杨振宁是如何获得诺贝尔奖的 通俗易懂的语言（让你迅速搞懂）

本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。

想象一下，如果有一天，你在照镜子的时候，突然发现明明汗水往下流的你，在镜子里竟然有一滴汗水是向上流的，你是不是以为自己见鬼了？

再想象一下，如果有两个人，外貌、声音、肤色全都一模一样，就在你认为这是一对双胞胎的时候，发现这两个人血型完全不一样，你是不是以为自己又见鬼了？

这两件事，都可以用诡异来形容。如果你同时遇见了这两件事，你的脑子是不是就像有两个鬼一样——炸了？

这样的事当然不会真的发生，但是这两件事都可以用来形容困扰了科学家许久的物理谜题，它们最终成就了杨振宁和李政道的诺贝尔奖。1957年，他们因为发现了弱相互作用下的宇称不守恒，成功摘下诺奖。

那么，宇称到底是什么？它守恒与否有什么意义呢？这件事如果想讲清楚，你势必会一脸懵逼地进来，又一脸懵逼地出去；如果讲得太粗略，你又会觉得白白浪费了时间，什么也没学到。我思考了很久，今天决定尽量用通俗的语言，把你该知道的知识都告诉你，让你理解什么叫做弱相互作用下的宇称不守恒。

θ-τ之谜

好吧，开篇就搞得这么神秘，还有两个奇怪的希腊字母。别担心，我能给你说明白。

θ和τ是上个世纪物理学家发现的两种粒子。我们知道，微观粒子都比较“皮”，它们会发生衰变，变身成为另一种微观粒子。比如质子可以俘获电子，变成中子。就像大力水手一样，吃点菠菜就能变成有肌肉的大力水手。

注意：这种衰变和放射性原子的衰变并不相同，因为这些粒子在衰变后形成的粒子还会衰变，这就相当于大力水手消化完了吃掉的菠菜，就又蔫了。不同的粒子“坚挺”的时间不一样长，这个时间就叫做粒子的寿命。

这里，我们要讲到的，就是θ粒子和τ粒子的衰变。

物理学家发现，θ粒子和τ粒子是一对非常奇怪的粒子：它们的质量、电荷、寿命、自旋等几乎完全相同这么看来，它们应该就是同一个粒子，为啥要起两个名字呢？

原因就在于，这两个粒子衰变的产物不一样。θ粒子衰变之后会产生2个π介子，而τ粒子衰变的结果是3个π介子（这里所有的粒子你都不必深究它们有何意义，因为不影响我们理解宇称守恒）。这里大家不必考虑质量、电荷等属性的问题，因为物理学家发现这里最重要的问题是：两种衰变产物的总宇称数是不同的。这就是著名的θ-τ之谜。

那么问题来了：宇称是啥玩意？要明白宇称，咱们先来研究研究对称。

对称

宇称，讲的是物理学上的一种对称性。

对称在我们的生活中很常见，不过，在物理的世界，对称还有着更深的含义。通常所说的对称，就是一个图形通过某种变换之后形状不变，在物理学上可以把这个说法引申一下理解，那就是某个定律在某种属性变换后仍然不变。

举个例子，我们知道物理学上有一个定理叫做能量守恒。能量守恒定律对应的叫做时间平移对称性，意思就是不论什么时候做实验，这个定律都是成立的。看到这句话，你可能觉得这是废话。别急，物理学家们当初还觉得宇称守恒是一句废话呢，一会我们会讲他们是怎样被啪啪打脸的。

除了能量守恒之外，物理学上还有一种守恒叫做宇称守恒。这个名字听着就那么牛x，不过也不难理解。宇称守恒对应的不变性，叫做空间翻转不变性。简单来说，可以理解为镜像一样的翻转。也就是说，一种物质或者粒子遵循什么定律，和它成镜像关系的物质或粒子也遵循什么定律。你可能会问：镜子里的世界都是假的，物理学家为何要研究宇称，难道他们脑子有病？

当然不是，这只是一种形象的比喻。物理学家当然不是真的去研究镜子里的世界，而是那些就像被镜子反射的物理现象，比如反物质。

不过，θ粒子和τ粒子的衰变，对宇称守恒提出了挑战。那么，它们是如何挑战宇称守恒的呢？

宇称

宇称有一个表达方式叫做宇称数，通常用P表示，它有两个值：+1和-1。怎么理解呢？既然我们说宇称大概就是镜像的意思，那就可以继续用镜像的方式来理解。

假设你在玩陀螺，用顺时针的方向将它转起来。那么，我们暂且规定这个顺时针的方向是正向，也就是+，并且我们给它规定一个数值为1，那么它的“旋转值”就是+1。如果你有一面镜子，那么从镜子里看这个陀螺，你会发现镜子里的陀螺是逆时针旋转的，也就是负向的。不过，它的转速和实际的陀螺是一样的，所以它的“旋转”值就是-1。

（图片说明：在镜像世界中，左手就变成了右手）

还是那句话，宇称这件事不是真的为了研究镜子里的世界，而是现实中的物理世界，只不过对于外行人来说，这样的理解很方便。总之，在陀螺的例子中，现实中陀螺的宇称数就是+1，镜子中陀螺的宇称数就是-1。

好了，搞定了这个，再回去看θ-τ之谜，就好理解了。

我们说过，θ粒子和τ粒子的衰变分别产生2个和3个π介子，而π介子的宇称数是-1。

这就尴尬了，两个-1的宇称数的计算结果是什么呢？简单来说，做乘法就好了。或者回到陀螺的例子，两个-1的宇称数，相当于你用两次镜子进行反射。镜子里逆时针旋转的陀螺在镜子里的镜子里就又会调转回来变成顺时针的方向，和现实中的陀螺是一样的。同理三个-1的宇称数就是再反转一次，或者说再乘以一个-1。很明显，结果也是逆时针的-1。

也就是说，θ粒子的宇称数是+1，而τ粒子的宇称数是-1。就像我们前面说的，它们其他所有属性都完全一样，怎么偏偏宇称数不同呢？这就是我们开篇时的那个例子：为何两个人长得完全一样，只有血型不同呢？

这个问题的答案只能有两个：要么这两个人不是双胞胎，长得像只是巧合；要么是这两个人是双胞胎，但是其中一个人的血型突变了。对于物理学家就是：要么两种粒子恰好长得像，要么宇称不守恒。

显然，他们是不愿意相信第二种可能的，因为对称或者说守恒这种事，对于他们来说就是奉为圭臬的法则。尤其是宇称这一点，我们用眼睛看就能证明：你什么时候见过镜子里的物质不遵守牛顿定律了？你什么时候见过镜子里的磁铁吸引不了铁钉了？因此，很多人宁愿相信，可能这两种粒子相似真的只是巧合。

正所谓“初生牛犊不怕虎”，有两个毛头小子偏偏就敢质疑这个法则：宇称真的守恒吗？

这两个人，就是杨振宁和李政道。他们也不是要全盘否认宇称守恒，因为目前来看，除了θ-τ之谜以外，其他物理现象还是完美符合宇称守恒的，谁也没发现过镜像的物质不遵从万有引力定律的。

但是，杨李二人非常聪明，他们敏锐地意识到：这不代表衰变过程就遵从宇称守恒的原则啊！就好像你看见的每一个活人，肯定在最近七天内都吃过饭。但是，这不代表这个人今天早上就一定吃过饭。因此，在θ粒子和τ粒子衰变的过程中宇称到底守不守恒，这件事还不一定。

所谓的粒子衰变，其根本就在于四大基本作用力之中的弱相互作用。因此，他们思考的问题本质就是：弱相互作用下，宇称到底守不守恒呢？

想要单独观测弱相互作用，有一个现象非常适合作为观测对象，那就是β衰变。所谓的β衰变，就是中子和质子相互转化的过程。中子放出电子变成质子的过程叫做β-衰变，质子俘获电子变成中子的过程叫做β+衰变（其中还伴随着中微子的参与）。

（图片说明：β衰变示意图）

衰变的“动力”来自哪里呢？正是弱相互作用。而β衰变从被发现开始就受到物理学家们的广泛关注，参与了大量的实验。因此，杨振宁和李政道决定：就从β衰变着手。

果然，当他们摆脱固有思维，以客观的角度来审视这些实验的时候，结果发现：过往的物理学家们从没有在β衰变的过程中检测宇称是否守恒，而是默认它是守恒的，然后加以忽略。

这就好像你听说了一句鲁迅的名言，觉得很不错，然后讲给我听。我觉得有道理，又讲给另一个人听。就这样一传十、十传百，越来越广泛，根本没人考证这句话到底是不是鲁迅说的。最终只有一个人翻阅了鲁迅全集，发现——

以往的物理学家就像是听着编造出来的鲁迅名言的人一样，认为宇称守恒是如此自然而然，所以从来没人考虑去验证一下。

既然没有证明它是正确的，那么本着科学家严谨的学术精神，就应该怀疑一下。于是，他们马上就写了一篇论文，投稿给了《物理评论》，题目就是《在弱相互作用中，宇称是否守恒？》

杂志社回复道：“你问谁呢？我们要发的是论文，不是十万个为什么。”于是，杂志社将题目改为：《对于弱相互作用中宇称守恒的质疑》。

杂志社话糙理不糙（虽然这句话是我编的），谁提出的问题，谁自己解决。杨振宁和李政道接下来的问题就是：如何验证自己的猜想呢？

俗话说，在家靠父母，出门靠朋友。好在，美国有一位他们的老大姐——吴健雄。

东方居里夫人

吴健雄，1912年5月31日出生于江苏省苏州。这个名字乍听像是男性的名字，但是吴健雄年少时实打实地是一个娇小可人、容貌出众、聪明伶俐的女孩。她最值得人们茶余饭后讨论的，就是对胡适的仰慕和两个人之间的交情。

中华民国二十三年（1934年），吴健雄从国立中央大学物理系毕业，获得学士学位。两年后，她考入加州大学伯克利分校，师从物理学大师欧内斯特·劳伦斯（1939年诺贝尔奖得主）、埃米利奥·吉诺·塞格雷（反质子发现者，1959年诺贝尔奖得主）、以及奥本海默（原子弹之父，相信不需要多介绍），还曾经在泡利门下学习。

（图片说明：吴健雄）

1944年，由于曾经在塞格雷指导下进行了铀原子核裂变产物的实验，尚未加入美国国籍的吴健雄，就参与了曼哈顿计划（也就是美国研发原子弹的项目）。

吴健雄在β衰变方面做过许多精细的实验，还在其他方面的实验也都非常拿手，因此被当时的物理学界熟知。因此，她后来不仅被称作“实验女王”，还被称作“东方居里夫人”、“核物理女王”、“物理学第一夫人”。

正所谓他乡遇故知，杨振宁和李政道一想到美国还有一位如此可靠的中国学姐，又有着过人的实验能力，仿佛就是注定要让他们成名。就这样，他们决定向吴健雄求助，通过实验证明宇称在弱相互作用下到底守不守恒。

钴-60的实验

（图片说明：实验女王吴健雄）

这个实验，除了吴健雄之外，其他人还真不一定能做。原因有三：

就是他们的实验能力是否足够他们和杨李二人又没有交情，也不是同胞，没必要帮他们宇称守恒这件事根本就不值得怀疑，没有人愿意浪费时间和精力。吴健雄不一样，她是实验女王，做这种实验并不难，她也乐意帮助自己的中国学弟。而且，她牢牢记得男神胡适的那句话：“大胆的假设，小心的求证。”

很多人都听说过，在杨李二人找到自己的时候，吴健雄正准备和丈夫袁家骝（袁世凯的孙子）去日内瓦参加高能物理会议。结果，她就这样放了袁家骝的鸽子，留下来帮助两位学弟。

（图片说明：吴健雄和泡利的关系非常好）

袁家骝还没有什么怨言，有一个人却表示了不满，那就是泡利。泡利对宇称守恒坚信不疑，他曾经说过：“我不相信上帝是个弱左撇子！”（弱指的就是弱相互作用下）在听说吴健雄要帮助两个人做实验后，泡利甚至说：“我跟你们打赌，赌什么都行，反正这个实验不可能成功！”

那么，他们该怎么验证呢？我们贴图如下：

（图片说明：宇称不守恒实验简略示意图）

假设左边原子核为俯视的顺时针方向旋转，那么我们用左手顺着旋转方向，大拇指伸出的方向就规定为原子核旋转方向。那么，由于镜子里是对称的，我们还是用左手定则规定，那么镜像的原子核旋转方向就是向下。

接下来，原子核会衰变，释放出电子。旋转方向向上的原子核会向上射出电子，那么，镜像的原子核会怎么射呢？如果它也是向上，那么实际上射出电子的方向就和镜像的原子核旋转方向不同，宇称不守恒。但是，如果它向下射出电子……镜像世界竟然和现实世界不一样，那恐怕就是灵异事件了。

当然，这里说的镜像不是单纯去研究镜子里的世界。我们多次提过，镜子只是一个假设，方便大家理解。很多人对宇称的概念混乱，也搞不懂这种研究有什么意义，就是在于科普的时候用了这个比喻，却又不说明白，混淆了大家的理解。吴健雄拿来作对比的，其实是其他属性相同，只有旋转方向相反的原子核。

你可能又要问了：反正原子核是一个球，翻过来看，旋转方向不就相同了？其实不然，两个原子核的关系大概类似于高中化学中手性分子的关系，是相互对称的，不是掉个头就一样了。换句话说，掉个头虽然可以让旋转方向相同，但是其他参数的方向可能又反了。

这个实验的难度是非常大的，因为你很难单独观测一颗原子核。而且，微观粒子杂乱无章，到处乱跑，也给实验带来了相当大的难度。

最终，三个人选择以钴-60的衰变为研究对象，在-273.14℃，也就是仅比绝对零度高0.01℃的极低温度下进行实验。而对于无法单独观测一颗原子核的情况，他们退而求其次，通过实验手段将许多原子核进行操作，让它们朝同一个方向旋转，然后统计发射电子的方向概率。

实验结果正如我们今天看到的那样：弱相互作用下宇称果然不守恒！吴健雄本人也是非常震惊，反复做了多次实验，最终才告诉杨振宁和李政道，并且嘱咐他们先不要对外公布。但是，杨李二人早已经胸有成竹，马上就写成论文，于1956年10月发表了出去，证明：在弱相互作用下，宇称不守恒！

这个结果一经发表，全世界的物理学家都震惊了。还是当初的那个比喻，他们的震惊程度无异于你在镜子里看见了不一样的世界。

这个发现不仅是颠覆了物理学家的认知，还有着其他重大的意义。比如今天，科学家们正在尝试考虑利用这个发现之后推导出的理论，解释宇宙为何是由物质组成的。

1957年，诺贝尔奖委员会决定，将当年的诺贝尔物理学奖颁给杨振宁和李政道。从发表论文到获奖如此之快，在诺贝尔奖的历史上实属罕见。比如1956年的另一项重大发现——中微子，同样暗示着宇宙的命运。但是直到1995年，发现者之一的莱万才获得了诺贝尔奖，而另一位发现者科温当时已经game over了。

打赌？打脸？

听说吴健雄通过实验真的证明了弱相互作用下宇称的不守恒现象，泡利首先发来了祝贺。后来他自己也承认：多亏当初没人真的跟我赌钱，否则我现在估计已经破产了。

（图片说明：费曼，曾经也是宇称守恒的信奉者）

除了泡利之外，还有一位物理学大神也为此打了赌，那就是费曼。他的学生拉姆齐曾经也像杨振宁一样想要做相关的验证，但是始终得不到实验的支持，费曼也对他讲：“别整那些没用的，有那时间干点啥不好？我跟你赌1000美元，这实验就算做了也是白做。”后来，这个数字又被改成了50美元。结果，随着杨李二人实验的成功，费曼老老实实赔付了一张50美元的支票给拉姆齐。就这样，杨李二人得到了诺贝尔物理学奖，拉姆齐得到了50美元……

被自己老师耽误的，又岂止拉姆齐一个人。

（图片说明：前苏联物理学大师朗道，一生成就卓著，但在宇称不守恒上留下了遗憾）

苏联物理学大师朗道的一个叫皮沙罗的学生在研究介子衰变的时候，也发现了宇称不守恒的现象，并且写了论文提交给朗道。朗道根本不屑一顾，直接扔到了一边。等到诺贝尔奖颁布的时候，朗道才想起来：我去，我好像在哪看见过这个理论……

由此可见，一个人的成功，不仅取决于他们自己，还需要有一位伯乐。正所谓“千里马常有，而伯乐不常有”。如果拉姆齐和皮沙罗曾经得到足够的支持，那么这项诺贝尔奖颁给谁，还真不好说。

但是，就算他们能够抢先得到诺贝尔奖，恐怕杨振宁也未必就会心疼。说一句让你吃惊的话，弱相互作用下的宇称不守恒，根本就不是杨振宁这一生的最高成就。他的伟大之处，就在于提出了杨-米尔斯理论。正是这一个理论，足以让他和爱因斯坦、麦克斯韦等人相提并论。

不过，那就是另一个故事了……