宇称不守恒

上期我们说到，到了60年代末期人们陆续发现了200多种新粒子，这其中有一个粒子叫做K介子。人们在研究K介子的时候发现，K介子貌似有两种，一种会衰变成两个π介子，另一种会衰变成三个π介子。所以当时物理学家临时给这两种K介子起了名，衰变成两个π的叫做θ，衰变成三个π的叫做τ。不过随着实验越来越精确，人们发现这个θ和τ质量相同、寿命相同，啥啥都一样，唯独不同的就是衰变的时候，可能生成两个π可能生成三个π。于是人们就开始怀疑了，θ和τ能不能就是同一个粒子呢？这件事在当时被称作“θ-τ之谜”。

你可能会觉得，这就是同一种粒子呗，只不过是两种不同的衰变方式而已。的确可以这么认为，而且在粒子的衰变中，衰变产物不一样这件事也不奇怪。但是物理学家却纠结了，因为这背后牵扯着一个守恒定律叫做宇称守恒。什么是宇称守恒呢？我们听过能量守恒、动量守恒等等。比如说物理反应前的能量如果知道了，那反应后的能量也是一样的。其实早在19世纪末，物理学家和数学家就发现，每一种守恒律都和一种对称性相关联。比如能量守恒定律对应的对称性是“时间平移对称性”。这是因为你无法测量时间的绝对值，我们说的每一分每一秒都是相对一个特定的时间长度而言的。

对于一个物理定律来说，昨天、今天和明天，在不同时间点上，它的表现形式都是一样的，那么我们就说它满足能量守恒定律。类似地，动量守恒定律对应的是“空间平移对称性”，意味着空间是不存在绝对位置的。比如，我在北京做实验得到一个规律，你在上海用完全相同的实验条件和方法做实验，也得到了相同的规律，那就意味着这个物理规律不会随着空间位置的改变而改变，那么它就满足动量守恒定律。当然，还有“空间转动对称性”就对应了角动量守恒，这里说的是空间的方向没有一个绝对位置，假设我们把空间转动一下，得到的物理规律不会因此改变，就满足角动量守恒。还有一种对称性就是镜像对称，比如说照镜子，我怎么做镜子里的像就会怎么做，用物理语言来描述就是，物理规律的空间反演或者说镜像变换的不变性。这种对称性在经典物理中不对应什么守恒量，不过在量子物理中它对应的就是宇称守恒。通俗理解就是说镜子外粒子的运动规律应该和镜子里的粒子的物理规律是一样。所以，一个物理现象满足什么样的什么守恒定律，取决于它本质的对称性是什么样的，这种守恒律和对称性，可以是一个，也可以是多个。

那我们再来看这个θ-τ之谜，它俩的衰变产物π介子的宇称值是-1，根据宇称守恒，θ的宇称值由两个π介子组成，就应该是-1的平方+1，τ的宇称值由三个π介子组成，就应该是-1的立方还是-1。这就是物理学家不愿意承认θ和τ是同一种粒子的原因，因为它俩的宇称值不一样！而且宇称守恒在当年人们心中的地位和能量守恒是一样的，物理学家就没怀疑过，然而就是这个结论被杨振宁、李政道和吴健雄三位打破了，这也是杨-李二老获得诺奖的原因。

1956年杨振宁和李政道开始关注θ-τ问题，第一个考虑的事情是，π粒子是θ-τ衰变的产物，而衰变又是由于弱相互作用引起的，所以他们大胆假设弱相互作用中的宇称能不能是不守恒的呢？于是二人在1956年10月1号这天，在《物理评论》上发表了一篇论文，名为《弱相互作用中的宇称守恒质疑》。但几乎当时所有的物理学家都不愿意相信宇称是不守恒的。看来只能通过实验验证了，杨-李二人设计了几个实验专门来验证弱作用中的宇称守恒问题，但是这几个实验都比较困难，找了一圈没人愿意做，可能也感觉是在浪费时间。这时他们忽然想起了吴健雄。1956年吴健雄正在哥伦比亚大学任教，收到杨李的邀请，吴健雄很快就发现了这个实验的难点，一个是需要低温条件，于是吴健雄领着几位助手来到了美国华盛顿国家标准局借用那的实验室，因为几乎要达到接近绝对零度的条件，当时就只有国家标准局能实现。另外一个难点是需要长一个大晶体，这个实验需要观测稳恒磁场中极低温度的钴-60原子的衰变情况，钴-60不稳定可以衰变成镍-60。最终通过努力还是克服了困难，终于在1957年1月9日凌晨两点钟，他们的实验结果出来了，弱相互作用下的宇称是不守恒的！就这样困扰物理学家多年的θτ之谜由三位华人物理学家联手解决了！当时的《纽约时报》头版头条报道了这件事，标题就是《物理学的基本观念已经由实验推翻》，虽然今天看起来有点标题党，不过可见当时这件事引起了多大的轰动。1957年10月瑞典皇家科学院宣布本年的物理学诺贝尔奖颁发给中国的杨振宁和李政道先生。这也是我国的第一块真真正正的诺奖奖牌，唯独可惜的是，吴健雄先生没有得奖，但她的贡献依旧被物理学界铭记。再次向他们表示崇高的敬意！

作者：妈咪说科普创作者

审核：罗会仟中国科学院物理研究所副研究员

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