3.2 一个出人意料的结果——宇称不守恒[28][29][30][31]

我们知道，物理学中有许多守恒定律，例如，动量守恒、角动量守恒和能量守恒等，由诺德定理可知，动量守恒对应于空间平移对称性，角动量守恒对应于空间转动对称性，能量守恒对应于时间平移对称性。除了这些人们熟知的守恒定律外，物理学中还有一个守恒定律，这就是宇称守恒，宇称守恒对应于空间反演对称性。

所谓空间反演指的是对于一个中心点的、空间坐标同时反过来的操作。例如，对于坐标原点，反演的坐标变换关系是将坐标（x, y, z）变成（-x, -y, -z）。数学上可以证明三维空间反演变换可以被分解为两个变换：一个是镜像反射，另一个是180°的旋转变换。镜像变换把左手变成了右手，因此镜像对称常说成左右对称。旋转变换不会使系统的状态发生改变，无论空间怎么旋转，左手仍然是左手，另外，空间转动变换下物理规律具有不变性，考察空间反演变换实际上和考察镜像变换是等价的，因此，有时也说宇称守恒对应于左右对称。

在20世纪50年代中期以前，通过对强相互作用、电磁相互作用的长期研究，大量的实验证明宇称守恒定律是正确的，即物理规律在上述相互作用下都是左右对称的。因此，这一观点很自然地被人们所接受并加以推广，当时，物理学家认为左右对称是物理学的普遍规律，在弱相互作用下也成立。

然而，有一个问题却困扰着物理学家，这就是“-τ疑难”。

20世纪40年代末，物理学发展了一个新的领域，这就是粒子物理学。我们知道，基本粒子是构成所有物质的基本单元。随着科学技术的不断发展，人们对基本粒子的认识是不断深化的。在古希腊时期，人们认为物质是由原子组成，原子的词义就是不可分的意思，所以，原子是古希腊人的基本粒子。1911年，卢瑟福做了著名的α粒子散射实验之后，科学家发现原子是可以分割的，原子是由中间大质量的、带正电荷的原子核和外层带负电荷的电子组成的。1932年，英国科学家查德威克发现了中子，使人们弄清了原子核也是可分的，是由质子和中子构成。至此，人们已经知道了5种基本粒子，它们是质子、中子、电子、正电子和光子。

第二次世界大战后，随着实验技术的不断改进，特别是大型加速器建造起来后，人们可以把粒子束加速到能够打击各种粒子，以产生新的粒子的程度。这样一大批新的粒子发现了。现在人们知道的基本粒子已有数百种，而且，这个数量还在增加。1947年，两位英国实验物理学家从宇宙线的实验中发现，当物质被高能量的粒子撞击的时候，在碎片中会产生新的粒子。科学家把这种非同寻常的粒子叫奇异粒子。

在这些奇异粒子中最使科学家大惑不解的，也使他们最感兴趣的是两个奇异粒子：介子和τ介子的奇怪特征。物理学家发现，介子和τ介子具有几乎完全一样的性质：相同的质量、相同的寿命、相同的电荷，以致人们不得不怀疑它们是否就是同一种粒子。然而，它们在宇称上的表现却又完全不同。介子和τ介子衰变时，表现出完全相反的宇称。介子和τ介子是不是同一种介子呢？研究基本粒子的物理学家把这个问题称为“-τ疑难”。

图3-1 李政道和杨振宁

1956年，李政道和杨振宁（见图3-1）在研究物理学的一个难题——“-τ疑难”时发现，在电磁相互作用和强相互作用中，宇称守恒是有大量实验证明的；但是，在有关和τ介子衰变和β衰变等弱相互作用的实验中，却没有任何实验能够说明宇称守恒或者不守恒，也没有专门的实验检验这一问题。他们认为，弱相互作用中宇称也守恒只不过是人们的一种推想，而被大家接受下来。于是，李政道和杨振宁把一个关于-τ介子的孤立问题演变成一个具有广泛意义的重要问题，即在所有弱相互作用中宇称是否守恒。

1956年6月，李政道和杨振宁向美国《物理评论》提交了《弱相互作用中的宇称守恒问题》的论文，文章中写道：“宇称守恒至今仍然只是一个外推性的假设……为了毫不含混地确定在弱相互作用中宇称是否守恒，我们必须完成一个实验来确定在弱相互作用中左右是否不相同。下面我们讨论一些可能达到这一目的的实验。”

图3-2 吴健雄

接着文中具体建议在原子核的β衰变和基本粒子衰变中可以通过哪些实验来检验宇称是否守恒，他们一共提出五个实验，其中一个就是极化60Co原子核的β衰变实验。1957年吴健雄（见图3-2）等人进行了这一实验，她以两套装置中的60Co互为镜像，一套装置中的60Co原子核自旋方向为左旋，另一套装置中的60Co原子核自旋方向为右旋，结果发现在极低温情况下，放射出来的电子数有很大的差异，吴健雄等人第一个用实验证实了弱相互作用过程中宇称的确是不守恒的。

吴健雄在实验完成后，有两个星期兴奋得无法入睡，再三问自己：为什么老天让她来揭示这个奥秘呢？她还深有体会地说：“这件事给我一个教训，就是永远不要把所谓‘不验自明’的定律视为是必然的。”[31]