要先了解楊振寧的思想

故事要回到1950年代。

當時粒子物理學是個非常熱門的研究領域。物理學家花了大量的時間來理解那些新發現粒子的性質：它們的電荷、自旋、質量和衰變等等。其中有兩個粒子（θ 和 τ）特別有意思，它們會分別衰變成兩個和三個 π 介子：

越來越多的精確實驗顯示 θ 和 τ 有幾乎相同的質量和壽命，暗示著它們可能是同一種粒子，只是有兩種不同模式的衰變。這並沒有什麼奇怪的，除了它違反了宇稱守恆定律：根據該定律，兩個 π 介子的宇稱為+1，三個 π 介子的宇稱則為 -1。如果 θ 和 τ 是同一種粒子，它可以衰變為 +1的宇稱，也可以衰變為-1的宇稱。因此，宇稱不守恆。而這絕對不可能！這個困境被稱為 θ - τ 之謎。在1953年 - 1956年間，這個問題逐漸被認為是粒子物理學的一個關鍵問題。

△ 楊振寧教授（左）和李政道教授（右）。（圖片來源：http://www.ktgss.edu.hk/academic/physics/phyindex/files/PhysicsStarYang.htm）

從1955年到1956年，楊振寧和李政道向這個問題發起了進攻，他們想出了許多解釋方案。其中一個就跟宇稱不守恆有關。

在粒子物理學中，宇稱就是所謂鏡像對稱性。當你照鏡子的時候，鏡中的你跟現實中的你正好左右相反。如果你舉起右手，鏡像中的你就會舉起左手。鏡中的你心臟在右側，身上的錶針逆時針走。

△ 宇稱對稱性：左邊是原來的時鐘，右邊為鏡中的時鐘。（圖片來源：Wikipedia）請點擊此處輸入圖片描述

現在想象有一個鏡像宇宙，在這個宇宙中所有的東西都是相反的。在這個宇宙中，太陽會打西邊升起，從東邊日落等等。但基本上沒有任何其它東西會改變，事實上我們只要把左邊和右邊的概念對換一下就會跟我們身處的這個宇宙沒有任何區別。至少，這種情景在宇稱守恆的前提下是正確的。在大多數情況下，自然並不區別左和右，宇稱是守恆的。左右對稱是如此的深入人心，可想而知當宇稱不守恆被提出來的時候，在當時看來是多麼的驚世駭俗。

△ 當時已知的四種基本相互作用。從左至右分別為：電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用和引力。當時物理學家認為這些基本相互作用應該都遵守宇稱守恆。（圖片來源：Stichting Maharishi University of Management, the Netherlands）

1956年4月3日-6日，在紐約羅切斯特召開的高能物理會議上，θ-τ之謎引起了很多討論，但沒有一個解決方案是令人滿意的。楊振寧在對該謎題做了總結報告后，引發了更激烈的討論。在回答理查德·費恩曼提出的關於宇稱不守恆的可能性中，楊振寧回答，他和李政道曾分析過這種可能性，但還沒有得到確切的結論。

△ 費恩曼（左）和楊振寧（右）。（圖片來源：GettyImages）

楊振寧和李政道並沒有放棄探索這個難題。在1956年4月末或五月初的一天，他們二人來到了紐約的一家中餐館。據回憶，當他們坐下來的時候，腦中迸發出了一個重要的想法：支持宇稱守恆的證據皆來自電磁相互作用的過程（如原子發光）或強相互作用的過程（如兩個原子核的散射）。那時，θ - τ 衰變在1956年已經被確定為由弱相互作用所決定。在兩到三個星期後，通過許多的計算，他們證明了所有此前的β衰變實驗實際上都太過於簡單無法檢驗在β衰變中的宇稱是否守恆。因此在弱相互作用中宇稱守恆仍值得探討，他們也提出了許多實驗方法來檢驗。

△ 李政道和楊振寧關於弱相互作用中宇稱不守恆的論文。（圖片來源： Lee, T. D. & Yang, C. N.）

他們的論文在1956年6月完成，之後發表在《物理學評論快報》【2】。當時這並沒有引起關注。泡利在寫給維克托·魏斯科普夫的一封著名信件中寫道：「我不相信上帝是個弱左撇子…」 當時實驗物理學家並不想嘗試他們在論文中所提出的實驗，因為沒有一個是簡單的。此外，物理界普遍認為他們的提議並不能解決θ - τ 之謎。泡利和費恩曼都為此下了賭注，認為宇稱必定守恆。

在他們眾多的實驗提議中，有一個涉及自旋的原子核。（對原子不熟悉的讀者可以閱讀《你腦海中的原子模型是什麼樣的？》）

為了便於理解，這裡我定義一下一個自轉物體的自旋方向。假想把你的左手手指圍繞著一個自轉物體（比如自旋的原子核）彎曲起來，手指的方向和轉動物體表面的運動方向一致。我們定義自旋的方向為拇指所指的方向。

李政道和楊振寧建議研究一個自旋的放射性原子核。在放射性原子核中，原子核有一定的幾率發生衰變。如果弱相互作用決定衰變，則此幾率是很小的。發生衰變的原子核會放出一個電子和一個中微子。後者無法在實驗中觀測到。

現在，射出的電子是沿哪個方向運動成為了關鍵。假定在現實世界中，電子沿原子核自旋方向（向上）射出。在鏡中，原子核的自旋方向向下，電子則沿原子核自旋的相反方向射出！那麼，如果宇稱守恆，電子應該在核自旋方向和相反方向有相同的射出幾率。

因此自然是否區分左右，這個重任就落到了實驗身上。如果我們在實驗中能夠記錄到電子更多沿核自旋方向射出，我們就可以得出結論：宇稱不守恆。

當時在哥倫比亞大學的吳健雄教授是β衰變實驗方面的權威，她對楊振寧和李政道的想法產生了極大興趣，當即取消了暑假旅行，立即著手工作。

雖然，上面的理論聽起來很簡單，但是要通過實驗證明則需要克服巨大的困難。例如，首先吳教授需要大量自旋的原子核，而且必須把這些原子核自旋排列起來，實驗才能奏效，因此需要在極低溫的環境下進行實驗。

△ 吳健雄教授的實驗示意圖。（圖片來源：Wikipedia）

1957年初，吳教授和她的合作者發表了實驗結果【3】：電子主要從一個特定方向射出，在β衰變中宇稱不守恆。整個物理界被這一結果驚得目瞪口呆！由於β衰變只是弱相互作用的一種類型，物理學家需要驗證楊振寧和李政道建議的其它實驗。短短几年內，許多實驗室都著手不同的實驗，結果表明，在所有弱相互作用過程中，宇稱都不守恆。

△ 左邊為泡利，右邊為吳健雄。（圖片來源：LAPP）

楊振寧和李政道為此獲得了1957年的諾貝爾物理學獎。而他們的工作也直接或間接的導致了粒子物理學家在接下來的歲月中把精力集中在研究不同的對稱性。

宇稱不守恆的發現深刻的改變了我們對自然先入為主的概念，自然遠遠要比我們想象的更加聰明，以及善於隱藏。同時，它的發現對於我們理解物理世界有著非常及時的和意義深遠的衝擊。

而這僅僅只是楊振寧教授的貢獻之一。他在理論物理學的貢獻包含了許多領域，從粒子物理學到統計力學再到凝聚態物理學，對抽象理論和現象學分析都產生了重大的影響。在他13項重大的科學貢獻中，楊-米爾斯理論才是最重大的貢獻。

我相信，當你真正了解到楊教授的工作所帶來的意義后，就會被他的思想所折服。我想，他在他人生中的每一個決定都有其非凡的意義。

參考資料：

【1】http://insti.physics.sunysb.edu/~yang/yangbio.pdf

【2】http://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.104.254

【3】http://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.105.1413

【4】A.Zee，《Fearful Symmetry: for beauty in modern physics》

文/正恩 原理（principia1687）

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