“不验自明”的教训

尹传红

李政道与杨振宁荣膺诺贝尔奖，迄今整整61年了。这是华人科学家第一次在纯科学领域获得的轰动世界的影响。两位大佬依然健在，且不时成为公众话题，想来也真是有许多说道。不过，让我感到惊讶的是，如果细细追问一句，他们当年究竟取得了怎样的成就，在科学上又有着怎样的意义，却没见几个人能说出个道道来。

惯常我们听到的说辞是，李政道和杨振宁因揭示“弱相互作用中宇称不守恒”而获得1957年诺贝尔物理学奖。他们的重大发现打开了物理学的新视野，促成了人们对自然认识的一个根本性变革。

仔细探究，我觉得那是一种敏锐的观察力和深刻的洞察力结合而致的创新之举。

当年李、杨二人开展学术合作之时所关注的一个重点，是“宇称守恒定律”及其所引出的“θ-τ之谜”。

自古以来，人们就在讨论对称性问题，比如左和右之间的对称等。20世纪物理学中的一个重大发现是，所有守恒定律都对应一种对称性。如能量守恒对应的是时间的对称性，动量守恒对应的是空间的对称性。物理学定律好像一直显示出左右之间的完全对称。这种对称在量子力学中可以形成为一种守恒定律，成为宇称守恒，它和左-右对称原理完全相同。这个守恒的量被称为“宇称”（parity）。

跟质量、电荷等物理量一样，宇称也是描述基本粒子物理性质的一个物理量。人们由此一直认为存在着所谓的“宇称守恒”，即宇宙没有左右的区别。假如你走进一个四壁都镶满镜子的屋子里，那么你会发现，这里左和右相互对调，自然规则仍将保持不变，你无法确定哪一个是实际存在的，哪一个是镜像的。

20世纪40年代末至50年代初，物理学家惊讶地发现：最轻的奇异粒子（后来称之为K介子）在衰变时，真会导致奇异的结果：有一种粒子衰变成2个π介子，称为θ粒子;另一种粒子衰变成3个π介子，称为τ粒子。精确的测量表明，θ与τ具有相同的质量、寿命、电荷等性质，是同一种粒子。可是，从角动量和宇称守恒的要求看，θ与τ不可能是同一种粒子。

看起来似乎是一类K介子按实在的方式衰变，另一类按镜子中的方式衰变。它们就好像是以不同方式分裂的同一种粒子。这也意味着，如果同一种粒子可以按两种不同的方式衰变的话，那么宇称守恒定律就不再成立，自然界中的左和右就是能够区分开来的。

然而，当时大多数物理学家认为，这是两个不同的粒子，只是它们的怪异之处还无法解释。物理学界也普遍相信，宇称守恒定律就像能量、动量等守恒定律一样，是一条普适的规律。

物理学大厦确实存在着问题！李政道和杨振宁意识到，要解开宇称的“θ-τ之谜”，或许需要一种开放式思维的研究方式，对左右对称进行重新评价。1956年春夏之间的数次“约会”，他们两人都围绕那个谜团苦苦思索、讨论，最后他们认为，要走出困境，就要先假设宇称并不严格守恒。

1956年6月中旬，他们写成了一篇题为《弱相互作用中的宇称守恒问题》的论文，提交给《物理评论》杂志。他们在论文中指出，通过对已有实验的检查表明，宇称守恒在强相互作用和电磁相互作用中是高度准确的，但弱作用，如介子和超子衰变中，以及各种费米子相互作用中，宇称守恒到目前为止只是没有实验支持的外推的假设。

对弱相互作用来说，宇称守恒从未被检验过，那么用实验来检验就至关重要。1956年夏至1957年1月，美籍华裔物理学家吴健雄设计完成了一个实验，即用同位素钴60的β衰变来做观察，终于得到一个明确的结果：宇称在弱相互作用下不守恒！一直被视为不容置疑的宇称守恒定律，被推翻了。

吴健雄后来感慨道：“这件事给了我们一个教训，就是永远不要把所谓‘不验自明的定律视为是必然的。”她的老师、美籍意大利裔物理学家埃米利奥·吉诺·塞格雷也评价道：“（弱相互作用的）宇稱守恒定律的崩溃……消除了一种偏见，这种偏见未经足够的实验验证，就被当作一条原理。”

破除一个“想当然”的俗见，就如同打开了一个全新的视野。创新，有时候好像也不是那么“难”啊！