谐的理论将又一次面临可怕的混乱。

1957年1月15日，哥伦比亚大学举行了新闻发布会，著名物理学家拉比（Isidor Isaac Rabi，1898—1988）宣布吴健雄等人的实验明确无误地证实了在β衰变中宇称是不守恒的。第二天，《纽约时报》头版刊登了这一消息。

现在，人们很难想象当时物理学家在得知这一结果时的心情。他们感到极度地震惊。不少人还默默期望，在其他弱相互作用中字称也许仍然是守恒的。但是，以后所有的实验都毫无例外地证明：在强相互作用中，宇称守恒定律是不可动摇的，但在弱相互作用中，这个定律不起作用。

1957年1月27日，泡利又写了一封信给韦斯科夫，他在信中写道：

现在第一次震惊已经过去了，我开始重新思考。……现在我应当怎么办呢？幸亏我只在口头上和信上和别人打赌，没有认真其事，更没有形成文字，否则我哪能输得起那么多钱呢！不过别人现在是有权来笑我了。使我感到惊讶的是，与其说上帝是个左撇子，还不如说他用力时，他的双手竟是对称的。总之，现在面临的是这样一个问题：为什么在强相互作用中左右是对称的？

泡利的问题已经超越了本章θ-τ之谜的讨论范围。宇称既然在弱相互作用中已经肯定是不守恒的了，θ-τ之谜当然也就解开了。在结束本章之前，有一个问题也许应该引起我们的深思。

中国文化与欧洲文化是相辅相成的，应当互相学习。在杨振宁、李政道的理论获得吴健雄实验证实以后，西方人对中国文化是否对他们3人起了某种特殊作用，十分感兴趣。因为，这么一个重大的理论突破，从理论到实验恰好由3个中国年轻人完成，这大约不会是偶然的。美国一位杂志编辑小坎佩尔（James Campell，Jr.）推测，也许在西方和东方世界的文化遗产中有某种差异，促使中国物理学家去研究自然法则的对称性。《科学美国人》杂志的编辑伽德勒（Martin Gardner，1914—2010）则更有意思，他以中国的阴阳符号为例，说明中国文化素来强调不对称性。右图就是伽德勒所说的阴阳符号，由图中可以清楚地看出，阴阳符号是一个非对称分割的圆，并涂成黑白（或黑红）两色，分别代表阴和阳。阴阳表示了自然界、社会以及人的一切对偶关系，如善恶、美丑、雌雄、左右、正负、天地、悲欢、奇偶、生死等等，无穷无尽。而且最奥妙的是每一侧都有另一侧的小圆点，这意思是说阴中有阳、阳中有阴；丑中有美、美中有丑；奇中有偶、偶中有奇；生中有死、死中有生……这种不对称性的思想传统也许早就使杨、李受到潜移默化，使他们比更重视对称性的西方科学家易于怀疑西方的科学传统。

无论以上具体分析有多大学术价值，但东方文化（尤其是中国文化）远从莱布尼兹起，就受到西方杰出科学家的重视。英国科技史学家李约瑟（Joseph T.M.Needham，1900—1995）说：

“17世纪的欧洲大思想家中，以莱布尼兹对中国思想最为向往，许多文献里都载有他对中国的浓厚兴趣。”

到20世纪70年代以后，人们已经看到，科学的整体化时代正在到来，这时国内外开始惊讶地发现，在西方所谓系统、协同等新颖的观念和理论，在中国古代科学中竟然如此丰富，有的已形成了一定的理论体系，它们将会对现代科学中的综合起到巨大作用，可以帮助现代科学更有效地突破旧框架的束缚。1977年诺贝尔化学奖获得者普里高津曾经说：

我们正在向新的综合前进，向新的自然主义前进。这个新的自然主义将把西方传统连同它对实验的强调和定量的表述，同以自发的自组织世界的观点为中心的中国传统结合起来。

他还说：“中国文化是欧洲科学灵感的源泉。”

普里高津的话显然值得深思。

[1]希腊神话里有一个故事，在克里岛上有一个迷宫，里面有一头半人半牛的怪物。每年雅典人要被迫献出7对童男童女，供给这个怪物吃。雅典国王为此非常苦恼，把这件事告诉他的儿子忒修斯。忒修斯决定自己亲自入迷宫杀怪物。但迷宫的构造十分复杂，很难找到怪物，即使找到并杀死了怪物，自己也很难走出来。克里特公主阿莉阿德给了忒修斯一个线团，一头系在宫外。忒修斯边找怪物边放线。在找到并杀死了怪物后，顺着线走了出来。于是阿莉阿德的线团，就成了一个西方的谚语：比喻解决问题的办法。

[2]通常发光方式很多，但根据余晖时间的长短将晶体的发光分成两类：荧光（fluorescence，≤10¯8秒）和磷光（phosphorescence，≤10¯4秒）。余辉指激发停止后晶体发光消失的时间。

[3]斯库鲁支（Scrooge）和马雷（Marley）都是英国作家狄更斯《耶诞圣歌》一书中的特异人物。

[4]柯兰道尔（Sir Arthur Conan Doyle，1859—1930）是苏格兰物理学家和作家，他塑造的大侦探福尔摩斯风靡全球。

[5]拉姆齐（Norman F.Ramsey，1915—2011），美国物理学家，1989年获得诺贝尔物理学奖。