1932年查德威克發現了中子，加上之前發現的質子和電子，似乎世界的實質已經很清楚了，堂堂元素周期表中100多種元素，都是由這三種基本粒子組成的。世界的物理圖景竟然如此簡潔，理論物理學家們似乎可以去阿爾卑斯山度假了。

沒想到從1937年開始，μ子、中微子、π介子各種奇異粒子接連在回旋加速器中被捕捉到。到了1950年代，發現基本粒子的種類竟然比化學元素的種類還多，物理學界從起初的興奮逐漸轉為迷茫，看起來，這些基本粒子仍然不是世界的本源，理論物理學家們終於又可以擼起袖子加油幹了。

【美國的費米粒子加速器。】

和門捷列夫整理元素周期表類似，理論物理學家們首先觀察各種基本粒子的性質，希望從中找出規律性的東西。1956年，物理學家首先發現θ子和τ子的自旋、質量、壽命、電荷等性質完全相同，讓人不得不懷疑這倆貨實際上是同一種粒子。但另一方面，θ子會衰變成兩個π介子，而τ子會衰變成三個π介子，這又如何解釋。

這種情況下，兩個在美國的中國小夥子楊振寧和李政道對此開展研究，他們提出：這兩種粒子實際就是一種，之所以衰變方式不一樣，是因為衰變的時候發生了弱相互作用，在微觀世界，弱相互作用的宇稱不守恆。

【年輕的楊振寧（右）和李政道（左）。】

宇稱？這是個什麼東東？

物理學家魏格納在1927年最早提出這個概念，英文叫做「Parity」，有對等之意，魏格納希望這個物理量表示空間反演的運算。翻譯到中文裡，因為「宇」本身就有空間的意思，宇稱就是空間對稱。

在描述物體的數學公式里，如果一個點的坐標為r，則經過空間反演變換之後，它的坐標變成-r。你可以這樣想像，宇稱這種空間反演變換就好像一面鏡子，變換之後得到的是自己的鏡像。稍有常識的人都知道，鏡子里的人跟自己不是完全一樣的，左右互換了。但鏡子里的人也必須遵守同樣的物理定律，我跳他也跳，我蹲他也蹲，不可能看到我在刷牙，而他卻在洗臉。這就是宇稱守恆！

【宇稱就是照鏡子。】

在楊振寧和李政道之前，包括魏格納在內，都認為宇稱守恆是不言自明的。是啊，誰也沒有一塊愛麗絲的鏡子，會在裡面看到一個完全不一樣的世界。大嘴巴泡利聽到楊和李的「宇稱不守恆」之後嗤之以鼻：「我就不相信上帝竟然會是一個左撇子。」

但楊和李要問：「你憑什麼認為這是對的？」這就是偉大的科學精神，質疑一切。

再完美的理論，最終都需要實驗來檢驗，何況楊和李提出的是「不完美」的理論？有能力檢驗這種超越時代命題的，唯有我「中國的居里夫人」：吳健雄！

【年輕的吳健雄。】

吳健雄，出生於江蘇太倉，父親非常開明，希望她巾幗不讓鬚眉，積健為雄，因而給她取了這個非常男性化的名字。她從小資慧聰穎，學習遊刃有餘，進入中央大學攻讀數學專業沒多久，被愛因斯坦、居里夫人等物理大牛所折服，改學物理。1936年，她來到美國伯克利大學，前後師從勞倫斯、奧本海默，並在二戰時期參與了曼哈頓計劃，鈾離心濃縮的方法就是她的團隊搞出來的。

在楊和李找到她的時候，吳健雄已經是研究弱相互作用β衰變的權威，她立馬意識到這是一個非常有價值的問題，值得研究。思來想去，她的目光落到了當時已經用於治療腫瘤的鈷60。

鈷60在自然界不存在，卻非常容易製取，用中子照射常見的鈷，就可以將鈷59變成鈷60。鈷60的半衰期是5年多，不長也不短，容易在實驗室里計量。

【在實驗室的吳健雄。】

鈷60的衰變有一些特別，它會衰變成鎳60，同時釋放出電子、反中微子和光子，當時還沒有探測中微子的手段，只能觀測另兩種粒子。釋放電子的過程是弱相互作用，而釋放光子的過程是電磁力作用，當時已知電磁力是遵守宇稱守恆的，所以釋放出來的光子可以作為很好的參照物。通過實驗去對比不同自旋的電子和光子的分布，如果在同樣自旋方向上的比例都一樣，則可得到結論，弱相互作用宇稱是守恆的，但如果有反例出現，楊振寧和李政道的假設就是對的。

【鈷60實驗的原理。】

想法是美好的，但是做起來又是多麼的艱難，好在吳健雄以細緻精密而著稱，她經常開發出別人意想不到而又聰明絕頂的實驗方法。

原子核的磁矩只有電子的幾千分之一，將不同自旋的鈷60原子核極化需要非常強的磁場，因此吳健雄團隊先用液氦將體系溫度冷卻到1.2K以下，將鈷60沉積在一塊順磁性的硝酸鎂鈰晶體上，再用泵將液氦抽低壓，這樣，體系溫度進一步冷卻到0.003K。鈷60在低壓下受到磁場的作用，被向上或向下引導出來。這時候再分別用計數器去檢測上下兩部分光子和電子，統計下來就可以得出想要的結果。

【吳健雄實驗的具體方法。】

結果很快出來了，吳健雄發現絕大多數電子的出射方向都和鈷-60原子核的自旋方向相反，在弱相互作用中，宇稱是不守恆的，上帝果然是一個「左撇子」。

當吳健雄的論文發表之後，第二天，《紐約時報》就以頭版報道了吳健雄實驗的結果。楊振寧李政道吳健雄這三個美籍華人的發現超越了整個物理學界，全人類對於宇宙的認識上升了一個新台階。

無數的吃瓜群眾表示懵逼：真的有這麼牛嗎？請看下集！

【左右手竟然不是對稱的。】

無數物理學家窮極一生所追求的，莫過於那幾個守恆律。守恆的物理量代表的是物理學的最高境界：簡單就是美，用中國古話說，叫大道至簡。物理學家們相信，我們的造物主在設計宇宙時，就按照這個理念。物理學家的工作，無非是去理解和發現我們造物主的思想。

1918年，德國女物理學家諾特發表了一篇論文，提到每一條守恆律都可以和一種對稱性對應起來的，比如：

動量守恆代表的是空間平移的對稱性，空間的性質在哪裡都是一樣的，並不因為你在南京而不在上海，你就會胖一點或者跑得快一點。

角動量守恆代表的是空間的各項同性，不管轉多大角度，物理定律都是一樣的，如果你要說你轉多了頭暈，不是由於空間出錯了，而是你的生理特徵，這也由更深層次的物理學定律所支配。

能量守恆代表的是時間平移的對稱性，時間總是均勻的流逝著，時鐘不可能一會快一會慢。

這就是偉大的「諾特定理」，它體現了守恆律的美。

【德國女物理學家諾特，她提出的「諾特定理」影響深遠。】

而現在吳健雄的實驗告訴大家，原來我們的宇宙竟然有一個不守恆的地方，而且是我們之前最意想不到的地方：鏡像不對稱，大多數人都首先表示不能接受，泡利「左撇子」的論調正是代表了大家的心聲。但隨即，智慧者也開始思索，實驗是不會說謊的，必須相信實驗，那是不是代表這背後還有更深層次的奧秘呢？

一直以來，電荷對稱性也被視為宇宙真理，每一種粒子都有其對應的一種反粒子，除了電荷以外，其他性質幾乎完全一樣。但奇怪的是，為什麼我們身處一個正物質的世界，這個宇宙中的反物質竟然如此之少？只能假設在宇宙創世之初，由於某種原因，多產生了一點正物質，但這樣的話，電荷對稱性就受到挑戰了。

1957年吳健雄的鈷60實驗之後，蘇聯物理學家郎道提出，電荷可能不對稱，宇稱也被證明不守恆，但可能電荷（C）和宇稱（P）合在一起就守恆了。他稱之為CP對稱性，也就是說電子和鏡子裡面的正電子遵循同樣的物理定律。

【CP對稱性：將電子變成正電子，自旋方向改變。】

這種新的理論假設僅僅過了7年就被打破了，1964年，美國物理學家克洛寧和費奇研究了一種K介子，在它衰變成兩個π介子的過程中，CP不守恆。這一發現使得兩位科學家獲得了1980年諾貝爾物理學獎。

【1980年諾貝爾物理學獎獲得者：克洛寧和費奇。】

物理學家們沒有放棄最後的努力，他們相信我們宇宙的造物主一定會用最精巧的定律去設計我們的世界，他們還有最後一根救命稻草——泡利1954年和呂德斯一起提出的CPT守恆，T是時間反演。當電荷、宇稱、時間同時反演的時候，物理定律又一樣了，舉個例子，電子和鏡子里時光倒流的正電子遵循同樣的物理定律。

問題是，現在已經證明了CP不守恆，如果CPT守恆，那就意味著T不守恆，可是誰看到錄影帶倒放的時候出現過什麼「幺蛾子」呢？

其實，從著名的熱力學第二定律開始，物理學家早就認識到，時間和其他的物理量嚴重不一樣，我們從來看不到時間反轉，卻總是看到系統變得更加混亂，代表混亂度的「熵」總是越來越大。

所以看起來，時間反演的對稱性也不可靠，近年來，實驗物理學家也在積極尋找微觀世界裡某些粒子作用中T不守恆的證據，但還沒有完全被證實。

【根據CPT守恆，氫原子和鏡子里時光倒流的反氫原子遵守同樣的物理定律。】

在楊振寧、李政道和吳健雄之後的物理世界看起來似乎更加混亂了，原本被認為合乎規矩的守恆定律一一被打破，難道我們的世界真的是沒有規律、殘破不全的嗎？

2008年11月7日，瑞典皇家科學院宣布，美籍科學家南部陽一郎和日本科學家小林誠、益川敏英獲得當年諾貝爾物理學獎，以表彰他們提出「自發對稱性破缺機制」並揭示其起源。

「對稱破缺」？這又是一個什麼東東？

原來，早在1960年，南部陽一郎將鐵磁系統和超導體中對稱破缺的概念引入到微觀粒子系統，給出了第三種夸克的預言並被證實。當時他的思想過於超前，其他物理學家只能慢慢理解消化，所以一直到40多年之後才獲得諾貝爾獎的認可。

原來，我們的宇宙真的不是嚴格對稱的，因為如果它嚴格對稱，就沒我們什麼事了，比如電荷嚴格對稱，正物質和反物質一樣多，那麼它們都將湮滅在射線的海洋里，根本不能產生我們現在以正物質為主要存在的宇宙。所以，我們的宇宙之所以如此精彩，乃是因為它就不是嚴格對稱的。

【對稱破缺的一種比喻，小球只有在中央的頂點才是穩定的、對稱的，當受到微擾，它就會落下來，產生運動，並發出各種叮呤咣啷。穩定的、對稱的、孤芳自賞的小球甚是無趣，叮呤咣啷才是我們宇宙的精彩。】

現在我們可以理解，楊振寧、李政道和吳健雄關於宇稱不守恆的發現意義有多麼的深遠，他們和鈷60一起給我們揭開了通往宇宙奧秘的一扇門。

1957年，在鈷60實驗之後不到一年，當年的諾貝爾物理學獎就頒發給了楊振寧和李政道，吳健雄名落孫山。吳健雄後來在給朋友的信件中寫道：「儘管我從來沒有為了得獎而去做研究工作，但是，當我的工作因為某種原因而被人忽視，依然是深深地傷害了我。」這也算是人之常情吧，我想大家都可以理解。

不管怎樣，吳健雄已經被冠上了「世界物理女王」、 「核物理女王」、「物理第一夫人」等稱號，她是女性的驕傲，甚至是全人類的驕傲，讓我們永遠記住這位偉大的「中國居里夫人」吧！

【在實驗室的「中國居里夫人」。】

推薦閱讀：
相关文章