为庆祝杨振宁先生百岁华诞，特将过去写过的一篇介绍“宇称不守恒”理论的文章再次发布，以表达对杨先生的无限敬仰和祝福。
这个世界上有一些似乎是司空见惯或者天经地义的事情都会在科学家们的拷问下变得极为有意思，人类的朴素自然观总是伴随着一个又一个的科学发现而不得不重塑。今天，我要带大家来一次惊奇之旅。我们先从一个假想的科幻故事开始。
假如有一天，我们与距离地球极为遥远的某个外星文明取得了联系。
我们又假定，由于某些奇怪的原因，我们只能给这个外星文明传送滴答滴答的长短脉冲信号，而无法给它传送其他东西供他们观察。现在，我们想要告诉这个外星文明有关我们人类的一切事情。大家想一想该怎么办？在真实的历史上，寻找外星人的先驱德雷克先生和卡尔萨根先生，在1974年给25000光年外的武仙座球状星团发送过被称为“阿雷西博信息”的无线电信号，他们就面临着这样的问题。
稍微动一动脑筋，你就会发现，这个问题似乎并不难解决。第一步，我们需要先定义数字，数学是全宇宙通行的语言。我们用脉冲信号的长短来定义0和1两个数字，这就足够了，因为数学规律与多少进制没有关系，不论是几进制，得出的数学规律都是一样的。有了数字，我们就可以告诉外星人更多的信息，例如，我们可以用数字3.1415926来指代一个圆。
再比如，我们如果想要告诉外星人我们的身高，我们就可以用170亿个元素序号为1的原子，也就是氢原子的直径之和，因为我们坚信外星世界的氢原子与地球世界的氢原子是一样大的。我想，用这种方法最终能够成功地把我们的外形描述出来。
但是很快，我们就会面临一个难题，如何让外星人把我们的心脏放在正确的位置？你可能会说，放在左边啊。可是，哪边是左边？这个问题如果是问地球人，他会回答你左边就是左边。
但是，现在与我们交流的是外星人。你细想一下就不难发现，我们无法用自然语言准确地告诉外星人地球人对左和右的定义。这是一个不折不扣的难题。如果这个问题放在1956年之前，那么所有的科学家都会挠头。因为究其根本原因，那时的科学家们都有一个共同的信念，他们认为上帝不偏爱任何方向——在宇宙中，所有的物理现象都是镜面对称的，你不可能找到一个物理实验的结果对左右方向有偏好。
这个共同信念在物理学上有一个名词，叫做“宇称守恒”。正是这样的一个共同信念让当时的科学家们觉得，想要通过自然语言让外星人与地球人在左右的定义上达成一致是不可能的。
刚才我们说了，所有的物理现象都是镜面对称，这是物理学家们的一个信念，类似的信念还有三个最为通俗易懂。
第一个叫做时间对称：同样的一个物理实验，在所有的前提条件都相同的理想情况下，在不同的时间来做，结果都是一样的，物理规律不会随着时间的变化而变化。第二个叫做空间对称：同样的物理实验在宇宙中的任何地方来做都是一样的结果。第三个叫做方向对称：物理实验的结果与实验室的朝向无关，不管实验设备转动几度，得出的结果都是相同的。
在量子力学中，这种对称的信念变得更为有趣和令人兴奋。在量子力学的研究中，科学家们又发现了这样一个事实：每一种对称规律都有一条对应的守恒规律。时间对称意味着能量守恒定律，空间对称意味着动量守恒定律，方向对称意味着角动量守恒定律。这些关系是非常美妙的，对于物理学家们来说，它们是宇宙中最优美和意义深远的东西。在物理学上，像这些基于信念而得出的结论叫做定律，我们没有办法证明定律，因为它们是建立在信念上的。
基于定律进一步推导出来的结论就叫做定理，所以，定律是皮，定理是毛，如果定律失效了，也就是意味着皮之不存，毛将焉附。这与数学中的公理和定理的含义是异曲同工的。不过，在物理学史上，也不乏定律变为定理的例子。大家最熟悉的就是万有引力定律，牛顿提出的时候，它只是牛顿的信念，无法被证明。
但是，当爱因斯坦的广义相对论出现后，万有引力定律就是可以在广义相对论的方程中被自然而然推导出来的，因此，万有引力定律准确地说也就变为了万有引力定理。但是由于历史原因，大多数时候，我们依然叫它“万有引力定律”。
基于物理现象都是镜面对称的信念，物理学家们得出了宇称守恒定律。但是，信念只是一种定性的描述，如果只能定性，那么科学就无法从哲学中分离出来。哲学与科学最大的不同就在于，哲学只研究定性问题，不研究定量问题，只有当哲学与数学结合，定性与定量结合后，才标志着科学诞生了。牛顿的光辉著作《自然哲学的数学原理》就是这样的一个标志性著作。
下面，以能量守恒为例谈一下什么是守恒。
有一个事实支配着至今我们所知的一切自然现象，自科学诞生以来，我们从来没有发现过例外，至少在今天的我们看来，它依然是完全正确的。那就是：在自然界所经历的种种变化之中，有一个称为能量的物理量是不变的。而能量，完全是一个抽象的概念，或者仅仅是一种数学原理，它告诉我们在所有自然现象发生的过程中，有某一个数量是永远不变的。它并不是对机制或者具体事物的描写，而只是一件奇怪的事实。
在物理现象发生的任何时刻，我们都可以计算某个数值，不管大自然怎么耍弄它神奇的表演，我们再次计算这个数值，它的结果永远是相同的。
就好像你给孩子28块积木，无论孩子怎么摆弄它们，永远都还是28块，哪怕有一天你发现少了一块，你也一定能在某个地方找到那丢失的一块。
能量的形式有很多种，动能、热能、重力势能、弹性势能等等，但我们总能把它们统一成同一个单位，在物理学中，我们把这样的单位称为“量纲”，在量纲相同时，它们的总数是恒定的。这就是大自然的奇妙之处，我们不知道为什么会这样，我们只知道就是这样。除了用信念来描述外，我也找不到更好的词汇了。
每一个守恒规律中都蕴含着一个守恒量，比如能量，这个量是可以被数值化的，也是可以被计算的，它是实实在在地存在于大自然中的一个数量，并不是科学家们在头脑中凭空创造出来的语言游戏。很多时候，像费曼这样的物理学家看不起哲学家的原因就在于哲学家们经常，甚至是随口就编造出很多名词，但这些名词经不起深究，无法做定量分析。
好了，现在回到我一开始谈到的镜面对称以及它对应的宇称守恒。
在这种守恒中，当然也有一个可以被量化的守恒量，这个守恒量就被叫做“宇称”，它是描述基本粒子的一个实实在在的物理量，就好像质量、能量、电荷一样。在1956年以前，宇称守恒定律与能量守恒定律一样，被认为是物理学中的基本原理，是金科玉律，是共同信念。
也正是基于这样的共同信念，科学家们会告诉你：对不起，我们真的没有办法用自然语言让外星人的左右与地球保持一致，不管我们让他们做什么样的实验，左右都是完全对称的，没有任何区别。
好了，既然你听到我说这是1956年前的事情，那么剧情自然就是在1956年发生了反转。来，我们接着讲这个发生在物理学黄金年代的好莱坞悬疑大片。为了让你充分感受这个故事的曲折，咱们还得从1947年说起。
那一年，实验物理学家们发现，宇宙射线中有一种被称为“θ粒子”的奇异粒子在衰变时，变成了两个π介子。到了1949年，实验物理学家们又发现了一个新的奇异粒子，它衰变后变成了3个π介子。人们又把这种奇异粒子叫做“τ粒子”。为了后面记述方便，我就把这两种粒子叫做“西子”（θ粒子）和“桃子”（τ粒子）。
西子和桃子的发现当然不是什么令人瞩目的大事，不同的粒子有不同的衰变方式，就好像人有不同的死法一样，这很正常，没什么好奇怪的。但是，接下来就是这两个“子”出了大问题，把物理学江湖搅了个天翻地覆，好不热闹。
随着实验的进展，人们发现，西子和桃子除了它们衰变的方式不一样以外，其他方面的性质全都一样。
质量和电荷是相等的，蜕变所需的时间也是相同的，再有，无论何时生成这两种粒子时，它们总是以同样的比例出现，比如说，14%是桃子，86%是西子。这就好像有两只鸭子，你无论用任何方式去观察比对，它们都是完全一样的，按理说它们就应该是同一种动物。科学家们不是经常会说一个段子嘛，说有一种动物它叫起来像鸭子，走起来像鸭子，长的也像鸭子，那么就它就是鸭子。但问题是，它们偏偏死掉以后会变得不一样。
西子和桃子唯一的不同点，用物理学术语来说，就是在它们蜕变后测量到的宇称不同。注意啊，我之前说过，宇称是一个实实在在的物理量，是可以测量的，而且当时几乎所有的物理学家们都秉持着一个信念，那就是宇称守恒。既然西子和桃子在死后的宇称不同，那当然就不可能是同一种粒子。这就好像两只鸭子被我们吃掉消化后，经过精确无比的测量，证实我们得到的能量不同，那么这两只鸭子生前也肯定是不同的，因为能量守恒嘛。
于是，物理学家们都在尽力改进实验设备和方法，寻找西子和桃子的不同点，因为他们都坚信，既然它们是两种不同的粒子，那就一定能找到不同点。然而一切努力全都徒劳无功，除了它们蜕变后的宇称不同，它们实在无法区分。物理学家们陷入了迷惘和思索之中。这种困境，在当时被物理学界称为“θ-τ之谜”。
就在此时，距离美国东海岸不远的新泽西州，有一处学术圣地，伟大的爱因斯坦不久前在那儿与世长辞，这就是著名的普林斯顿高等研究院。34岁的杨振宁和30岁的李政道此时正形影不离地走在校园中，热烈地讨论着“西桃之谜”，这对来自中国的青年才俊此时根本想不到，一年之后，他们将因为此时此刻讨论的问题而同时获得诺贝尔奖。这也是中国人对人类的科学事业做出的重大贡献之一。
那时的杨振宁和李政道都是中国国籍。而且杨振宁先生虽然中途加入过美国国籍，但是现在又已经是标标准准的中国公民。所以，我们可以毫不心虚地说，物理黄金时代的大师有我们中国人。那么，杨李二人又是如何解开西桃之谜，而这又与我们和外星人交流左右有什么关系呢？时间走到了1956年春暖花开的季节。
4月，一年一度的罗彻斯特会议在位于美国纽约州的罗彻斯特大学召开，这是当时国际高能物理界最重要的会议。全世界最优秀的粒子物理学家们齐聚一堂。杨振宁和李政道受邀参加了这次会议，而本次会议最重要的议题就是西桃之谜。在会议的最后一天，杨振宁作了一小时的发言。在发言的结尾，他鼓足勇气，再次提出：“会不会是我们的信念出了问题？宇称是不守恒的呢？”
说实话，对于讲故事来说，我很希望此时能对你们说，杨振宁抛出了一个离经叛道的观点，举座皆惊。这样的描述充满了戏剧的张力，就好像迈克尔逊-莫雷实验之后，爱因斯坦大声宣布以太并不存在，光速是不变的一样。然而，对于西桃之谜来说，宇称不守恒的观点并不是什么惊世骇俗的观点，很多初次接触西桃之谜的物理学家都会想到如果宇称不守恒，这个西桃之谜也就不攻自破了。但问题是，过去已经有太多的实验符合宇称守恒的信念。
宇称守恒不仅仅是物理学家们的一种执念，它确实是有大量实验基础的。科学家们都认同实验是检验理论的唯一标准，没有实验基础的理论都是空中楼阁。
所以，在罗彻斯特的会议上，杨振宁再次提出宇称是否守恒时，既没有举座皆惊，也几乎没有人同意，杨振宁自己也是心虚得很。重大转机是在罗彻斯特会议结束后没多久到来的。在纽约的一家餐馆中，杨振宁和李政道突然想到：“似乎之前所有的所谓证明宇称守恒的实验都没有仔细地按照不同的相互作用来分类，会不会宇称仅仅是在弱相互作用时不守恒，而在其他相互作用时是守恒的呢？”
咱们稍微解释一下什么是弱相互作用。
牛顿把“力”定义为物质之间的相互作用，万有引力是人类发现的第一种相互作用。电磁力是第二种。进入到量子时代后，人们又发现了弱力和强力。只是在粒子物理学中，人们习惯性地使用“相互作用”，而不是“力”这个词。而强相互作用是把质子和中子结合在原子核中的一种“力”。有一种弱相互作用叫做β衰变。什么是β衰变？1896年，德国物理学家贝克勒尔发现了铀原子的放射性现象，92号元素铀能够自发衰变成82号元素铅。
接着，卢瑟福和汤姆孙在一年后发现，铀在衰变过程中会产生三种不同的放射线，准确地说，大自然中没有线，所有的线都是由粒子组成的。
你可能想问：他们怎么知道是三种不同的粒子呢？这个原理其实很简单，就是让放射线通过一个磁场，然后他们就发现，在磁场中放射线的偏转方向会不同，根据异性相吸的原理，也就知道了铀在衰变过程中，释放出带正电、负电和不带电的三种粒子。他们就把：带正电的叫做α射线，带负电的叫做β射线，不带电的叫γ射线，那么发出β射线的衰变过程就叫做β衰变。
之后两周，杨振宁和李政道设法找来了大量的有关β衰变的实验数据，然后开始动手计算，验证宇称是否守恒，这一过程涉及到极为枯燥和复杂的数学计算，而且当时还没有计算机可以作为辅助。最后，他们算出的结果一致：数据不足，没有结论。换句话说，他们惊讶地发现，过去所有β衰变的实验数据都既不能证实也不能证伪宇称守恒。
用杨振宁自己的话来说，就是：“长久以来，在毫无实验证据的情况下，人们都相信，弱相互作用中宇称守恒，这是十分令人惊愕的。”这个突破口一旦找到，后面的事情就如同开闸放水，一泻千里了。仅仅过了一个月，他们俩就共同完成了那篇名垂青史的论文《弱相互作用中宇称守恒问题》，投给了著名的学术期刊《物理评论》。1956年10月，文章被发表了。这是近代物理学史上最重要的论文之一。
在这篇论文中，他们提出：“在强相互作用和电磁相互作用中，宇称在很高的精度上是守恒的，但是在弱相互作用中，宇称守恒只是一个外推性的假设，甚至可以认为西桃之谜恰恰是弱相互作用中宇称守恒的反例。”
为了毫不含糊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和右是否不相同。我必须告诉你，这种诺奖级别的理论绝不是哪天灵机一动，突然想到一个绝妙的点子，抛出几个与主流科学界完全不同的观点，就可以号称是诺奖级的理论了。一个物理理论必须要有定量化的数学分析，并且能够提出可供检验的预言，对预言的结果也必须是量化的，而不是泛泛而谈。
李和杨的论文中提出了五个明确的物理实验，给出了明确的需要测量的，被称为“赝标量”的数据，以及预言了可能的结果。他们的工作是极为扎实和细致的，绝对不是偶然的灵光乍现。只是论文发表后却遭到了绝大多数著名科学家的反对，因为要打破一个信念何其艰难。美国物理学家菲利克斯·布洛赫在看了论文后，决绝地说：如果宇称真的不守恒了，我把我的帽子吃掉。
但正如我一再强调的，实验才是检验物理理论的唯一标准。对于杨振宁和李政道而言，比科学理论更重要的是科学实验。不幸的是，他们俩都不是搞实验的，而且据杨振宁的老师泰勒讲，杨振宁的实验动手能力还不是一般的差。他们迫切地需要有一位实验物理的大神来帮助他们。
起初，他们找到了著名的实验物理学家莱德曼，但是遭到了拒绝。莱德曼开玩笑地说：我一旦找到一位绝顶聪明的研究生供我当奴隶使用，那我就会去做这个实验。这其中有一个很重要的原因是：这些实验的难度极高，是否得花大量的时间和精力去做一个很可能没有任何价值、只是证实了一些人们早就相信了的事情的实验？这时候，他们生命中最大的一个贵人出现了，这就是他们的中国同胞，足以和居里夫人相媲美的女性物理学家——吴健雄。
很多科学爱好者都只知道居里夫人，却不知道吴健雄博士。她没有获得诺贝尔奖是多种偶然的原因造成的，但我可以很负责任地告诉你，吴健雄在物理学史上的地位是极高的，她是当时全世界最优秀的几位实验物理学家之一，有些书上甚至不加“之一”。李政道找到了吴健雄，在听完李杨的说明后，她毅然放弃了和丈夫一起回国探亲的计划。
她已经二十年没有回国，本来连船票都买好了，但是吴健雄却一头扎进了实验室，这一年的物理学界注定要掀起轩然大波。
有一位以毒舌著称的著名物理学家泡利在得知吴健雄正在做实验的消息后对朋友说：“像吴健雄这么好的实验物理学家，应该找一些最重要的事去做，不应该在这种显而易见的事情上浪费时间。谁都知道，宇称一定是守恒的。
”泡利甚至在写给韦斯科夫的一封信中说：“我不相信上帝是一个没用的左撇子，我愿意打一个大赌，实验一定会给出一个守恒的结果。”而物理学家费曼也说：“那是一个疯狂的实验，不要在那上面浪费时间。”他还建议以1000:1来赌这个实验绝不会成功。
吴健雄选择了李、杨论文中建议的一个实验，就是把元素钴-60的核冷却到接近绝对零度，这样原子的热震动基本就消除了，然后再用一个磁场使得这束原子核按照同一个方向自旋。
如果宇称是守恒的，电子就会以相同的数量向两个方向飞出；如果宇称不守恒，那么一个方向上飞出的电子将会比另一个方向飞出的电子多一些。这个实验由于要用到极低温设备，哥伦比亚大学的实验室条件不够，吴健雄就与美国国家标准局合作，利用他们的实验室进行实验。
1957年1月9日凌晨2点，吴健雄小组最后一次反复查证实验终于结束，尽管结果好多天前就已经知道，这次实验只是出于重大成果的极度谨慎需要。实验小组一共5个人，他们打开了事先准备好的法国葡萄酒，庆祝一项伟大的物理成就诞生了：弱相互作用下，宇称是不守恒的。
6天后，哥伦比亚大学做了一件从无先例的事：为这件事情举行了一次新闻发布会。
拉比教授在发布会上说：“在某种意义上，一个相当完整的理论结构已从根本上被打碎，我们不知道这些碎片将来如何能再聚在一起。”没过多久，包括之前拒绝做实验、肠子都悔青的莱德曼和其他几个实验室的验证实验的结果也都相继出炉，以更加完美的实验数据验证了吴健雄的结果。整个物理学界轰动了，西桃之谜终于被解开了，这是一个无可比拟的、重大的革命性的进展。这个实验也被认为是继迈克尔逊-莫雷实验以后最重要的物理实验。
当年的诺贝尔物理学奖也以火箭般的速度颁给了杨振宁和李政道，创下了诺奖历史上绝无仅有的当年出成果当年颁奖的传奇，即便是2017年的引力波获奖，那也是隔了一年。按理说，吴健雄也完全有资格获此殊荣，许多大科学家都公开表示了他们的失望和不以为然。例如1988年的诺奖得主物理学家史坦伯格就认为，那年诺贝尔奖没有同时颁给吴健雄，是诺贝尔委员会最大的失误。
由于诺奖的颁奖甄选资料的保密期是50年，因此在2006年之前，这一直是个谜。后来文件都解密了，大家才知道真实的原因。因为吴健雄的实验也有美国国家标准局的另一位低温实验科学家安伯勒的功劳。但是诺奖的规则却是最多只能同时颁给三位科学家，这样一来，诺奖委员会就犯难了，如果只颁给吴健雄而不给安伯勒，也有失偏颇。最后权衡再三，只好将吴健雄的名字划去了。
到这里，本章一开始提出的那个问题就有了答案。现在我们可以对外星人说：“听着，你们先制造一块磁铁，然后把线圈绕上去，让电流通过，随后取一些27号元素钴，把温度降低到尽可能接近绝对零度……（此处略去几百字专业性比较强的实验描述），好了，现在你们看到的电流流出的方向就是我们地球人所谓的左边。”上帝他老人家居然真的是一个左撇子，他偏爱左边。科学再次向我们展现了它强大的自我纠错能力。
那么，既然在弱相互作用下，宇称可以是不守恒的，有没有可能在电磁相互作用或者强相互作用下，宇称也不守恒呢？这是物理学家们自然而然冒出来的想法。但一切只能以实验为最终判断依据。每一个物理实验都有精度的概念，这就好像我们平常说自己的身高是170厘米，那就表明这是在厘米级别的精度上，如果把精度再往前推一位，到了毫米级别，你就可能是1703毫米了。
所以，当科学家们做了某个验证强相互作用下宇称守恒的实验，准确地说，是宇称守恒在某个精度下得到了验证，如果精度继续往前推进，那么实验就必须重新做。因此，我们可以宣布在弱相互作用下，宇称是百分之百不守恒的，但是我们却不能宣布，在强相互作用下，宇称是百分之百守恒的，而且从逻辑上来说，永远不能这样宣布，原因就在于对精度的追求没有止境，至少从现在来看，还远远没有止境。
这就是所有的科学理论一个非常重要的特征——它是有适用范围的，任何一个科学理论只能说在某个适用范围内是正确的。但是这句话可能反过来理解会更加重要和有意义：当我们说推翻了一个现有的理论时，其实并不是说现有的理论错了，而只是将现有理论的适用范围框定在了某个精度之下。
也许未来有一天，科学家告诉我们现在的量子理论是错误的，能量守恒也是错误的，但是，那绝对不会导致我们今天在这些理论指导下发明的手机、电脑突然就不工作了。我想跟某些人说：“对不起，在我们当前的适用范围中，这些理论会一直、永远正确下去。在相对论修正牛顿力学的100年后，我们所有的航天发射依然只需要用到牛顿力学，科学精神让我们正确认识科学理论的错误。”
几十年以来，一些物理学家认为在夸克和胶子构成的等离子体中，可能存在强相互作用下宇称不守恒的区域。为了验证这种猜想，过去十年，美国的相对论重离子对撞机的STAR合作组与欧洲核子研究中心的大型强子对撞机的ALICE合作组一直在做实验。结论是他们在极高的精度下未能观测到宇称不守恒，这条上世纪就建立起来的物理学家们的共同信念到今天依然是坚挺的。这个成果将有助于我们研究规范理论在相对论环境中的基本拓扑结构。
新研究虽然向前推进了一步，但对强相互作用中宇称不守恒的搜寻仍将继续，而物理学的新发现也许就在眼前。最后我还想说两句，我们这个社会上对于杨振宁先生的误解实在是太多了。那些对杨振宁先生乱喷口水的人根本不知道他对人类的科学事业做出了多么巨大的贡献。泰勒把杨振宁誉为是继爱因斯坦和狄拉克之后建立一代风格的物理大师。今天介绍的只是杨振宁一生中众多成就中的一项，他还有很多了不起的成就。
仅就物理学成就而言，他绝对是所有华人科学家中排名第一的。很多人可能以为霍金非常厉害，但在科学成就上，他与杨振宁先生是不在一个档次上的，我这么说，绝对不是出于民族感情。我自己常说，在谈论科学和科学家的时候，最好先把民族感情放在一边。杨先生百岁华诞，我由衷地为杨先生祝福，希望您能一直活到人类攻克死亡的那一天。