各位同學大家好！我是李永樂老師。

楊振寧先生出生在1922年10月1日，到今天剛好100歲。他是當今中國乃至世界最首屈一指的物理學泰斗，他的成就可以與愛因斯坦比肩。但是大部分網友熟悉楊先生，還是因為1957年，他和李政道一起提出了“弱相互作用下宇稱不守恒”，共同獲得了諾貝爾物理學獎。這是中國人第一次獲得諾貝爾獎。

許多網友問我：這個“弱相互作用下宇稱不守恒”到底是啥意思呢？它為什么這么重要呢？為什么說楊振寧是當今最偉大的物理學家呢？在楊振寧先生百年華誕之日，我們再來講講這個問題，為楊先生祝壽。

01??對稱與守恒

首先，我們要討論一下物理學中“對稱”與“守恒”的關系。

20世紀初，德國著名女性數學家埃米·諾特提出了諾特定理，她說：系統(tǒng)中每個連續(xù)的對稱性，都會對應著一個守恒量。

比如：物理規(guī)律都滿足時間平移對稱性，意思是說，今天的物理規(guī)律和明天的物理規(guī)律是完全一樣的，物理規(guī)律不會隨著時間發(fā)生變化。根據諾特定理，這種對稱性一定對應了物理學中的一個守恒量，這個守恒量就是能量。

為什么呢？我們用反證法來證明：假設物理規(guī)律會隨時間變化，那么能量必定不守恒。

我們可以這樣做：假設萬有引力常數會隨著時間逐漸地越變越大，那么我就可以在今天消耗能量舉起一塊石頭，明天再讓這個石頭落下來，釋放出能量。因為明天的萬有引力常數大了，所以石頭下落時，可以釋放出更多的能量。這樣一來，通過一個循環(huán)，我在不引起任何其他變化的情況下，憑空造出了能量，所以能量就不守恒了。根據原命題等價于逆否命題，如果能量守恒，那就必然得出萬有引力常數不能隨時間變化，這就是時間平移對稱性。

物理規(guī)律除了滿足時間平移對稱性以外，還要滿足空間平移對稱性——一個物理實驗在中國做還是在美國做，得出的規(guī)律是一樣的。就算拿到火星上去做，結果也是如此?？臻g平移對稱性對應了物理學中的動量守恒。

此外，物理規(guī)律還要滿足空間旋轉對稱性——向東扔一個籃球，和向南扔一個籃球，得到的物理規(guī)律是相同的。空間旋轉對稱性，對應了物理學中的角動量守恒。

最初，諾特認為：對稱量應該是連續(xù)可微的，也就是可以一點點地改變。比如時間的平移、空間的平移和旋轉都是連續(xù)可微的。但是后來人們又發(fā)現了一種不連續(xù)的對稱性——鏡像對稱，物理規(guī)律也普遍滿足鏡像對稱。

例如：我扔出一個籃球，籃球會經過一條拋物線軌跡。如果在我對面有個鏡子，鏡子里邊的籃球也會經過一個拋物線軌跡。你會發(fā)現：不管是鏡子外面的世界，還是鏡子里面的世界，物理規(guī)律也是完全一樣的。如果你只看籃球經過了一個拋物線，是沒有辦法區(qū)分這個世界到底是鏡中世界還是鏡外的世界的，這就是物理規(guī)律的鏡像對稱性。

鏡像對稱又對應了一種什么守恒呢？1927年，美國物理學維格納提出：物理規(guī)律的鏡像對稱對應了宇稱的守恒。

02??宇稱

什么是宇稱？這個概念不好理解。但是我們上中學的時候學過奇函數和偶函數吧。

函數y=x2是偶函數，因為有它的中央有一條對稱軸，如果我們沿著這個軸把函數圖像左右翻轉一下，你會發(fā)現左右兩邊的函數圖像重合了。

而函數y=x3，叫做奇函數，它不存在對稱軸，如果我們非要沿著y軸左右翻轉一下，你會發(fā)現你會發(fā)現它的上下顛倒了。

我們知道：量子力學中，粒子的位置是不確定的，需要通過一個波函數去描述粒子在不同位置的概率。如果這個波函數是偶函數，我們就叫它偶宇稱，如果波函數是奇函數，我們就叫它奇宇稱。

物理規(guī)律的鏡像對稱性對應了宇辰的守恒，也就是說：如果一個粒子的波函數最初是偶函數，那么它將一直是偶函數；如果它最初是奇函數，那么它將一直是奇函數。

人們曾經認為：宇稱守恒就和能量、動量、角動量守恒一樣，是一個普遍存在的規(guī)律，直到楊振寧和李政道的出現。

03??θ-τ之謎

宇稱不守恒的故事，要從著名的θ-τ之謎說起。

有一副很有意思的漫畫：粒子物理學家如何研究青蛙的內部結構。粒子物理學家會把一只青蛙放進槍里發(fā)射出去，然后撞向另一只青蛙，兩只青蛙撞得稀巴爛后，粒子物理學家再去看這些碎片。

這幅漫畫中表現的就是粒子物理學家的日常工作：科學家們首先會造一臺加速器，把某種粒子加速，然后讓它撞向另一種粒子，撞擊之后就會出現許多千奇百怪的碎片。通過這種方法，人們發(fā)現了θ粒子和τ粒子。

θ粒子和τ粒子的物理性質非常一致，它們質量相同，電荷也相同，就連壽命也是一樣的。那么我們怎么知道它們是兩種粒子呢？因為它們的衰變產物不一樣。

θ粒子可以衰變成一個π+介子和一個π?介子，而τ粒子衰變之后是兩個π+介子和一個π-介子。更重要的是：θ粒子衰變產物是偶宇稱的，根據宇稱守恒，θ粒子也應該是偶宇稱的；而τ粒子的衰變產物是奇宇稱的，所以τ粒子也應該是奇宇稱的。

所以，科學家們斷定：盡管θ粒子和τ粒子看起來非常相似，但是它們宇稱不同，一定是不同的粒子?？墒窃捰终f回來，為什么兩個不同的粒子會具有幾乎相同的性質，卻唯獨宇稱不同呢？這就稱之為θ-τ之謎。在二十世紀五十年代，這個問題被認為是粒子物理的關鍵問題之一。

04??宇稱不守恒

針對θ-τ之謎，頂尖物理學家們提出了很多種理論，但是最終解決這個謎團的是楊振寧和李政道。在1956年的一天，他們兩人在一次就餐時迸發(fā)出一個想法：也許θ粒子和τ粒子本身就是同一種粒子，只是它們衰變時，宇稱發(fā)生了變化！

中學時我們就學過，自然界有四種基本的相互作用：

第一種叫電磁相互作用，比如兩個電荷之間作用就是電磁相互作用。

第二種叫萬有引力，比如太陽和地球之間的力就是萬有引力。

第三種叫做強相互作用，強力能夠把質子束縛在原子核里。

第四種力叫做弱相互作用，在θ粒子和τ粒子衰變的過程中，就是弱力在發(fā)揮作用。

在前三種相互作用中，都有切實的實驗和理論支持宇稱守恒，但是在弱相互作用下宇稱到底是不是守恒的，還沒有實驗或者理論的證實。于是，楊振寧和李政道兩個年輕人大膽的猜測：也許在弱相互作用下，宇稱就是不守恒的？所以同一種粒子，有時候通過弱相互作用衰變成偶宇稱的粒子，有時候通過弱相互作用衰變成奇宇稱的粒子。如果真的是這樣，θ-τ之謎就被解開了。

不過，對稱性是宇宙的基本的規(guī)律，在楊和李之前，所有的物理規(guī)律都是建立在對稱性的基礎之上，就連愛因斯坦的相對論也不例外。兩個年輕人說物理規(guī)律是不對稱的，這很難讓人相信。

于是，楊振寧和李政道決心，要通過實驗驗證自己的猜想。

05??吳健雄實驗

1956年底，楊振寧和李政道找到了正準備利用假期出去度假的華裔女物理學家吳健雄。吳健雄是一位非常杰出的女性，她后來成為了美國物理學會會長，被稱為東方居里夫人。

楊振寧和李政道對她說：我們設計了一個實驗來驗證弱相互作用下宇稱不守恒，您能不能幫我們把實驗做出來？

具體的實驗過程是這樣的：

鈷60是一種放射性元素，在弱相互作用下可以衰變成鎳、電子、反電中微子和兩個光子：

我們要關注的是兩個物理量：鈷60原子核的自旋方向和電子的發(fā)射方向。通過外加不同的磁場，可以人為控制兩個鈷60原子核的自旋方向相反，這樣它們剛好是鏡像對稱的，我們可以稱其中一個鈷60為“真實世界”，另一個自旋相反的鈷60為“鏡像世界”。

因為衰變，無論是“真實世界”的鈷60，還是鏡像世界的鈷60，都會向外發(fā)射電子。這些電子要滿足什么規(guī)律呢？

首先：根據已經證實的空間旋轉對稱性，真實世界只要旋轉180度就能變成鏡像世界，因此真實世界中向上發(fā)射的電子束，一定和鏡像世界向下發(fā)射的電子束強度相同；真實世界向下發(fā)射的電子束，也一定和鏡像世界向上發(fā)射的電子束相同。也就是 I?=I?′，I?=I?′。

與此同時，如果宇稱也是守恒的，那么根據鏡像對稱性，真實世界向上發(fā)射的電子束和鏡像世界向上發(fā)射的電子束強度一定相同，真實世界向下發(fā)射的電子束和鏡像世界向下發(fā)射的電子束強度也應該相同。也就是 I?=I?′，I?=I?′。

那么，根據以上兩條對稱性，自然就有四個方向的電子束強度都相同，即?I?=I?=I?′=I?′。

但是，假如楊振寧和李政道的猜想是正確的，在弱相互作用下宇稱不守恒，那就會出現鈷60向上和向下發(fā)射的電子束強度不同的情況，實驗就是要找到這種不同。

聽上去不難，但是實際做起來，難度還是很大。因為原子核都是在不停的運動的，它怎么會聽話的排成整齊的鏡像呢？方法就是降低溫度，只有溫度降到足夠低，原子核的運動才能被束縛住。

吳健雄被這個新穎的想法吸引了，她取消了自己的休假，在美國國家標準低溫實驗室里完成了這個實驗。她把鈷60的溫度降低到0.003K，這已經非常接近絕對零度了，再通過磁場控制鈷核的自旋方向，然后統(tǒng)計了大量鈷60的衰變結果，發(fā)現了一個驚人的事實：

在實驗中，鈷60向上和向下發(fā)射的電子束強度不同！

真實世界的里的鈷核向下發(fā)射的電子多，鏡中世界里的鈷核向上發(fā)射的電子多，每一個鈷核自旋方向和電子發(fā)射的優(yōu)勢方向都滿足左手定則！就好像它們都是左撇子一樣！

你看，如果把真實世界的鈷60原子旋轉180度，就能變換到鏡中世界，所以空間旋轉對稱性還是沒錯的。但是，如果把真實世界的鈷60做一個鏡像，就和鏡中世界完全不一樣，所以在弱相互作用下，鏡像對稱性被破壞了！宇稱果然不守恒了！

1957年初，吳健雄發(fā)表了自己的實驗結果，支持了楊和李的結論。盡管如此，還是有許多頂級物理學家不能接受。比如：被稱為“物理學界的良心”的泡利說：我不相信上帝是左撇子。理查德.費曼說：我賭50美元這個實驗肯定是做錯了。布洛赫更是夸張的說：如果宇稱不守恒，我就把自己的帽子吃掉。

盡管有許多人反對，但是實驗結果是無法反駁的。1957年，諾貝爾物理學獎授予給楊振寧和李政道，那一年楊振寧35歲，李政道31歲。想想愛因斯坦從1905年提出光電效應，到1921年獲得諾貝爾獎，中間相隔16年。楊振寧先生和李政道先生從提出理論到獲獎，中間只隔了1年。

宇稱不守恒是一個非常重要的物理結果，它打破了人們的固有觀念，把對稱性撕開了一個口子。人們發(fā)現：在某些情況下，對稱性是有破缺的。正是因為對稱性的破缺，一種統(tǒng)一的作用力，才慢慢變成弱相互作用和電磁相互作用。反過來，我們也可以用一種理論解釋弱力和電磁力，這就是弱電統(tǒng)一理論。

其實，早在1954年，楊振寧和米爾斯就寫下了楊-米爾斯方程，但是直到人們理解了對稱性破缺，才知道了這個方程的重要性。再后來，溫伯格提出了弱電統(tǒng)一理論，蓋爾曼等人建立了描述強相互作用的量子色動力學，這一切構成了我們今天對微觀世界的最深刻認識：粒子物理的標準模型。

二十世紀上半葉是一個年輕物理學家輩出的時代，保羅·狄拉克提出狄拉克方程的時候26歲，海森堡提出不確定性原理的時候也是26歲，愛因斯坦提出相對論和光電效應方程的時候25歲，也許正是因為這些年輕人沒有太多條條框框的束縛，才能夠為物理學做出突破性的貢獻。

在楊振寧先生提出宇稱不守恒和楊-米爾斯方程時，都受到過當時的物理學大家的猛烈批評，可是楊先生在壓力下依然堅持了自己的想法，才有了震驚世界的發(fā)現，成了物理學泰斗。回想起愛因斯坦提出的相對論和光電效應理論，不也是如此嗎？

感謝大家觀看本期內容。讓我們一起祝楊先生?生日快樂！