宇称不守恒定律

宇称不守恒，这是中国很多人熟悉又陌生的一个词！

熟悉，因为这是全球华人的第一个诺贝尔奖，自然我们的课本和媒体会经常提到这个；奇怪，因为除了杨振宁和李政道发现宇称不守恒外，大多数人都不知道宇称不守恒是什么。

另外，相对于前沿理论物理中一大堆令人困惑的专业术语，“宇称不守恒”这个词看起来还是很亲民的。毕竟我们中学学过能量和动量守恒，对守恒的概念比较熟悉，“宇称”听起来和宇宙的某种对称性有关。然而，什么是宇称？为什么不守恒？为什么宇称不守恒对科学界的震动如此之大，以至于杨振宁和李政道在1956年6月提出宇称不守恒，1957年的诺贝尔物理学奖立马颁给了他们？

是的，宇称确实指的是一种对称。要理解宇称不守恒为什么如此重要，首先要理解对称性为什么如此重要。

那么，对称到底有多重要？这么说吧，如果没有对称性的指导，爱因斯坦不可能发现相对论，当代理论物理学家会集体像灯塔一样在黑暗中失明。物理学家大师费曼曾经说过，如果非要选一句话来概括现代科学最重要的发现，他会选“世界是由原子构成的”。许多当代最著名的物理学家认为，如果有机会再选一句话，那将是“对称是宇宙法则的基础”。

01什么是对称？

说到对称，很多人会想到从左到右严格对称的建筑，比如天安门广场，或者六瓣雪花，镜子里的帅帅本人，或者圆形、正方形、正六边形等纯几何图形。

是的，这个几何中的对称是最容易想到的。如果我们仔细思考这些对称性，会发现它们有的是关于一个中轴对称(天安门正方形)，有的是关于一个点对称(雪花、圆、正方形)，有的是关于镜子里的镜像对称。当然，你也可以认为天安门广场的对称性是一面插在天安门广场中间的镜子，但这不是重点。我的观点是对称的标准是可以改变的。

对称性的精确数学定义涉及到不变性的概念:如果一个几何图形在某些运算下保持不变，我们就说这个图形在这些运算下具有某种不变性。

一个圆无论旋转多少度，看起来还是那个圆，没有变化。我们说圆的图形在旋转操作下是不变的。简单来说，叫做圆具有旋转不变性。同样，我们用镜子照一个圆，镜子里的图形还是一个圆。我们可以称这个过程为通过镜子的反射，所以圆也具有反射不变性。可以想象，三角形、正方形甚至任何几何图形在镜子里都还是这样的图像，所以都具有反射不变性。

这是我们区分对称性的常见思维，但物理学家更倾向于另一种思维。

以旋转不变性为例，我们判断一个图形是否具有旋转不变性，试着转动图形，看是否和以前一样。这就是观察者不动，图形动，但物理学家更喜欢用另一种方法:图形不动，观察者动。

你什么意思？比如物理学家判断圆是否具有旋转不变性。他们不是旋转圆圈看它是否有变化，而是旋转观察者，让观察者从不同的角度看圆圈，看他们看到的是不是同一个圆圈。如果相同，就说圆具有旋转不变性。因为运动的相对性，观察者转圈不动和观察者转圈不动本质上没有区别。物理学家的方法会让处理复杂问题变得容易得多，你以后会意识到的。

我们上面说的对称只是几何图形的对称，但物理学家关心的不是几何图形，他们关心的是物理规律，也就是物理规律的对称。很多人第一次听到这个词可能会觉得陌生。几何对称很好理解。物理定律的对称性是什么？物理定律不就是一堆公式吗？为什么要考虑它们是否对称？

02物理定律的对称

为了理解物理定律的对称性，我们应该忘记我们头脑中的几何对称的画面，回到对称的更一般的数学定义。我们上面说过，对称性的精确数学定义会涉及到不变性的概念:如果一个几何图形在某些运算下保持不变，我们就说这个图形在这些运算下具有某种不变性。

如果把上述几何换成物理定律，自然可以得到一个判断一个物理定律是否对称的准则:如果一个物理定律在某些运算下保持不变，我们就说它在这些运算下具有某种不变性。

我们以旋转操作为例。我们来看看牛顿运动定律在旋转运算下是否不变，也就是说，牛顿运动定律是否具有旋转不变性。答案显而易见。例如，一个苹果从树上掉下来。无论我们从树上看，从树上看，从远处看，甚至从平面上看，都会看到苹果的下落过程符合牛顿运动定律:苹果向地心加速。一个俯瞰下落苹果的牛顿和一个仰望下落苹果的牛顿不可能总结出两个运动定律，也就是说牛顿定律符合旋转不变性，也就是说牛顿定律在旋转的运算下是对称的。

大家想一想，不仅是牛顿定律，我们现在发现的任何定律都是符合旋转不变性的，也就是旋转下的对称性。麦克斯韦的电磁学，爱因斯坦的相对论，量子力学，如果从不同的角度去看，会得到不同的电磁学和相对论定律。

我们再进一步想，旋转不变性的本质其实是空之间的各向同性。也就是说，只要空是均匀的，各个方向都是相同的，没有空，这里的密度高，那里的密度低，那么观察者从不同方向看到的物理规律肯定是相同的，也就是这些规律必须具有旋转不变性。

在这里我们看到，物理定律的旋转对称性其实与空的性质有关。你有没有一种模糊的感觉，对称不仅漂亮，还挺有用的？别担心，这只是看到了对称的力量的冰山一角，对称的力量还是很大的~

03诺特定理

物理学家研究对称性绝不好玩，因为对称性蕴含着巨大的能量。为了充分理解对称的力量，我们必须首先理解一个核弹级的定理:诺特定理。

诺特定理，顾名思义，是一个名叫诺特的科学家发现的定理。这位科学家就是艾米·诺特，著名的女科学家，被爱因斯坦形容为数学史上最重要的女性，也被誉为现代数学之母。关于诺特在数学方面的成就，我在这里就不多说了。她在物理学上最重要的成就是发现了诺特定理，让现代物理学家不再盲目。

诺特定理的表述很简单，就一句话，但内容却很深刻。它说的是连续对称性和物理学中的守恒定律是一一对应的。

我就不细说了，先来看看我们的想法。这句话的每一个字我们都懂，意思也很清楚，但是到底是什么意思呢？

对称性和守恒定律是对应的，也就是说每一个对称性都有一个守恒定律与之对应，每一个守恒定律也都有一个对称性与之对应？那不就是说我熟悉的能量守恒定律和动量守恒定律也对应着某种对称性吗？上述旋转对称和反射对称分别对应什么守恒定律？如果两者之间存在这样的一一对应关系，那么如果将来我在实验中发现了一个新的守恒量，是不是相当于发现了一个新的对称性？这真是不可思议…

是的，以上想法都是正确的。诺特定理是清楚的，不含糊的，没有歧义。就是这样！

另外，关于诺特定理中连续对称的连续性，我稍微解释一下:在经典力学中，和旋转对称一样，我们可以任意角度旋转，这显然是连续对称，而镜像对称要么在镜内，要么在镜外，只能取两个值，是不连续的。在经典力学中，守恒定律与连续对称性一一对应。但是到了量子力学，就完全没有连续性了，一切都是量子化的，所以这个区别就没有了。所以在量子力学中，即使是镜像的不连续对称也有相应的守恒定律。

为了让你更深入地理解诺特定理，我们先来看几个常见的例子。

04能量守恒定律的对称性

诺特定理说对称性对应守恒定律，那么就从我们最熟悉的能量守恒定律开始吧。因为能量是守恒的，所以根据诺特定理，存在与之对应的对称性。是什么对称？

这里就不吊你胃口了，直接告诉你，这种能量守恒对应的对称性叫做时间平移不变性。时间平移的不变性是什么？翻译就是时间流逝，移动。说的通俗一点，我今天做实验和明天做实验都遵循同样的物理规律。

哦，我现在明白了！有人说这不是废话。如果一个物理定律今天成立，明天不成立，那是什么样的定律？那么我们需要一把锤子来使用这个定律。没错。诚然，物理学家们努力寻找各种物理定律，以便利用这些定律来预测物体未来的运动。如果你来告诉我，这个定律只在一个时刻有效，下一个时刻就无效了，也就是没有时间去平移不变性，那我们能预测什么呢？

所以，很明显，我们现在所有的物理定律都符合时间平移的不变性。明白了这一点，你就知道为什么能量守恒定律适用范围这么广了吧？因为诺特定理告诉我们，只要物理定律是时移的，那么他就肯定了能量守恒，时移不变性看起来那么强，所以能量守恒就那么强。

现在这个关系是对应的，但是大多数人还是很疑惑:为什么能量守恒定律对应的是时间平移不变性，而不是其他对称性？具体证明过程比较复杂，这里就不说了。有兴趣的可以自己去查资料。我在这里提供一个简单的思路，让大家直观感受一下，没有时间平移不变性，能量为什么不守恒。

假设物理定律不服从时间平移不变性，这一秒的定律和下一秒的定律是不一样的。然后我向上扔一块石头，让它在短短一秒钟内到达最高点，然后它开始下落。我假设下落定律允许同样的重力在被抛起来的时候产生两倍的加速度。这时候，当它落到起点的时候，它的速度一定大于它被抛起来的初速度，它也有更多的能量。那么在扔石头的过程中，它通过空创造能量，所以能量显然是不守恒的。

了解了能量守恒的时间平移不变性，我就直接说后面两个大家熟悉的守恒的结果:动量守恒对应的是空之间的平移不变性(空之间的平移不变性是指北京和上海的物理定律相同，不同的空物理定律相同)，角动量守恒对应的是我们上面说的旋转不变性。有了这个概念，相信你在知道能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律只是对称性的体现之后，就不会再怀疑对称性在物理学中的重要性了。

那么，镜子的反射对称性呢？物理定律是否遵循反射对称？如果按照反射，它对应的守恒定律是什么？

05宇称不变性

经过这么多的准备，是我们文章的主角鱼雨出场的时候了。没错，这个对应镜面反射对称，也就是左右对称的守恒量就是宇称。宇称和物体的质量、电荷一样，是描述基本粒子性质的物理量。

所以我们说物理定律的宇称不变性，其实是指镜面反射对称后物理定律不变。简单来说，镜子里的世界和外面的世界遵循同样的物理定律。

如何通俗地理解这件事？比如我们每个人都有照镜子的经历。由于人体特殊的对称性，镜中的人看起来和镜外的人一模一样，只是左右颠倒。也就是说，如果镜子外面的人动了左腿，你会感觉到镜子里面的人动了右腿。如果此时外面还有一个足球，镜子外面的人会用左腿抬起足球，根据牛顿运动定律足球会被踢飞。同时我们会看到镜子里面的人会用右腿把足球踢向另一个方向。现在的关键是:镜子里面的人踢球的过程符合牛顿运动定律吗？

如果牛顿运动定律也满足，那么我们可以说牛顿运动定律在镜面反射对称下不变，即宇称不变性，那么这个过程就是宇称守恒。

想象一下，如果现实生活中真的有一个同卵双胞胎。如果双胞胎完全按照你照镜子时的姿势站着，照镜子时用右腿踢球，双胞胎的球和镜子里的球会遵循相同的轨迹吗？

答案是肯定的，镜子里的世界跟你一样遵循牛顿运动定律。根据牛顿运动定律，不可能区分镜内镜外的世界。如果你有魔力把镜子里的人和球挖到现实世界里，你会发现除了左右对立，他和你是一样的。他踢球的过程和你平时的感觉一模一样，踢出来的球还是一个漂亮的抛物线。

也就是说，牛顿运动定律具有严格的宇称不变性，按照牛顿运动定律发生的过程是严格宇称守恒的。其实不仅仅是牛顿运动定律，电磁力、引力、力等物理定律都是宇称不变的，它们主导的过程都是宇称守恒的。

但是剩下的弱力呢？

06从宇称守恒到宇称不守恒

宇称，也就是镜面反射对称，在我们的日常生活中太常见太熟悉了。镜中的世界与镜外的世界相比较，即左右互换。在镜子外面顺时针旋转的东西在镜子里面逆时针旋转。我们的直觉告诉我们，上帝应该是公平的，他没有理由偏袒左派或。相对论的成功大大深化了这一思想。

因此，宇称不变性和其他几个基本不变量(如时间平移不变性、空平移不变性、旋转不变性等)一样。)，被物理学家视为最基本的定律。作为最基本的意思，如果科学家发现任何似乎违背这个规律的东西，他们的第一反应不是这个规律有问题，而是有其他因素没有考虑进去。这里最明显的就是对应时间平移不变性的能量守恒。很多时候，物理学家发现一个物理过程不符合能量守恒。他们不是怀疑能量守恒有问题，而是去寻找什么新粒子或者新现象没有被发现，然后真的发现了这样的新粒子新现象，然后顺便去了一趟斯德哥尔摩。这一招屡试不爽。

宇称不变性和他的兄弟们一样，一路帮助物理学家克服困难，没有人怀疑宇称守恒的“忠诚”。直到有一天，两位才华横溢的物理学家从战火纷飞的中国走了出来:杨振宁和李政道。

首先，我们必须清楚，向物理世界中这些最基本、最明显的东西开火，需要极大的勇气和洞察力。这个最底层的基础一旦被动动摇，物理世界肯定会动摇，天翻地覆。粗略来说，我们上一次向这样的基本概念开炮，是爱因斯坦对牛顿绝对时间和绝对空的攻击，以及量子力学的革命。

我们已经熟悉了两朵乌云引发相对论和量子力学革命的故事。那么，为什么杨振宁和李政道向宇称守恒这样基本的东西开火呢？这个原因还得从弱相互作用说起，也就是常说的弱作用力。

07弱相互作用

我们在自然界中发现的所有作用力，最后都可以归结为这四种:引力、电磁力、强力和弱力。我们熟悉重力和电磁力。强作用力和弱作用力都发生在原子核内，我们通常是摸不到的。简单来说，强力是粘在质子、中子和夸克上阻止原子核分崩离析的力(否则质子带正电，它们之间同性电荷产生的排斥力早就把原子核扯下来了)，弱力是导致放射性原子核衰变的力，也就是中子变成质子、质子变成中子过程中的力。

弱力最典型的场景是β衰变。

我们都知道原子核是由质子和中子组成的，元素周期表中那种元素的顺序(所谓的原子序数)是按照质子数排列的。然而，原子核中的质子和中子并不总是固定的。在一定条件下，质子可以变成中子，中子也可以变成质子。这个相互变化的过程就是β衰变，弱相互作用力，也就是弱力在这个过程中起作用。

费米的理论是第一个描述弱力的理论，这个费米是杨振宁和李政道的导师。

08θ-τ之谜

上世纪四五十年代，科学家在宇宙射线中探测到许多新粒子，这些粒子在理论上是没有预言到的，因此被称为“奇异粒子”。因为宇宙射线中有很多不可控因素，为了更好的研究，人们开始自己制作粒子加速器。粒子加速器听起来很高大上，但是你使用的方式其实很简单粗暴:把一些粒子加速到很高的速度(所以它们有很高的能量)，然后把它们当枪用，让这些高能粒子去撞各种东西，看能不能撞出一些新的东西来。

然而，虽然技术简单，但效果显著:科学家们敲出了一堆奇怪的“奇异粒子”，其中物理学家最感兴趣的是θ和τ粒子。它们有一些非常奇怪和困难的特征，被当时的物理学家称为“θ-τ之谜”。

这两个粒子，θ和τ，寿命很短，很快就会衰变成其他粒子。物理学家也通过观察衰变来推测它们的存在。它们的奇怪之处在于，θ粒子衰变时会产生两个π介子，而τ粒子衰变时会产生三个π介子。

有人会说这有什么奇怪的？一个粒子衰变产生两个所谓的π介子，另一个产生三个，这不是很常见吗？一个粒子衰变产生几个介子不是合法的吗？

没错，光是看也没什么奇怪的。但是后来发现，这两个粒子θ和τ在电荷、自旋和质量上是完全一样的。两兄弟无论如何看起来都是同一个粒子，但衰变结果却不一样，令人尴尬。

更尴尬的是，澳大利亚物理学家达里茨仔细研究了这两种粒子，并用当时普遍接受的物理定律做了一个计算和分析。结果表明，θ和τ的宇称数不同，不可能是同一个粒子。

当时有人认为θ和τ是不同的粒子，有人认为是同一个粒子，但认为是同一个粒子的人无法解释为什么它们的衰变结果与宇称数不同(即宇称不守恒)。事实上，当时一些科学已经注意到宇称守恒的建立是一个重要的方向，但由于对称性在理论物理中如此重要，所以有必要质疑他们是极其聪明还是极其愚蠢。另外，宇称定律之前在粒子物理中已经用得很好了，所以只要提出宇称不守恒的观点，很快就会遇到冲突的地方。

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，他们必须首先解决所有相互冲突的问题，并解释为什么以前的相关现象不违反宇称守恒。

当然，他们做到了！

09弱相互作用下的宇称不守恒

如前所述，基本相互作用力中的强作用力和弱作用力都发生在原子核中，所以这两种力很容易混合在一起。即使有些物理学家觉得宇称可能不守恒，一旦认为宇称在强弱力下不守恒，肯定会遭遇满脑袋的包。

杨振宁和李政道敏锐地发现了这一点:把原子核结合在一起的是一种强力，原子核的衰变是一种弱力。如果分开来看这两个过程的对称性，也就是如果我只认为宇称在强相互作用力中守恒，而在弱相互作用力中不守恒，那么θ-τ的奥秘看起来就容易多了。

区分强相互作用力和弱相互作用力来讨论宇称是一个绝妙的想法。如果宇称在弱相互作用下不守恒，那么θ和τ粒子可以看作是同一粒子的不同衰变模式，于是杨振宁和李政道把目光投向了弱相互作用。因此，虽然θ和τ粒子的衰变过程也是弱相互作用，但我们对这种奇异粒子弱相互作用的认识是有限的。既然要研究弱相互作用，当然是最熟悉的弱相互作用。那么，最熟悉的弱相互作用是什么？大声说出来:

贝塔衰变！贝塔衰变！贝塔衰变！

答案当然是β衰变，于是杨和李立即计算并检验了过去的各种β衰变。结果他们发现，在过去所有的β衰变实验中，实验结果与β衰变中宇称是否守恒无关。这是一个令人震惊的结果，也就是说，在过去弱相互作用的β衰变实验中，宇称守恒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，还没有得到证实。

后来，杨振宁描述了他们对这个结果的反应:很长一段时间，人们在没有任何实验基础的情况下相信弱相互作用下的宇称守恒，这非常令人惊讶。然而，更令人吃惊的是，一个在物理学中如此广为人知的时间空对称性定律正面临破产。我们不喜欢这种前景，我们不得不考虑这样的情况，只是因为其他理解θ-τ奥秘的努力失败了。

现在一个新的问题来了:既然β衰变是一个典型的弱相互作用，为什么我们之前做的那么多β衰变实验恰恰与宇称守恒无关？经过一番苦思冥想，杨和李找到了问题的症结所在:为了通过实验检验弱相互作用中宇称是否守恒，必须测量赝标量(这是一个与原子核自旋和电子动量有关的物理量，所以有印象就够了)，而以前的β衰变实验没有测量过这个，所以实验结果与宇称是否守恒无关。

意识到这一点后，杨振宁和李政道重新设计了几个实验来检验宇称是否守恒，并将具体的实验方法和之前的分析写进了非常著名的论文《宇称在弱相互作用中守恒吗”，然后投了物理复习的票。但是论文发表的时候，论文的标题被杂志的编辑改成了对弱相互作用中宇称守恒的质疑，因为编辑认为论文的标题不应该是一个问题，虽然杨振宁认为前者好得多。

上图是这篇经典论文的截图。论文发表后，他们虽然详细讨论了“弱相互作用力下宇称不守恒”的问题，但也提出了一些可以检验的实验方法。但是因为宇称守恒过去各方面都那么好，而这些实验又不是那么简单，所以他们的论文一开始并没有引起什么热烈的反响。

10实验女王吴健雄

那时候，想让一个实验物理学家验证宇称是否守恒，还不是那么简单。实验物理学家考虑:是否值得做一个实验来验证宇称是否守恒？虽然杨振宁和李政道提出了几个具体的实验方案，但是这些实验难度很大，而且在当时的物理学家看来，宇称守恒是绝对可靠的，所以做这样的实验几乎是浪费精力。

这种想法在当时是极其主流的。

一位名叫拉姆齐的实验物理学家后来想做一个实验来验证宇称守恒。费曼告诉他，“那是一个疯狂的实验，所以不要再在它上面浪费时间了。”他还打赌10000:1的实验不会成功，后来改成了50:1，但因为橡树岭实验室不支持，拉姆齐不得不放弃。当奇偶性被实验证明后，费曼信守诺言，给拉姆齐开了一张50美元的支票，作为拉姆齐的安慰奖。被称为“上帝的鞭子”和“物理学的良心”的泡利目光锐利，听说吴健雄做了这个实验后，他说他愿意打任何赌，宇称必须守恒。后来他开玩笑说，幸好没人跟他赌，不然他就破产了(我不知道为什么这些物理学家这么喜欢，我们应该打110和911报警把他们都抓起来)。最严重的是兰道。朗道不仅公平地批评和质疑宇称守恒的观点，他的一个叫查皮劳的学生在研究介子衰变时也觉得宇称不应该守恒。他写了一篇论文给兰道审阅，兰道直接给他扔到一边。几个月后，杨振宁和李政道发表了宇称不守恒的论文，然后吴健雄用实验证明了这一点。第二年，他去斯德哥尔摩拿了爆款，兰道后悔了。

当然，我们也不能说，如果朗道没有忽略查皮罗的论文，苏联就能先发现宇称不守恒，然后先得个诺贝尔奖。因为当时质疑宇称守恒的人很多，但是仅仅质疑是没有用的。我们上面说过，从宇称不守恒出发，出门就得处处碰壁。杨振宁和李政道敏锐地意识到，在宇称守恒问题上，需要把强相互作用和弱相互作用分开。在关注了弱相互作用之后，他们去全面回顾了所有的β衰变实验，然后发现过去的β衰变实验与宇称守恒无关。然后他们发现这和所谓的伪标量无关，于是他们设计了一个包括测量伪标量的实验，得到了吴健雄的全力支持(想想拉姆齐的实验，橡树岭实验中心不支持，但是。所有这些环节缺一不可，不简单。你以为宇称不守恒就可以去斯德哥尔摩，炸药奖也不是那么好拿的。

吴健雄在这里的天才并不体现在实验设计得多么巧妙，而是在环境如此不利于验证宇称是否守恒的情况下(想想费曼、泡利和朗道)，她完全支持杨振宁和李政道的观点。她不仅要做实验，而且要快，在其他实验物理学家意识到实验的重要性之前。为此，她取消了日内瓦的高能物理会议和东南亚的讲座之旅。她和丈夫已经订好了“伊丽莎白女王号”的船票。结果，她公然放丈夫鸽子，让他一个人去了日内瓦，吴健雄留下来做实验。

吴健雄于1912年出生于江苏苏州，那一年满清王朝覆灭。她被称为“实验核物理的统治女王”和“东方居里夫人”。她参与了曼哈顿计划，成为美国物理学会的第一位女，是世界上最杰出的实验物理学家之一。

有这么优秀的吴健雄支持，实验当然没什么好担心的。但是我不会在这里告诉你们吴健雄的实验。我给你看一个更简单更直观的图像。下图是旋转的原子核衰变时放出一个电子的图像，中间有一面镜子。当我们从上面往下看时，镜子外面的原子核顺时针旋转，而镜子里面的原子核逆时针旋转。也就是说，旋转核的镜像旋转方向与自身相反。物理学家一致认为，左手是旋转方向，拇指是原子核旋转方向。所以如箭头所示，静态外的原子核旋转方向是向上的，而镜内的原子核旋转方向是向下的。

我们也很容易想象，虽然镜子内外的原子核旋转方向相反，但是如果外面的电子飞起来了，镜子里面的电子也飞起来了，这是符合常识的，也没什么奇怪的。这是宇称守恒时的样子。但是，如果有一天你看到镜子里的电子其实是向下发射的，你会觉得有鬼吗？

当然，物理学家说的镜像，并不是真的照镜子。不管镜子怎么看，一定是这样的。他们的意思是:如果我找到另一个原子核，并使它和镜子里的原子核一模一样(即大小和质量相等，但旋转方向不同)，我们就说这两个原子核是彼此的镜像。

然后我会观察这个镜核。如果它像镜子里一样向上发射电子，那么它是宇称守恒就不足为奇了。如果它发射电子的方向与镜面相反，也就是向下发射电子，那么宇称不守恒。

当然，以上只是理论分析。如果真的要做实验，有两个难点:一是分子、原子、原子核都在无序地做热运动。怎么能让它们像上图一样安静的旋转呢？答案是降温。温度是微观粒子热运动的表现。温度降低了，他们自然就不吵了。所以吴健雄做实验时，把温度降低到只比绝对零度高0.01K(-273.15℃，粒子静止时的温度，这是达不到的)；第二，由于微观粒子的不确定性，我无法观察到一个原子核发射电子的方向。我只能观察一堆原子核的衰变，然后统计它们发射方向的概率。所以，我必须让原子核朝某个方向旋转。这个技术叫原子核极化，在当时是一个合适的高科技。

现在你知道为什么这个实验如此困难了，但无论如何，吴健雄完成了这个实验。她测量了一束钴60衰变释放的电子方向，证明了弱相互作用下宇称不守恒。当实验结果出来时，吴健雄自己都不相信这个结果。她怕是某个实验误差造成的，回去仔细检查了一下。她只告诉杨振宁和李政道初步的实验结果，并告诉他们暂时不要公开。然而，很明显，杨和李对实验结果并不感到惊讶，所以他们迫不及待地告诉其他人。

消息一出，整个物理学界都震惊了！他们马上去做其他实验来验证宇称守恒。结果实验准确的说明了弱相互作用下宇称真的不守恒！

11宇称不守恒的影响

诺贝尔奖只是宇称不守恒的一个小注脚。1956年10月，杨振宁和李政道发表了一篇论文《质疑弱相互作用中的宇称守恒》，吴健雄对此进行了实验验证。诺贝尔委员会立即将1957年诺贝尔奖授予了35岁的杨振宁和31岁的李政道。要知道，爱因斯坦1905年提出光量子和狭义相对论，1915年完成广义相对论，然后诺贝尔委员会一拖再拖，直到1921年，爱因斯坦42岁。

因为宇称不守恒(即使在弱相互作用下)不是局部的理论发展，它影响到整个物理领域的方方面面，是一场包括分子、原子和基本粒子物理的基础革命。我在前面花了很多时间介绍为什么对称性在20世纪的物理学中如此重要(对称性对应守恒定律)，尤其是爱因斯坦的相对论在时间空对称性方面取得的巨大成就，以及量子力学对对称性的极度强调，使得当时人们对对称性的信仰和依赖不亚于20世纪之前对牛顿绝对时间空观的信仰和依赖。

20世纪初，洛伦茨和庞加莱都走到了狭义相对论的门口，但他们就是不想放弃牛顿的绝对时间概念空，所以被年轻的爱因斯坦赶上了。20世纪50年代，全世界都在为θ-τ之谜绞尽脑汁，但费曼、泡利、朗道这样的物理学家不愿意假设宇称不守恒，使得年轻的杨振宁和李政道后来居上。他们不想放弃宇称守恒，因为这些大师们太清楚对称性在物理学中的重要性，基于他们的审美观念，他们从来不愿意相信上帝会是左撇子。

宇称不守恒的发现，粉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，导致了后来的许多深刻发现。人们逐渐发现，上帝虽然喜欢对称，但不喜欢绝对对称，因为绝对对称必然导致每个人都一样，从而缺乏活力(想想如果全世界的人长得都一样，那该有多可怕)。假设宇宙一开始是绝对对称的，那么所有的粒子和相互作用都是一样的，那么后来怎么会有引力、电磁力、强力和弱力之分呢？所以最初的对称在一定条件下会逐渐变成不对称，这样对称就会被打破，对称被打破后就会出现不同的东西。

比如现在知道电磁力和弱力在早期完全是一个力，叫做电弱力。后来随着宇宙环境温度的逐渐变化，对称性破缺发生，电弱力分为两种。电磁力和弱力的统一是二战后物理学的一大成就。它们被一个叫做杨-米尔斯的理论所统一，而这个杨-米尔斯中的杨正是我们文章的主人公之一。其实除了完全统一的电弱相互作用，现在用来描述强相互作用的量子色动力学也是一种Young-Mills理论。正因如此，Young-Mills方程在现代物理学中极其重要，是继麦克斯韦方程组和爱因斯坦引力场方程之后最重要的一组方程组。与给先生带来诺奖的宇称不守恒相比，杨-米尔斯方程是先生的最高成就，是东方人在物理学上的最高成就。

至于杨-米尔斯方程，以后我会给你更详细的介绍。虽然年轻的米尔斯-方程和规范场很复杂，但我还是会尽量用非常通俗的语言和清晰的逻辑给大家讲清楚，只需关注我的微信官方账号，怕错过。微信官方账号全是自己写的文章。其实大家都不要怕，不要被一堆公式吓到。宇称不守恒一样麻烦复杂。不过一路看到这里的朋友，我相信宇称不守恒的基础基本清楚了。看，现代物理没有我想象的那么可怕~

12结语

文章最后，我想和你谈谈科学以外的东西。

宇称不守恒震惊全球后，人们开始思考，为什么是两个中国人(宇称不守恒的论文发表于1956年，杨振宁和李政道分别于1964年和1962年加入美国国籍，所以当时都是中国公民)引导物理学界跨过这个坎，解决了“物理理论的基本结构”问题？刚刚加入美国国籍的中国科学家吴健雄坚持用实验来验证宇称是否守恒。

美国杂志编辑坎贝尔推测，也许是东西方的一些文化差异促使中国科学家研究自然规律的不对称性。《科学美国人》主编、著名科普作家马丁·加德纳(Martin gardner)认为，中国文化一直重视不对称，而中国文化中极其重要的太极图就是一个不对称划分的圆，其中黑色和白色代表阴阳。阴阳代表了自然、社会、人的一切二元关系，如善与恶、美与丑、男与女、左与右、正与负、天与地、奇偶、生死……无穷无尽。而且最奇妙的是每种颜色都有另一种颜色的小圆点，代表阴中有阳，阳中有阴；美中有丑，丑中有美；生有死，死有生；对称中有不对称，不对称中有对称…这种不对称的思想传统可能潜移默化地影响了杨振宁和李政道，使他们比重视对称的西方科学家更容易打破西方科学传统保守的一面。

我们熟悉太极图，我也明白阴阳相生的道理。马丁·加德纳的说法有没有道理，我这里就不妄下结论了，大家自己去想吧。

最后，经过几十年的研究，人们基本搞清楚了宇称在弱相互作用下是如何不守恒的，但对于宇称为什么不守恒，尤其是宇称为什么在其他三种相互作用下守恒，而在弱相互作用下不守恒，仍然感到困惑。

这个接力棒就交给你了~