弱相互作用：上帝是个左撇子！

李政道与杨振宁。图源：AIP Emilio Segrè Visual Archives

导读：

李政道与杨振宁提出的弱相互作用下的宇称不守恒，经同为华人科学家的吴健雄与美国标准局合作的实验验证，是科学史上的重要篇章：对称主导物理是常态，但在弱相互作用下，镜像却不再对称。这一发现完全改变了人们固有的认知，堪称科学史上的一场观念革命。

本文为资深科普作家邢志忠在《赛先生》的专栏“标准模型小史”的第七篇。

邢志忠 | 撰文

1947年，英国曼彻斯特大学的乔治·罗彻斯特（George Rochester）和柯利佛德·巴特勒（Clifford Butler）在众多云室照片中发现了两张由宇宙线轰击大气层所导致的次级“V”字型事例 [1]，后者可以解释为一个不稳定的电中性粒子衰变成携带正反单位电荷、在磁场中分道扬镳的介子。该反应背后神秘的电中性母粒子就是如今熟知的介子，它和自己的反粒子以及带电伙伴介子在随后的近二十年中，将粒子物理学带入了一个崭新的时代。与这些新粒子密切相关、具有里程碑意义的重大发现和进展包括：基于对称性的夸克模型的建立、弱相互作用中宇称（Parity，简称P）不守恒的发现、以及电荷共轭（charge-conjugation）与宇称联合变换对称性（简称CP）破坏的发现。

宇称在粒子物理学中是一种只能取分立值、遵守相乘规则的量子数。如果某一粒子的波函数在镜像反射变换或者空间反演变换下保持不变（或改变符号），则定义该粒子具有“偶”宇称（或“奇”宇称）。长期以来，物理学家们普遍相信宇称在电磁、强和弱相互作用过程中都是守恒的；直到1956年底和1957年初，这种信念才在无可争议的实验事实面前发生了根本性的改变——弱相互作用其实最大程度地破坏宇称！引领这场观念革命的两位理论物理学家，就是当时仍持有中国护照、年仅30岁的李政道（Tsung-Dao Lee）和34岁的杨振宁（Chen-Ning Yang）。他们二人因此于1957年获得诺尔贝尔物理学奖，成为有史以来首次获得此项殊荣的中国科学家。

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两人都是费米的好学生

1926年11月24日，李政道出生于上海。他在1943年考入当时因抗日战争而迁至贵州的浙江大学，该校于1944年并入在昆明成立的西南联合大学。1946年，经吴大猷教授推荐，20岁的李政道赴美留学，就读于芝加哥大学，师从大名鼎鼎的美国物理学“教父”恩里科·费米（Enrico Fermi）。1950年6月获得博士学位后，李政道先后在芝加哥大学、加州大学伯克利分校和普林斯顿高等研究院从事流体力学、统计物理学、凝聚态物理学和粒子物理学的理论研究，1953年入职哥伦比亚大学，1956年成为该校创建200年以来最年轻的正教授。

比李政道年长4岁的杨振宁于1922年10月1日出生在安徽合肥。他于1938年考入西南联大，1942年本科毕业后留校攻读研究生，其硕士论文导师是王竹溪教授。1945年，杨振宁赴美留学，就读于芝加哥大学，师从美国“氢弹之父”爱德华·泰勒（Edward Teller），但也得到了费米的悉心点拨和指导。杨振宁于1948年获得博士学位，1949年进入普林斯顿高等研究院，同一年与费米合作提出了基本粒子的第一个复合模型。1954年夏天，杨振宁在访问纽约州的布鲁克海文国家实验室期间，与博士后罗伯特·米尔斯（Robert Mills）合作，推导出非阿贝尔规范场的理论结构，即著名的“杨-米尔斯场论”。1956年，同样身在布鲁克海文的杨振宁与李政道合作，提出了弱相互作用宇称不守恒的革命性思想，成功地解决了当时困扰粒子物理学界的“-之谜”。

所谓“-之谜”，指的是当时实验测量发现，携带一个单位正电荷的和介子拥有完全相同的质量和寿命，但它们却分别衰变到3和2末态。由于每个介子的宇称都为“-1”，因而在解释实验结果时出现了两难的局面：（1）如果宇称在弱相互作用过程中守恒，则和的宇称应该分别为和，属于两种不同类型的粒子，如此一来为什么两者的质量和寿命完全相同？（2）如果和其实是同一种粒子，即同为拥有“-1”宇称的介子，那为什么它既可以衰变到“-1”宇称的3末态，又可以衰变到“+1”宇称的2末态？第二种情形意味着宇称在弱相互作用过程中其实不是一个“好”量子数，而这与物理学家们先前所持有的宇称守恒的信念相矛盾。解决“-之谜”的出路何在？

李政道和杨振宁发现，尽管有诸多的实验证据表明宇称在电磁和强相互作用过程中是严格守恒的，但是对于弱相互作用而言，宇称守恒只是一个外推式的假设，并没有得到任何直接实验证据的支持。于是直觉告诉这两位深得费米真传的年轻物理学家：或许宇称在弱相互作用过程中并不守恒，这就有可能导致同一种粒子衰变成宇称相反的两种不同末态。换句话说，实验上所观测到的“-之谜”可能是弱相互作用宇称不守恒的一种具体体现！

1956年6月22日，美国物理学会主办的《物理评论》（Physical Review）期刊编辑部收到了来自李政道和杨振宁的论文，题目是“弱相互作用中宇称守恒的问题”（Question of parity conservation in weak interactions）。其实这篇论文最初的标题是“宇称在弱相互作用中守恒吗？”（Is parity conserved in weak interactions?），但《物理评论》的编辑建议作者不要在标题中使用问号，于是李政道和杨振宁采用“问题”一词替代了问号。这篇论文于1956年10月1日正式发表 [2]，成为粒子物理学发展史上的一篇极其重要、影响深远的文献。

李政道和杨振宁在论文中明确指出，即便是在最为人们所熟知的弱相互作用过程——原子核的贝塔衰变反应，宇称守恒也一直只是想当然的假设，从来没有被令人信服地检验过。于是他们提出了一系列检验宇称守恒的实验可能性，包括利用极化的钴原子核的贝塔衰变和介子衰变及其相应的次级衰变。不仅如此，他们还在论文的结尾强调了宇称不守恒将意味着左右对称性的破坏，而后者对宇宙学也会产生深远的影响。

其实早在1956年的初春，李政道就将他和杨振宁关于弱相互作用可能破坏宇称、从而解决“-之谜”的想法告诉了哥伦比亚大学的同事吴健雄（Chien-Shiung Wu），并告诉她通过测量在磁场中被极化了的原子核发生贝塔衰变时所释放的电子的螺旋度（helicity），或许可以用来判断宇称在该反应过程中是否守恒。吴健雄则提议用极化的钴元素开展贝塔衰变的实验。

所谓螺旋度，指的是电子的自旋在其动量方向的投影。假设一个具有右手螺旋度的电子垂直于一面镜子运动，此时它的动量方向和自旋取向分别对应右手的大拇指和弯曲的四指；那么镜子中的电子将具有相反方向的动量，但其自旋方向不受镜像反射的影响，这意味着电子的镜像具有左手螺旋度，即其动量方向和自旋取向分别对应左手的大拇指和弯曲的四指。针对这个照镜子的电子而言，宇称守恒或镜像对称性要求它的左、右手螺旋度都存在；而宇称或镜像对称性若发生最大程度的破缺，即根本就没有镜子可照，则镜像电子将完全不会出现。吴健雄的实验结果指向后者，从而证实了宇称在弱相互作用过程中最大程度地破缺了。

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两篇实验论文比肩发表的背后

作为李政道的同事，吴健雄在第一时间领悟到李政道和杨振宁关于弱相互作用可能破坏宇称守恒这一想法的重要性，立即放弃了当年与丈夫一同回国探亲的计划，着手利用极化的钴元素开展贝塔衰变的实验。该实验主要分两步：首先通过外磁场将钴原子核的自旋极化，然后测量贝塔衰变所产生的电子的动量方向。由于反应前后的角动量守恒，末态的子核、电子和电子型反中微子的自旋取向都必须与母核的自旋取向一致，即与磁场的取向相同。在这种情况下，只需要测量电子的动量方向，就可以确定其螺旋度。假如该反应过程保持宇称守恒，那么电子沿着磁场方向运动和与之反向运动的概率应该相等，即其以相同的概率呈现出左手和右手螺旋度。

但是这个实验需要低温技术，而哥伦比亚大学的低温技术不够先进，于是吴健雄找到了美国国家标准局的四位低温技术专家，利用那里的先进设备做了一个后来被证明是具有深远历史意义的实验。他们这个五人小组在1956年底发现，极化的钴原子核发生贝塔衰变后，出射的电子只是逆着磁场的方向运动，其动量方向与其自旋方向相反（即只具有左手螺旋度），这意味着该反应的宇称不仅不守恒，而且发生了最大程度的破缺。吴健雄立即把他们得到的这个初步实验结果告诉了李政道和杨振宁。

在1957年1月4日的例行星期五午餐会上，李政道向自己的几个哥伦比亚大学的同事透露了这一令人振奋的实验结果。没想到当时在场的利昂·莱德曼（Leon Lederman）马上意识到问题的重要性，当晚就带领两个年轻人行动起来，利用哥伦比亚大学的回旋加速器所产生的极化m子做实验，试图从李政道和杨振宁所建议的另一条途径出发，来检验弱相互作用的宇称不守恒。快马加鞭的莱德曼四天之内就得到了可靠的实验数据，并且写出了论文的初稿 [3]。

李政道从莱德曼那里得知这一消息后，立即劝阻莱德曼等人不要马上投稿，否则对吴健雄的团队来说是不公平的，因为人家已经辛苦地工作了好几个月，而且率先得到了实验证据。与此同时，吴健雄和她的合作者也很快完成了论文的写作。1957年1月15日，哥伦比亚大学为本校的两组实验物理学家举办了一场史无前例的“科学”新闻发布会，吴健雄和莱德曼两个团队分别报告了他们的独立而相互认证的重大科学发现：宇称在弱相互作用中的确是不守恒的！他们在新闻发布会的当天将各自的论文投到了《物理评论》编辑部。一个月之后，这两篇论文比肩发表 [4、5]；而在同一年的年底，李政道和杨振宁荣获了诺贝尔物理学奖。

1957 年 1 月 15 日，吴健雄和她的同事，包括后来的诺贝尔奖获得者李政道（右），在哥伦比亚大学举行新闻发布会，宣布他们的突破性发现（大学档案馆、珍本和手稿图书馆、哥伦比亚大学图书馆）

哥伦比亚大学的新闻发布会也惊动了《纽约时报》等大众媒体，于是吴健雄和莱德曼团队发现宇称不守恒的消息很快就传遍了全世界。1957年1月17日，远在瑞士苏黎世、素来喜欢批评和质疑别人的物理学大师沃夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）写信给自己曾经的博士后、时任美国麻省理工学院教授的维克托·魏斯科普夫（Victor Weisskopf），强烈质疑宇称在弱相互作用中不守恒的结论。他在信中言之凿凿地声称：“我不相信上帝是一个软弱无力的左撇子，而且我已经准备好了拿出一大笔钱来赌实验将会给出宇称守恒的结果”[6]。

除了泡利，当时另一位喜欢打赌的年轻理论物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）则愿意下注50美元，赌实验将证实宇称是一种确定无疑的对称性。不过吴健雄和莱德曼发表的实验结果很快就宣告这一场“科学赌博”以泡利和费曼等人的认输而告终。泡利在不久之后写给魏斯科普夫的另一封信中承认，他幸好没有为此真的跟别人打赌，否则他将输掉一大笔钱，可能会让他倾家荡产，甚至会成为别人的笑柄。相比之下，“醋意”过后的费曼则开始思考一个深刻的问题：既然宇称最大程度地破缺了，那么弱相互作用应该具有怎样的基本结构？差不多一年之后，他和加州理工学院的同事默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）合作提出了弱相互作用的“V-A”理论，为标准模型的建立奠定了另一个重要基础 [7]。   

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谁在期待诺贝尔奖的“三分之一”？

基于自己的理论猜想和吴健雄的初步实验结果，李政道和杨振宁于1957年1月上旬完成了一篇论文，提出了中微子的二分量理论 [8]。他们认为宇称在弱相互作用过程中会发生最大程度的破缺，因此中微子只拥有左手螺旋度（而反中微子只具有右手螺旋度），故中微子质量严格为零，只需要两个自由度就可以完全描述其基本属性。为了理解这一点，让我们回到吴健雄的实验。

吴健雄的实验证实了极化的钴原子核发生贝塔衰变后，出射的电子只拥有左手螺旋度。由于末态的原子核几乎静止不动，因此母核衰变到子核所释放的能量和动量，完全被电子和电子型反中微子分享。于是该反应的动量守恒要求电子型反中微子的动量方向必须与电子的动量反向，且大小相等。再考虑到电子型反中微子的自旋取向与电子的相同，故而前者一定具有右手螺旋度。毫无疑问，吴健雄的实验结果与中微子没有质量的假设是相符的。

几乎与李政道和杨振宁同时，苏联理论物理学家列夫·朗道（Lev Landau）在1957年1月上旬也完成了一篇探讨弱相互作用宇称不守恒的论文，其中也假设了中微子的质量为零 [9]。当时朗道显然并不知道吴健雄的实验结果，他的论文主要受李政道和杨振宁发表于1956年10月的理论文章的启发。值得一提的是，大师朗道在论文中客气地感谢了这两位年轻的中国学者将论文的预印本寄送给他。在互联网时代之前，处于不同国家或不同地域的学者之间互送论文的预印本是一种很常见的学术交流方式，而处于冷战前沿的苏联的学者也不例外。

不过，在朗道、李政道和杨振宁之前，正在剑桥大学圣约翰学院工作的巴基斯坦物理学家阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam），在1956年11月中旬就完成了一篇预言中微子质量可能为零的论文 [10]，他的想法也受到了李政道和杨振宁发表于1956年10月的那篇论文的启发。事实上，萨拉姆在自己的论文中也对收到这两位中国学者的论文预印本表示了感谢。

由于萨拉姆算得上是继李政道和杨振宁之后率先公开发表论文探讨弱相互作用宇称不守恒的著名学者，因此有人觉得他的论文可以与李政道和杨振宁的论文相提并论。以“沃德恒等式”而闻名学术界的英国理论物理学家约翰·沃德（John Ward）当时就曾相当夸张地写信给自己的好朋友与合作者萨拉姆，“热烈祝贺你的大作！期待你至少获得三分之一的诺贝尔奖金！”（So many congratulations and fond hopes for at least one-third of a Nobel Prize）[11]。

毫无疑问，萨拉姆和朗道的上述工作在原创性方面完全无法与李政道和杨振宁的革命性论文相提并论。由于中微子只参与弱相互作用，因此在弱作用最大程度破坏宇称的前提下，猜想中微子质量可能严格等于零是自然而然的。必须指出，最早建立费米子二分量理论的其实是德国数学家和物理学家、“规范理论之父”赫尔曼·外尔（Hermann Weyl）[12、13]。令人深感遗憾的是，由于无质量的费米子最大程度地破坏宇称对称性，这样的后果让与外尔同时代的很多物理学家难以接受，尤其受到了坚信宇称守恒的泡利的无情责难 [14]，因此外尔的费米子二分量理论生不逢时、过早地夭折了。事实上，萨拉姆、朗道以及李政道和杨振宁在他们的各自论文中，都没有提及韦尔的相关工作，很可能他们当时并不知道这一点。

中微子果真是“左撇子”吗？虽然李政道、杨振宁、朗道和萨拉姆发表于1957年初的论文为理解中微子的弱相互作用属性提供了重要启发，但似乎也在某种程度上“冲淡”了人们对中微子质量可能并不严格等于零的思考和探索的热情。

不过就在1957年，费米学派的重要人物布鲁诺·庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo）撰文指出 [15]，假如中微子的二分量理论并不完全正确，而且轻子数也并不守恒，那么中微子就有可能具有微小的质量，导致中微子与反中微子之间的转化也有可能发生。庞蒂科夫当时已经因个人信仰而“皈依”苏联阵营且身居要职。他的观点在当时看来纯属标新立异，而且难以令人信服。但如今我们知道，中微子确实拥有极其微小的质量，尽管后者对绝大多数弱相互作用过程的影响微乎其微。

与泡利的那种经常显得很“任性”的质疑不同，庞蒂科夫对中微子二分量理论的质疑则要理性得多，因此体现出来一种宝贵的科学精神，而这也是费米学派的一大传统。值得指出的是，除了李政道和杨振宁，费米学派的其他优秀弟子们，也几乎都在做与费米的著名工作非常不一样的科研，但他们最终却与导师殊途同归，成功地破解了大自然的诸多奥秘。

作者简介：

邢志忠，中国科学院高能物理研究所研究员，研究领域为基本粒子物理学。著有原创科普图书《中微子振荡之谜》，译著包括《你错了，爱因斯坦先生！》《改变世界的方程》《希格斯》等。座右铭为“一个人偶尔离谱并不难，难的是一辈子都不怎么靠谱。”

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