旋轉是什麼變了什麼沒變

本文轉載自《長尾科技》

宇稱不守恆，這是一個讓許多中國人既熟悉又陌生的詞語！

熟悉，是因為這是全球華人的第一個諾貝爾獎，我們的教科書和媒體會經常提到這個也是很自然的事情；陌生，是因為大多人除了知道楊振寧和李政道發現了它以外，完全不知道這個宇稱不守恆到底在說啥。

另外，跟前沿理論物理的一大堆讓人懵圈的專業術語相比，“宇稱不守恆”這五個字看起來還是很親民的。畢竟我們中學時代就學過

能量守恆

、

動量守恆

，對守恆的概念還是很熟悉的，而“宇稱”聽起來應該和宇宙的某種對稱性有關。然而，

宇稱到底是什麼呢？為什麼它不守恆

？為什麼宇稱的不守恆會讓科學界如此震動，以至於楊振寧和李政道在

1956年6月

提出了宇稱不守恆，

1957

年的諾貝爾物理學獎立刻頒給了他們？

沒錯，

宇稱

確實是指一種

對稱性

，要想理解宇稱不守恆為什麼這麼重要，就要先理解

為什麼對稱性這麼重要

。

那麼，對稱性到底有多重要呢？這麼說吧，如果沒有對稱性作指導，愛因斯坦不可能發現相對論，當代的理論物理學家們會像失去了燈塔一樣集體在黑暗裡抓瞎。物理學大師費曼曾經說過，如果讓他選擇一句話來概括現代科學最重要的發現，他會選“

世界是原子組成的

”。許多當代最著名的物理學家們認為，如果有機會再選一句，那麼所選的將是“對稱性是宇宙規律的基礎”這句話。

01什麼是對稱？

一提到對稱，許多人腦海裡會浮現類似天安門這種嚴格左右對稱的建築，或者六個瓣的雪花，鏡子裡帥帥的自己，亦或者是純粹的圓形、正方形、正六邊形這樣的幾何圖形。

沒錯，這種幾何裡的對稱是我們最容易想到的。仔細想一下這些對稱，我們會發現它們有的是以中間一根軸對稱（天安門），有的是圍著一個點旋轉對稱（雪花、圓形、正方形），還有的是相對鏡子裡的映象對稱。當然，天安門的那種軸對稱你也可以認為它是在天安門中間插了一面鏡子，不過這個不是重點，我的重點是：

對稱的標準可以是多樣的

。

對稱性的精確數學定義涉及到

不變性

的概念：如果一個幾何圖形在某些操作下保持不變，我們就說這個圖形在這些操作之下具有某種不變性。

一個圓無論你旋轉多少度，這個圓看起來還是那個圓，它沒有任何變化，我們就說圓這個圖形在旋轉這個操作下具有不變性，簡單的說就叫圓具有

旋轉不變性

。同樣的，我們用鏡子去照一個圓，鏡子裡的圖形依然是一個圓形，透過鏡子照的這個過程我們可以稱之為反射，那麼，圓也具有

反射不變性

。可以想象，三角形、正方形乃至任何幾何圖形在鏡子裡依然是這樣的影象，所以它們都具有反射不變性。

這是我們辨別對稱常用的思維，但是物理學家們卻更喜歡另一種思維。

以旋轉不變為例，我們判斷一個圖形是否具有旋轉不變性，是去嘗試著把這個圖形給轉一下，看看他跟以前還是不是一樣的。這是觀察者不動而圖形動，但是物理學家們更喜歡使用另外一種方法：

圖形不動，觀察者動

。

什麼意思呢？比如物理學家們判斷一個圓形是否具有旋轉不變性，他

不是去旋轉這個圓看他變沒變，而是去旋轉觀察者，讓觀察者從不同的角度去看這個圓，看他們看到的是不是同樣的圓，如果是一樣的就說圓具有旋轉不變性

。因為運動具有相對性，所以觀察者不動旋轉圓和圓不動旋轉觀察者本質上並沒有什麼區別。物理學家們的這種處理方法會使在處理複雜問題的時候變得簡單很多，後面你就能體會到了。

上面我們說的對稱都是隻幾何圖形的對稱，但是物理學家們並不關心幾何圖形，他們關心的是物理定律，也就是是

物理定律的對稱性

。初次聽到這個詞很多人可能會感覺到奇怪，幾何圖形對稱好理解，什麼叫物理定律的對稱性呢？物理定律不是一堆公式麼，為什麼會去考慮他們是否對稱的問題？

02物理定律的對稱

要理解物理定律的對稱性，我們就要把腦袋裡幾何圖形對稱的那個圖景忘掉，回到對稱更一般的數學定義上來。我們上面也說了，對稱性的精確數學定義會涉及到不變性這個概念：

如果一個幾何圖形在某些操作下保持不變，我們就說這個圖形在這些操作之下具有某種不變性

。

我們把上面的

幾何圖形

換成

物理定律

，就可以很自然的得到一個物理定律是否對稱的判斷標準：如果一個物理定律在某些操作下保持不變，我們就說這個物理定律在這些操作下具有某種不變性。

還是以旋轉操作為例，我們來看看牛頓運動定律在旋轉這個操作下是否保持不變，也就是說看看

牛頓運動定律

是否具有

旋轉不變性

。答案是很明顯的，比如一個蘋果從樹上落下，我們不管是從樹下仰視，從樹上俯視，還是從遠方平視，甚至是從飛機上看，我們都會看到蘋果的下落過程符合牛頓的運動定律：蘋果朝著地心的方向加速飛去。一個俯視蘋果下落的牛頓和一個仰視蘋果下落的牛頓不可能總結出兩個運動定律出來，這就是說

牛頓定律符合旋轉不變性，也就是說牛頓定律在旋轉這個操作下具有對稱性

。

我們想想，不止是牛頓定律，我們現在發現的任何定律都符合旋轉不變性，也就是旋轉下的對稱性。麥克斯韋的電磁學也好，愛因斯坦的相對論也好，量子力學也好，如果我們從不同的角度去看他們就會得到不同的電磁學規律、相對論那還得了？

我們再往深層想一下，旋轉不變性的本質其實是空間的各向同性。也就是說，只要空間在各個方向上都是均勻的，都是一樣的，不存在空間這邊密度大一點那邊密度小一點，那麼觀察者從不同方向看到的物理定律就肯定是一樣的，即這些定律肯定具有旋轉不變性。

在這裡，我們看到了物理定律的旋轉對稱性居然和空間本身的性質聯絡起來了，有沒有隱隱約約感覺對稱性不只是看起來好看，好像還挺有用呢？別急，這才看到對稱性威力的冰山一角，對稱性的威力還大著呢~

03諾特定理

物理學家研究對稱性絕不是圖好玩，是因為對稱性裡蘊含了巨大的能量。要充分理解對稱性的威力，我們必須先了解一個

核彈級

別的定理：

諾特定理

。

諾特定理，顧名思義是一個叫諾特的科學家發現的定理，這個科學家叫

埃米·諾特

，是位著名的女科學家，被愛因斯坦形容為數學史上最重要的女人，還被稱為現代數學之母。諾特在數學上的成就我這裡不多說，她在物理學上最重要的成就就是發現了現代物理學燈塔，讓現代物理學家們不再抓瞎的諾特定理。

諾特定理的表述非常簡單，就一句話，但是內容非常深刻，它說：物理學裡的連續對稱性和守恆定律一一對應。

我先不做過多的說明，讓大家先把思路捋一捋，這句話裡的每一個字我們都懂，它要表達的意思也非常清楚，但是這到底意味著什麼？

對稱性和守恆定律一一對應，那就是說每一個對稱性都有一個守恆定律跟它對應，每一個守恆定律也有一個對稱性跟它對應麼？那豈不是說我熟悉的能量守恆定律，動量守恆定律也都對應了某個對稱性？那上面的旋轉對稱，反射對稱又對應了什麼守恆定律呢？如果它們之間真的是這樣一一對應的，那麼以後

我只要在實驗裡發現了新的守恆量，就等於發現了一個新的對稱性麼

？這太不可思議了……

沒錯，上面想的都沒錯，諾特定理說的清清楚楚明明白白，沒有任何歧義，就是這樣！

另外，關於諾特定理裡連續對稱性的

連續

，我稍微說明一下：在

經典力學

裡，像旋轉對稱，我們可以旋轉任意的角度，這顯然是個

連續

的對稱，而映象對稱則要麼是鏡裡要麼是鏡外，只能取兩個值，這是

不連續

的。在經典力學裡，守恆定律是跟連續對稱性一一對應的。但是到了

量子力學

這裡，壓根就沒有連續的東西，一切都是量子化的，所以這種差異就沒有了。因此，在量子力學裡，即便是映象這種不連續的對稱也有相應的守恆定律。

為了讓大家對諾特定理有更深刻的理解，我們先來看看幾個常見的例子。

04能量守恆定律的對稱性

諾特定理說對稱性和守恆定律一一對應，那麼就先從我們最熟悉的能量守恆定律開始。既然能量守恆，那麼按照諾特定理就有一種對稱性與之對應，是什麼對稱性呢？

這裡我不賣關子了，直接告訴大家，跟

能量守恆

對應的這種對稱性叫

時間平移不變性

。什麼叫時間平移不變性，平移就是時間流逝移動的意思，說得再通俗一點就是：我今天做實驗跟明天做實驗遵循同樣的物理定律。

噢，這下子秒懂了！有人說這不是廢話麼，一個物理定律如果他今天成立明天不成立，那還叫什麼定律，那我們要這樣的定律還有個錘子用？沒錯，吐槽的一點沒錯，物理學家們千辛萬苦的尋找各種物理定律，為的就是利用這些定律預測物體未來的運動情況，你如果跑來告訴我這個定律只有這一刻有效，下一刻就失效了，也就是沒有時間平移不變性，那我們還預測個啥啊？

所以，顯而易見的，我們目前所有的物理定律都是符合時間平移不變性的，明白了這一點，你就知道

為什麼能量守恆定律的適用範圍這麼廣

了吧？因為諾特定理告訴我們，只要物理定律是時間平移不變的，那麼他就肯定能量守恆，而時間平移不變看起來這麼強，所以能量守恆也就這麼強了。

現在這個關係是對應起來了，但是大部分人腦袋裡肯定還是懵的：

為什麼能量守恆定律就是跟時間平移不變性對應，而不是跟其他的對稱性對應呢

？具體的證明過程比較複雜，這裡就不說了，有興趣的自己去查資料，我這裡提供一個簡單的思路讓大家直觀的感受一下為什麼如果

沒有時間平移不變性，能量就不守恆了

。

假設物理定律不遵守時間平移不變性，這一秒的定律跟下一秒的定律不一樣。那我把一塊石頭往上拋，讓它剛好一秒鐘達到最高點然後它開始下落，我假設下落時的定律讓同樣大小的引力能夠產生兩倍於上拋時候的加速度，那時候下落到出發點的時候它的速度肯定比上拋的時的初候速度更大，也就具有更大的能量。那麼，在拋一個石頭的過程中它就憑空創造了能量，所以能量顯然就不守恆了。

理解了

能量守恆對應時間平移不變性

之後，後面兩個熟悉的守恆我就直接說結果了：

動量守恆對應空間平移不變性

（空間平移不變就是說物理定律在北京和在上海都一樣，在不同的空間物理定律相同），

角動量守恆對應於我們上面說的旋轉不變性

。有了這種概念以後，知道了能量、動量、角動量守恆定律不過是一種對稱性的體現之後，我相信你不會再懷疑對稱性在物理學的重要性了。

那麼，

鏡面的反射對稱

呢？物理定律是否遵循反射對稱呢？如果遵循反射，那麼它對應的守恆定律又叫什麼呢？

05宇稱不變性

做了這麼多鋪墊，我們文章的主角——

宇稱

，也該出場了。沒錯，跟映象反射對稱，也就是左右對稱相對應的這個守恆量，就是宇稱。宇稱也跟物體的質量、電荷一樣，是描述基本粒子性質的一個物理量。

所以，我們說物理定律的宇稱不變性，其實就是說物理定律在經過鏡面反射對稱處理之後依然保持不變，簡單的說就是鏡子裡的世界跟外面的世界遵循同樣的物理定律。

怎麼通俗的理解這個事？舉個例子，我們每個人都有照鏡子的體驗，因為人體的特殊對稱性，鏡子裡的人看起來跟鏡子外面的人一模一樣，但是左右顛倒了。也就是說，鏡子外面的人動一下左腿，你會感覺到鏡子裡面的人動了一下右腿。如果這時候外面還有一個足球，鏡子外面的人用左腿提了一下足球，這個足球會按照牛頓運動定律被踢開，同時我們會看到鏡子裡面的人會用右腿把把這個足球朝另一個方向踢開，現在問題的關鍵是：鏡子裡面的人踢足球這個過程是否滿足牛頓運動定律？

如果也滿足牛頓運動定律，那我們按照定義就可以說牛頓運動定律在鏡面反射對稱下具有不變性，也就是具有宇稱不變性，那這個過程就宇稱守恆

。

可以想象一下，如果現實生活中你真的有一個一模一樣的雙胞胎，這個雙胞胎完全按照你鏡子裡的樣子站立，按照你鏡子裡的樣子用右腿踢那個球，雙胞胎的球和鏡子裡的球會按照一樣的軌跡運動麼？

答案是肯定的，鏡子裡的世界跟你一樣遵循牛頓運動定律，根據牛頓運動定律根本無法區分鏡子裡面和外面的世界。如果你有魔力把鏡子裡的人和球都摳到現實世界裡來，你會發現他跟你除了左右相反之外，他踢球的過程跟你平常的感覺是一模一樣的，踢出去的球依然是一條優美的拋物線。

這也就是說，

牛頓運動定律具有嚴格的宇稱不變性

，按照牛頓運動定律發生的過程嚴格宇稱守恆。其實，不止是牛頓運動定律，在

四大基本相互作用力

裡，

電磁力、引力、強力

的物理規律都具有

宇稱不變性

，由它們支配的過程都

宇稱守恆

。

但是，剩下的那個

弱力

呢？

06從宇稱守恆到宇稱不守恆

宇稱，也就是鏡面反射對稱，在我們日常生活裡實在是太常見太熟悉了。鏡子裡的世界跟鏡子外的世界比也就是左右互換了一下，鏡子外順時針旋轉的東西在鏡子裡面在逆時針旋轉而已。我們的直覺告訴我們上帝應該是公平的，他沒有任何理由偏愛左邊或者右邊，相對論的成功更是極大地加深了這種思想。

所以，宇稱不變性，也就和其它幾個最基本的不變性（比如時間平移不變、空間平移不變、旋轉不變等等）一樣，被物理學家們視為最基本的規律。視為最基本的意思就是說，

如果科學家們發現了有什麼現象似乎違反了這個規律的時候，大家首先的反應不是這個規律有問題，而是還有其他沒有考慮進來的因素

。這裡最明顯的就是時間平移不變性對應的

能量守恆

了，有很多次物理學家們發現某個物理過程不滿足能量守恆，他們不會懷疑能量守恆出了問題，而是去找有什麼新粒子或者新現象沒有被發現，然後後來他們就真的找到了這樣的新粒子新現象，然後順便去斯德哥爾摩旅了個遊，這一招屢試不爽。

宇稱不變性跟他的幾個兄弟一樣，一路幫助物理學家們過關斬將，所向披靡，沒有人懷疑宇稱守恆的“

忠心

”。直到有一天，從

戰火中

的中國走出來了兩個天才物理學家：

楊振寧

和

李政道

。

首先我們要清楚，向物理世界中這些最基本最基礎最“顯而易見”的東西開炮是需要極大的勇氣和極高的洞察力的，這種最底層的根基一旦被動搖了，物理學的世界接下來肯定就要地動山搖、天翻地覆。粗算一下，上一次對如此基礎的概念開炮還是愛因斯坦對牛頓絕對時間和絕對空間的抨擊，以及量子力學的革命。

兩朵烏雲引發相對論和量子力學革命的故事我們已經很熟悉了，那麼，楊振寧和李政道為什麼要向宇稱守恆這麼基本的東西開炮呢？這個原因還得從弱相互作用，也就是常說的弱力開始說起。

07弱相互作用

我們在自然界發現的所有作用力最終都可以歸結為這四種：

引力、電磁力、強力、弱力

。引力和電磁力我們很熟悉，強力和弱力都發生在原子核裡面，我們平常接觸不到。

強力

簡單的說就是

粘著質子、中子、夸克不讓原子核分崩離析的那種力

（不然的話，質子都帶正電，它們之間同性電荷產生的排斥力早就把原子核給拆了），

弱力

是造成放射性原子核衰變的那種力，就是中子變成質子，質子變成中子那個過程中的力。

弱力出現最典型的一個場景就是

β衰變

。

我們都知道原子核是由質子和中子組成的，元素週期表裡的那個元素的排序（所謂的

原子序數

）就是按照質子數來排的。然而，原子核內的質子和中子並不是一直固定不變的，在一定條件下，質子可以變成中子，中子也可以變成質子，這個相互變化的過程就

β衰變

，而在這個過程中發揮作用的就是弱相互作用力，即

弱力

。

最早描述弱力的是費米的理論，而這個

費米

，正是楊振寧和李政道的導師。

08θ-τ之謎

在20世紀四五十年代，科學家們在宇宙射線裡探測到了許多新的粒子，這些粒子並沒有在理論中被預言，因此被稱為“

奇異粒子

”。由於宇宙射線有許多人為不可控的因素，為了更好的研究，人們開始自己製造粒子加速器。粒子加速器聽起來很高大上，但是大家的使用方法其實很簡單粗暴：就是把一些粒子加速到很高的速度（因此具有很高的能量），然後把它們當槍使，讓這些高能粒子去撞各種東西，看看能不能撞出一些新東西出來。

不過，雖然手法簡單，但是效果卻非常顯著：科學家們撞出了一堆稀奇古怪的“奇異粒子”，而在這些粒子當中，物理學家們最感興趣的就是θ和τ粒子。它們有一些非常奇特難解的特性，被當時的物理學家們成為“

θ-τ之謎

”。

θ和τ這兩種粒子的生命非常短，很快會

衰變

成其他的粒子，物理學家們也是透過觀察衰變之後東西才推測它們的存在。它們奇怪的地方就在於：

θ粒子在衰變的時候會產生兩個π介子，而τ粒子在衰變的時候會產生三個π介子

。

有人會說這有什麼奇怪的？一個粒子衰變產生兩個那個叫啥π介子的東西，另一個產生三個，這不是很稀鬆平常的事麼，難道粒子衰變生成幾個介子還要受法律約束不成？

沒錯，單純這有看，確實沒什麼奇怪的。但是，隨後人們就發現，

θ和τ這兩種粒子無論是電荷、自旋還是質量都一模一樣

，這哥倆無論怎麼看都像是同樣一個粒子，但是它們的衰變結果卻不一樣，這就尷尬了。

更為尷尬的是，澳大利亞的物理學家

達利茲

仔細的研究了這兩個粒子，

利用當時普遍被接受的物理定律去做了一個計算分析，結果表明θ和τ的宇稱數不一樣

，因此不可能是同一種粒子。

當時的局面是，有人認為θ和τ是不同的粒子，有人認為他們是相同的粒子，但是認為它們是相同粒子的人也無法解釋為什麼它們的衰變結果和宇稱數不一樣（也就是宇稱不守恆）。其實，當時一些科學已經注意到宇稱守恆的成立與否是一個重要的方向，但是由於對稱性在理論物理裡實在太重要了，要去質疑它們要不是極聰明就是極蠢。另外，關於宇稱的定律在之前的粒子物理裡一直都用的很好，因此只要提出宇稱不守恆的想法，很快就會碰到互相牴觸的地方。

如果楊振寧和李政道認為宇稱不守恆是解開θ-τ之謎的關鍵點，那就得先得把那些相互牴觸的問題都解決掉，並且還要解釋為什麼之前的各種相關現象並不違反宇稱守恆。

當然，他們做到了！

09弱相互作用下的宇稱不守恆

在前面我們就提到了，基本相互作用力裡的強力和弱力都是在原子核發生的，因此，這兩種力很容易攪和在一起。有些物理學家即便感覺宇稱可能不守恆，但是一旦他們認為宇稱在強力和弱力下都不守恆，接下來肯定會碰到滿頭包。

楊振寧和李政道敏銳的發現了這一點：把原子核黏在一起的是強力，原子核發生衰變是弱力，如果我們把這

兩個過程的對稱性分開來看

，也就是說，假如我只認定宇稱在強相互用力中守恆，而在弱相互作用力中不守恆，那θ-τ之謎看起來就容易多了。

把強、弱相互作用力區分討論宇稱性，這是一個很美妙的想法。如果弱相互作用下宇稱不守恆，那麼θ和τ粒子就可以看做同一個粒子不同衰變方式，於是楊振寧和李政道就把目光鎖定到弱相互作用去了。因此，

雖然θ和τ粒子的衰變過程也是弱相互作用，但是這種奇異粒子的弱相互作用我們瞭解有限，既然要研究弱相互作用，那當然是研究我們最熟悉的弱相互作用了

。那麼，我們最熟悉的弱相互作用是什麼呢？大聲說出來：

β衰變！β衰變！β衰變！

答案當然是β衰變，所以，楊、李二人立馬就對過去已有的各種β衰變進行計算考查，結果他們發現：在過去所有的β衰變實驗裡，實驗結果跟β衰變中宇稱是否守恆完全沒有關係。這是一個令人震驚的結果，也就是說，在過去的那些有弱相互作用力參與的β衰變實驗裡，宇稱守恆與否並不會影響他們的實驗結果，所以

楊振寧和李政道的想法並沒有被過去的實驗證偽

。

當然，也沒有被證實

。

後來，楊振寧這樣描述他們對這個結果的反應：長久以來，在毫無實驗根據的情況下，人們都相信弱相互作用下宇稱守恆，這是十分令人驚愕的。但是，更令人驚愕的是，物理學如此熟知的一條時空對稱定律面臨破產，我們不喜歡這種前景，只是因為試圖理解θ-τ之謎的其他各種努力都歸於失敗，我們才不得不考慮這樣一種情景。

現在新的問題來了：既然β衰變是典型的弱相互作用，那麼為什麼我們之前做的那麼多β衰變的實驗都剛好跟宇稱守恆無關呢？經過一番苦思冥想之後，楊、李發現了問題的關鍵：要想用實驗檢驗弱相互作用中宇稱是否守恆，必須測量贗標量（這是跟核的自旋和電子的動量相關的一個物理量，有個印象就行），而之前的β衰變實驗都沒有測量這個，所以實驗結果就跟宇稱是否守恆完全無關。

認識到這一點之後，楊振寧和李政道就重新設計了幾個可以檢驗宇稱是否守恆的實驗，並把具體的實驗方法和之前的分析都寫進那篇非常著名的論文《在弱相互作用中，宇稱是否守恆？》中去了，然後投給了《物理評論》。但是，等論文發表的時候，論文題目卻被雜誌的編輯改成了《對於弱相互作用中宇稱守恆的質疑》，原因是編輯認為一篇論文的標題不應該是一個問句，雖然楊振寧認為前者要好得多。

上圖便是這篇經典論文的截圖，論文我已經給大家找到了。想要親眼目睹楊振寧、李政道這兩位物理學大師的這篇論文的，可以在我的公眾號（

長尾科技

）裡回覆“

宇稱不守恆論文

”獲取論文的中文版和英文版。

論文發表之後，雖然他們在文章裡對“弱相互作用力下宇稱不守恆”的問題做了很詳盡的討論，還提出了一些可以檢驗的實驗辦法。但是，由於宇稱守恆過去在各個方面表現得實在是太好了，而且這些實驗也都不是那麼簡單的，所以他們的論文一開始並沒有引起什麼熱烈的反應。

10實驗女王吳健雄

當時想請一位實驗物理學家來做驗證宇稱是否守恆的時候可不是那麼簡單的事，實驗物理學家考慮的是：

是否值得去做一個實驗來驗證宇稱是否守恆

？楊振寧和李政道雖然提出了幾個具體的實驗方案，但是這些實驗都非常困難，並且，當時物理學家的眼裡，宇稱守恆是絕對可靠的，做這樣的實驗幾乎就等於白費精力。

這種想法在當時是極為主流的。

有一個叫拉姆齊的實驗物理學家後來也想做驗證宇稱是否守恆的實驗，

費曼

告訴他“那是一個瘋狂的實驗，不要在上面浪費時間”，他還以10000：1來賭這個實驗不會成功，後來改成了50：1，但是由於橡樹嶺實驗室不支援，所以拉姆齊只得作罷。當宇稱不守恆被實驗證明之後，費曼倒是很守信的開了一張50美元的支票給拉姆齊，算是給拉姆齊的一個安慰獎。以眼光毒辣，被稱為“上帝之鞭”“物理學的良心”的

泡利

聽說吳健雄在做這個實驗之後，他說他願意下任何賭注來賭宇稱一定是守恆的，後來他自己也開玩笑說幸好沒有人跟他賭，不然他就得破產了（不知道這些物理學家怎麼這麼喜歡賭博，應該打110和911叫警察全抓起來~）。最嚴重的是

朗道

，朗道不僅自己公開批評質疑宇稱守恆的想法，他有個叫沙皮羅的學生在研究介子衰變的時候也覺得宇稱應該不守恆，寫了篇論文給朗道審閱，朗道直接給他丟一邊去了。幾個月後楊振寧和李政道發表了宇稱不守恆的論文，接著吳健雄用實驗做了證明，第二年還去斯德哥爾摩捧回了炸藥獎，朗道這才追悔莫及。

當然，我們也不能說如果朗道沒有無視沙皮羅的論文，蘇聯就會先發現宇稱不守恆，然後先得到一個諾貝爾獎。因為當時質疑宇稱守恆的人很多，但是光質疑沒用，原因我們上面也說了，

你從宇稱不守恆出發，一出門就得到處碰壁

。楊振寧和李政道是極為敏銳的意識到

在宇稱守恆這個問題上要把強相互作用和弱相互作用分開，把目光鎖定在弱相互作用之後他們去全面審查所有的β衰變實驗，然後發現過去的β衰變實驗跟宇稱是否守恆無關

，再接著他們發現了這個無關跟所謂的

贗標量

有關，於是他們設計包含測量

贗標量

的實驗，並得到了

吳健雄

的鼎力支援（想想拉姆齊的實驗，橡樹嶺實驗中心都不支援它，你就知道吳健雄的支援是哪種力度的支援了）才得以完成。這所有的環節缺一不可，並不是簡單你以為宇稱不守恆就能去斯德哥爾摩一遊的，炸藥獎不是這麼好拿的。

吳健雄的天才在這裡不是表現在設計了多麼巧妙的實驗，而是表現在大環境對驗證宇稱是否守恆如此不利的情況下（想想費曼、泡利、朗道都是什麼級別的人物），她全力支援楊振寧和李政道的想法。她不僅要做實驗，還要迅速做趕快做，要趕在其他的實驗物理學家意識到這個實驗的重要性之前做出來。為此，她取消了去日內瓦的高能物理會議，取消了準備去東南亞的演講旅行，她和她丈夫已經預訂了“伊麗莎白王后號”的船票，結果她公然放了她丈夫的鴿子，讓他一個人去日內瓦，吳健雄自己留下來做實驗。

吳健雄

於滿清王朝覆滅那年（1912年）在江蘇

蘇州

出生，被稱為“實驗核物理的執政女王”，“東方的居里夫人”，她參與了曼哈頓計劃，併成為

美國物理學會

第一個婦女主席，是世界上最傑出的實驗物理學家之一。

有如此優秀的吳健雄的鼎力支援，實驗當然就沒什麼好擔心的了。但這裡我並不打算給大家講吳健雄的實驗，我給大家看一個更簡單直觀的影象。下圖就是一個旋轉的原子核衰變的時候放出一個電子的影象，中間是一面鏡子，我們從上往下看的時候，鏡子外的原子核是順時針方向旋轉，而鏡子裡面的原子核是逆時針旋轉。也就是說，

一個旋轉的原子核的映象旋轉的方向跟它本身旋轉方向是相反的

。物理學家們約定，

左手順著旋轉的方向，大拇指的方向就是原子核旋轉的方向

，所以，如箭頭所示，靜止外面的原子核旋轉方向向上，而鏡子裡面的向下。

我們也很容易想象，鏡子裡外的原子核旋轉方向雖然相反，但是如果外面的電子往上飛，鏡子裡面的電子也往上飛，這很符合常識，沒什麼奇怪的，這就是宇稱守恆時候的樣子。但是，如果哪天你看到鏡子裡電子居然是朝下發射的，你會不會覺得見鬼了？

當然，物理學家說的映象並不是真的去看鏡子，鏡子無論怎麼照肯定都是這樣。他們的意思是：

如果我再找來一個原子核，讓這個原子核跟鏡子裡的原子核一模一樣（也即是大小質量啥的都相等，但是旋轉方向不一樣），我們就說這兩個原子核互為映象

。

然後我再去觀察這個映象原子核，如果它跟鏡子裡一樣也是向上發射電子，那就不奇怪，是宇稱守恆；如果它跟鏡子裡發射電子的方向相反，也就是向下發射電子，那麼宇稱就不守恆了。

當然，上面只是理論分析，真正要做實驗的話，有兩個難點：第一，分子、原子、原子核都在雜亂無章的做熱運動，你怎麼讓它跟上圖一樣安靜下來旋轉？答案是給它降溫。溫度就是微觀粒子熱運動的一個表現，溫度降下來了它們自然就不鬧騰了，所以吳健雄做實驗的時候

把溫度降到了只比絕對零度（-273.15℃，粒子不動的時候的溫度，無法達到）高0.01K

；第二，因為微觀粒子具有不確定性，我不可能去觀察一個原子核發射電子的方向，我只能觀察一堆原子核衰變然後統計他們發射電子方向的機率。於是，我得讓原子核都按照一定的方向旋轉，這個技術叫原子核的極化，這在當時是妥妥的高科技。

這下子知道為什麼說實驗的難度巨大了吧，不過不管怎樣，吳健雄完成了實驗，她測量了一束鈷60衰變放出電子的方向，證明宇稱在弱相互作用下是不守恆的。實驗結果出來的時候，吳健雄自己都不相信這個結果，她生怕這是哪裡的實驗誤差導致的，於是小心謹慎的再回去檢驗。她也只把初步的實驗結果跟楊振寧和李政道說了，並且讓他們暫時不要對外公佈，但是，顯然楊、李二人對這個實驗結果並沒有那麼吃驚，於是迫不及待的就告訴別人了。

訊息一出，整個物理學界都震驚了！他們立刻去做其他驗證宇稱守恆的實驗，結果實驗準確無誤的顯示：在弱相互作用下，宇稱原來真TM的不守恆！

11宇稱不守恆的影響

諾貝爾獎只是宇稱不守恆一個很小的註腳。楊振寧和李政道在1956年10月發表了《對於弱相互作用中宇稱守恆的質疑》的論文，吳健雄隨後給了實驗驗證，諾組委立馬把1957年的諾貝爾獎頒給了35歲的楊振寧和31歲的李政道。要知道愛因斯坦在1905年提出來光量子說和狹義相對論，1915年完成廣義相對論，然後諾組委一直拖拖拉拉到1921年，也就是愛因斯坦42歲的時候才給頒獎。

因為宇稱不守恆（即便只是在弱相互作用下）並不是一個區域性性的理論發展，它影響了整個物理學界的方方面面，是囊括了分子、原子和基本粒子物理的一個基本革命。我在前面花了很大的篇幅給大家介紹了為什麼對稱性在20世紀物理學裡這麼重要（對稱性對應守恆律），特別是愛因斯坦的相對論在時空對稱方面取得的巨大成就，還有量子力學裡對對稱性的極度重視，使得那時候人們對對稱性的信仰和依賴絲毫不比20世紀之前人們對牛頓絕對時空觀的依賴弱。

20世紀初，洛倫茲、彭加萊這些人都已經走到狹義相對論的門口了，但是就是不願意放棄牛頓絕對時空的概念，因此被年輕的愛因斯坦後來居上。20世紀50年代的時候，全世界都在為θ-τ之謎絞盡腦汁，但是費曼、泡利、朗道這樣的物理學大師都不願意假設宇稱不守恆，從而讓年輕的楊振寧和李政道後來居上。

他們不願意放棄宇稱守恆，因為這些大師們太清楚對稱性在物理學的重要程度了，而且基於他們的審美觀念，他們絕不願意相信上帝會是一個左撇子

。

宇稱不守恆的發現震碎了人們對上帝絕對對稱的信念，迫使人們重新思考對稱的問題，這一轉向導致了後來許多深刻的發現。人們慢慢發現，上帝雖然喜歡對稱，但是並不喜歡絕對對稱，因為絕對對稱必然導致大家都一樣，從而缺乏生機（你想想如果全世界的人都長一個樣，那將是多麼恐怖的一件事）。假設宇宙在初期都是絕對對稱的，那麼所有的粒子和相互作用都一樣，那麼怎麼會有後來引力、電磁力、強力、弱力的區分呢？所以，最開始的對稱在一定條件下是會慢慢變成不對稱的，這樣對稱就

破缺

了，對稱破缺之後就出現了不同的東西。

比如現在已經知道了的：

電磁力

和

弱力

在早期就是完全同一種力，叫

電弱力

，後來隨著宇宙的環境溫度慢慢變化，發生了

對稱性破缺

，電弱力就分成了現在的電磁力和弱力兩種。電磁力和弱力的統一是二戰後物理學的一個巨大成就，統一他們的是一種被稱為

楊-米爾斯

的理論，而這個楊-米爾斯里的這個楊，正是我們這篇文章的主人公之一的

楊振寧

。其實，除了已經完全統一了的電弱相互作用，現在用來描述強相互作用的

量子色動力學

也是一種楊-米爾斯理論。正因如此，楊-米爾斯方程在現代物理學裡極為重要，這是繼麥克斯韋方程組和愛因斯坦引力場方程之後最為重要的一組方程。相比給楊振寧先生了帶來諾貝爾獎的宇稱不守恆，楊-米爾斯方程才是楊振寧先生的最高成就，也是東方人在物理學上的最高成就。

關於楊-米爾斯方程的事情，我在後面會用更大的篇幅給大家做更詳盡的介紹。雖然楊米爾斯-方程和規範場很複雜，但是我會盡力用極通俗的語言和清晰的邏輯給大家理清楚，怕錯過的盯住我的公眾號就行了，公眾號裡都是我自己寫的文章。其實大家也不要有畏懼心理，不要被一堆公式嚇住了，宇稱不守恆一樣很麻煩很複雜，可是，一路看到這裡來的朋友，我相信對宇稱不守恆的事情基也基本上搞清楚了。看，現代物理也沒想象的那麼可怕~

12結語

在文章的最後，我想跟大家聊點科學以外的事情。

宇稱不守恆震驚了全世界以後，人們開始想到，為什麼偏偏是兩個中國人（宇稱不守恆的論文發表於

1956年

，楊振寧和李政道加入

美國國籍

的時間分別為

1964年

和

1962年

，所以那會兒他們還都是中國國籍）引導物理學界跨過了這道坎，解決了一個“物理學理論根本結構”的問題？而堅持要做驗證宇稱是否守恆實驗的，也是一個剛剛加入美國國籍的華裔科學家吳健雄。

美國一位雜誌編輯坎佩爾推測，也許東西方的某些文化差異促使中國科學家去研究自然法則的不對稱性。《科學美國人》的編輯，著名的科學作家

馬丁·加德納

更是認為，中國文化素來就重視不對稱性，在中國文化裡極為重要的

太極圖

就是一個

非對稱分割的圓

，這裡的黑白兩色代表陰和陽。陰陽表示了自然界、社會以及人的一切

對偶關係

，如善惡、美醜、雌雄、左右、正負、天地、奇偶、生死……無窮無盡。而且最美妙的是每一種顏色重都有另一種顏色的一個小圓點，這意思是指出陰中有陽，陽中有陰；美中有醜，醜中有美；生中有死，死中有生；

對稱中有不對稱，不對稱中有對稱

……這種不對稱性的思想傳統也許早就使楊振寧和李政道受到了潛移默化、耳濡目染的影響，從而使他們比重視對稱性的西方科學家更容易打破西方科學傳統中保守的一面。

太極圖我們再熟悉不過了，陰陽相生相剋的道理我也明白。馬丁·加德納的說法到底有沒有道理，長尾科技就不在這裡妄下結論了，留給大家自己思考吧。

最後，經過後來幾十年的研究，人們對弱相互作用下宇稱如何不守恆已經基本弄清楚了，但是

對宇稱為什麼會不守恆仍然是一頭霧

水

，特別是為什麼宇稱在其它三種相互作用下守恆，偏偏在弱相互作用下不守恆

。

這個接力棒，就交給你了~

本文轉載自《長尾科技》