攻克“θ—τ之谜”

令人大惑不解的“θ—τ之谜”

40年代末，50年代初，物理学进入了科学家们所说的“第二次世界大战后物理学最兴奋的年代”。在这“兴奋的年代”，物理学发展了粒子物理学这一崭新的领域。杨振宁和李政道与他们同时代的物理工作者都很幸运，和这个新领域一同成长，一同发展。

还是在1947年，两位英国实验物理学家罗斯特和巴特勒在宇宙线的实验中发现，当物质被高能量的质子撞击时，在碎片中会产生不同于已知的质子、中子、电子的新粒子。当他们第一次在宇宙射线的云雾照片所留下的一堆光怪陆离的径迹中，看到了一个新的奇异粒子时真是兴奋不已。科学家把这种非同寻常的奇异粒子叫K介子。

K介子会发生两种衰变，既能衰变成两个π介子，也能衰变成3个π介子。1953年美国物理学家达里兹和法布里通过实验的观察也证实了这一点，于是K介子的这个奇特衰变，引发了一场新的研究大战，微观世界里的这个小小粒子竟使宏观世界的物理学家们大惑不解——这就是著名的“θ—τ之谜”。

为什么叫“θ—τ之谜”呢？事情还得从“宇称守恒定律”谈起。

早在1924年，拉泡首先发现了宇称守恒定律。1927年，美国物理学家维格纳在拉泡的基础上正式提出了宇称守恒定律。宇称是表示微观粒子运动特性的物理量。它表达了微观世界中镜对称原理。比如，一个人和他在镜子里的像，就是镜对称，亦称“左右对称”。比如天安门左右两侧的灯笼和华表，就显示出一种左右对称的关系。微观粒子（或其体系）的运动状态由波函数来描写，通常写成位置坐标x，y，z，及时间t的复函数，以φ（x，y，z，t）来表示。对于t时刻一个粒子的波函数来说，当坐标全部做镜像变换时，就是把x，y，z全部换成-x，-y，-z（这也称作空间坐标反演），如果波函数保持不变，则称该粒子的运动状态具有偶宇称（或其宇称为正），用宇称量子+1来表示；如果波函数改变其正负号，则称这运动状态具有奇宇称（或其宇称为负），用宇称量子数-1表示。

形象地说，具有宇称+1的粒子，其波函数在镜变换时就像在镜子里看水银温度计一样，无论水银柱是升高还是降低，其变化的方向是一致的。

而具有宇称-1的粒子其波函数在镜变换时就像在镜子里看钟表，当钟表的指针顺时针方向转动时，镜子里钟表的指针却是朝逆时针方向转动，即变化的方向相反。

科学家发现，微观粒子有一种妙不可言的性质，即它们永远不会改变自己的类别。尽管一个运动中的粒子的波函数的形式可以千变万化，但客观存在的宇称却是不会改变的：原来是偶性的始终保持偶性，原来是奇性的就始终保持奇性。物理学家给粒子的这种“坚贞不屈”的特性送了一个美名——“宇称守恒定律”。

物理学家在研究中发现，在微观世界中有4种形式的相互作用：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和万有引力作用。核子、介子、超子的相互作用一般都是强相互作用；光子和带电粒子之间的相互作用都属于电磁相互综合作用，所有基本粒子的非电磁性衰变以及有中微子参加的变化则属于弱相互作用；万有引力作用在微观世界里只有弱相互作用的10％—40％，因此在微观世界中通常把万有引力忽略不计。

实验已经确定，K介子的衰变产物π介子是奇性粒子。当K介子衰变成两个π介子的时候，-1的平方是+1，K介子应该是偶性粒子；当K介子衰变成3个π介子时，-1的3次方还是-1，K介子又应该是奇性粒子。K介子到底是偶性粒子还是奇性粒子？根据宇称守恒定律，一种粒子是不可能有两种截然不同的宇称的。

起初，为了解决这个“疑谜”，物理学家们曾假定有两种K介子，把能衰变成两个π介子的叫θ介子，把另一种能衰变成3个π介子的称作τ介子。然而，随着测量技术的越来越精密，人们发现，θ介子和τ介子质量都是电子质量的966倍；平均寿命也完全一样，在衰变前都只生存大约10^-8秒。纵观整个粒子表，最精确的测量也丝毫不差地表明，θ介子和τ介子实际上就是一种介子，可它确确实实具有不同的宇称。

为什么这两种基本粒子的其他性质都相同，唯独宇称不相同？K介子的衰变属于弱相互作用，也就是说弱相互作用下宇称守恒吗？这就是“θ—τ之谜”。它触犯了宇称守恒这个禁令，明明白白地摆在了物理学家面前：要么坚持宇称守恒，要么抛弃宇称守恒。可宇称守恒在已往的实验中又都是正确的，物理学家当然不会轻易将它抛弃，可是如何解释“θ—τ之谜”？

一位物理学家曾这样描述当时的情景：物理学家那时的处境很像一个人在漆黑的屋子中摸索出口，他明知道屋子的某个地方肯定有一个通往室外的大门，但这个大门究竟在哪儿？

在“θ—τ之谜”出现之际，李政道和杨振宁就以极大的热情投入了这场研究大战。其实，早在1946年，杨振宁和李政道同在芝加哥大学就读时，就开始了兄弟般的合作。这两位当年西南联大“茶馆里的大学生”在异国他乡成了知己。李政道在研究中一有什么想法，便去找杨振宁这个大哥哥谈，他深深感到，他的许多想法也只有杨振宁能理解。一来二去他们形成了一种默契，彼此一两句话就进入正题。他们合作写出的第一篇论文于1949年公开发表。

1951年李政道受聘于普林斯顿高级研究院后，又与早两年来普林斯顿的杨振宁相遇，开始了更加紧密的合作。他们合写的关于统计力学方面的论文还得到了爱因斯坦的赞赏。一天，爱因斯坦的一位助手请杨振宁到爱因斯坦的办公室去。当时杨振宁是个年轻小伙子，而爱因斯坦是早已闻名于世的大物理学家。爱因斯坦年轻时做过许多电磁学和统计力学方面的研究工作，因此对杨振宁和李政道二人的论文很感兴趣，便邀杨振宁去谈谈。爱因斯坦那时虽已退休，但与杨振宁谈话的兴致很高，谈了很长时间。当时杨振宁十分紧张，爱因斯坦所讲的英文中又夹杂了不少德语。事后，别人问起杨振宁，与爱因斯坦都谈了些什么，杨振宁竟讲不清楚。然而爱因斯坦却对杨振宁和李政道这两位“中国小博士”印象十分深刻。每当他与学生讨论问题时，常笑着说：“让那位姓杨的中国小博士也来动动脑筋，他的想法有时比你我要高明。”

杨振宁性格开朗，善于言辞，相比之下，李政道则趋于内向，但只要与杨振宁谈起话来，便海阔天空，越谈越有劲。李政道常常风趣地说，理论物理使人思维敏捷，比起来实验物理来似乎更需要“胡思乱想”。并借用胡适先生的两句名言来比喻，说理论物理学者是“大胆假设”，而实验物理学家则是“小心求证”。

从1951年开始，李、杨两人开始了“θ—τ之谜”的研究。不久，李政道被纽约哥伦比亚大学聘为教授，离开了普林斯顿。这所大学坐落在曼哈顿西北部美丽的哈得逊河畔，是一所有着200多年历史的老大学。此时，杨振宁仍留在普林斯顿。由于纽约离普林斯顿不远，俩人相约每周各自到对方住处相聚一次，讨论双方选定的重大问题。而“θ—τ之谜”则是他们讨论的最频繁、最热烈的问题。

一次，杨振宁专门驱车到哥伦比亚大学找李政道，李政道高兴地把他迎进了工作室，刚要谈起最近的研究进展，杨振宁却一把抓住他的手，神秘地说：

“政道，我们今天不谈别的……我恋爱了，想找你聊聊。”

听到这话，李政道高兴地咧开了嘴：“好！今天就听听你的罗曼史！”

原来杨振宁在普林斯顿大学时，遇到了他出国前在西南联大附中教书时教过的女学生杜致礼。异国相逢，两人都大为惊喜。言谈中，才知道1946年杜致礼考上了北平的辅仁大学，读中文。杜致礼是国民党著名高级将领杜聿明的长女。杜聿明黄埔军校毕业后，曾参加过北伐，抗日战争时又是一员名声大噪的战将。然而在国内革命战争中他追随蒋介石反共、剿共，成了人民的罪人——大战犯。

长期的军旅生活使他染上了严重的肺结核，经常大口大口地吐血，严重时甚至卧床不起。1947年，蒋介石批准杜聿明由长女杜致礼陪同，赴美国就医。不料临上飞机前，蒋介石又突然改变主意，他不顾杜聿明的死活，急令他归队，到东北作战，以支撑行将倒台的蒋家王朝。

杜聿明看到时局的变迁，深知国民党大势已去，便狠了狠心，让女儿杜致礼单身一人到美国去求学。

杜致礼单身一人在美国，靠自己打工顽强地维持学业。想不到在异国他乡遇到了昔日的老师，真是喜出望外。经过一段接触，杜致礼发现自己这位年轻的老师，不仅学识渊博、风度翩翩，而且为人诚恳、正直、善良，俩人很快就恋爱了。

看到杨振宁满面春光，李政道真为他高兴。杨振宁说，他们快要结婚了。

兴奋之余，杨振宁不觉露出了一丝忧虑：“我这未来的岳父大人如今被关在大陆的大牢里，不知是死是活；而致礼每当提起她父亲，总是格外忧伤。”

说到这儿，杨振宁不由得有些担心，“现在大陆是共产党的天下，不知他们对战犯如何处理。”

正当杨振宁和杜致礼在美国酿造爱情美酒的时候，杜聿明这位战将丢了手里的80万大军，自己也成了战俘，在大陆的战犯改造所接受改造；杜致礼的母亲曹秀清则奉命带着年迈的婆婆和5个儿女到了台湾。台湾当局盛传杜聿明已被共产党杀死，并做好了烈士牌位，准备放进台北忠烈祠。

此时的杨振宁和杜致礼哪里知道，杜聿明正在北京的功德林开始了新的生活。人民政府不仅给这位甲级战犯治好了严重的肺结核，而且还教育他重新做人，使他获得了新生。

听到杨振宁亦喜亦忧的故事，李政道不由得想起了妹妹前几天的来信。1949年他的父母兄妹从大陆迁到了台湾。哥哥崇道因在家中留宿了一位广西大学时的同窗好友，被当局诬以“掩护匪谍罪”而投入监狱，至今详情不知；父亲因病去日本就医，亦令人牵挂。一家人也是天各一方，不知何日方能团聚……

两位好友诉说着家事，不由得感慨万千。虽然他们正值年富力强、事业如日中天之时，但国家尚未统一，中美严重对峙，何时才能踏上故土？何时才能与亲人团聚？他们在心底企盼着、呼唤着……

向“θ—τ之谜”进军

在纽约哥伦比亚大学校园的一幢白色楼房里，李政道为“θ—τ之谜”日日夜夜苦思冥想。案头摆着一大堆书，桌上的台灯常常彻夜通明。如果说中性的K介子在衰变过程中不遵守宇称守恒定律的话，那就意味着要拒绝承认全部最基本的物理定律，这是许多人连想都不敢想的。

李政道开始尝试着做了一些研究。1955年夏，他和贾·奥利尔在通常理论的框架中提出了一个级联机制来解释“θ—τ之谜”，并在1955年第100期的《物理评论》中发表，但后来证明这一见解是不对的。

在哥伦比亚大学附近的一家中国餐馆，经常有两位中国小伙子，有时他们美餐一顿，有时他们边喝茶边争论，往往二人争得面红耳赤，旁人都好奇地看着他们，以为这两个小伙子在闹别扭。这就是李政道和杨振宁，经常在这里讨论“θ—τ之谜”，不断提出新设想、新问题，不断交换新想法。后来李政道曾描述过这段经历：“关于现代物理基本概念的修正，是我和杨振宁博士在哥伦比亚大学附近一家中国餐馆用膳前经常讨论而终于获得结论公之于世的。”

1956年仲夏，地处曼哈顿的哥伦比亚大学校园中，古香古色的建筑物与高大宏伟的现代化教学设施参差林立、相映生辉；繁花绿草与高大的红杉树高低错落、随处可见。学校大墙内外，繁华的闹市与静谧的校园对照鲜明、风格迥然。在这静谧的“世外桃源”，刚过而立之年的李政道，与美籍华人秦慧君女士建立了幸福、温馨的小家庭。然而“θ—τ之谜”仍在困扰着新婚丈夫，使他常常陷入苦思，显得有些心不在焉。新婚妻子默默地望着陷入沉思的丈夫，她深深地理解，作为一名年轻的科学家，丈夫的事业是首要的，她准备全身心地支持他的事业。

在仲夏的新婚之夜，李政道思绪万千。

他想到1953年，父亲病重在日本，他特地赶到病床前。

年迈的父亲紧紧拉着他的手，望着昔日的“三糊涂”，今日已是英俊潇洒的物理学博士，心里有说不出的高兴。他支撑着对李政道说：

“政儿，你应该有所成就，你会的！”

慈祥的母亲却抚摸着多年不见的儿子说不出话，眼里含着幸福的泪花……

不久，父亲去世了。在料理了父亲的后事，与家人依依不舍地告别之后，李政道感到有一种沉重的责任感，仿佛自己一下子成熟了许多。

更难以忘怀的是1954年。有一天，杨振宁打电话告诉他，费米先生病了。费米是他最崇敬的导师，他二话没说，搁下电话就直奔芝加哥比灵斯医院。

病房里，瘦弱的费米先生正在读一本书，书中描写了一个凭坚强意志战胜厄运和大自然障碍的真实故事。看到李政道，费米先生略显哀愁，然而却很镇静。他说，医生告诉他，几天之内他即可出院，但活不了几个月了。

他看了看床边的一个笔记，告诉李政道，那是关于核物理的笔记，他准备利用仅有的几个月，将它整理出版……听到先生的这番话，李政道不由两眼一热。

过了不到3个星期，费米先生就去世了。

两位老人，一位是自己亲爱的父亲，一位是自己崇敬的恩师，在他们即将谢世时，都是那么悲壮，都感到自己还有许多未完成的事要干，但已力不从心，都对自己寄予那么深厚的期望。

肩负先辈们的期望，李政道深感自己身上的责任重大。他不由浑身充满了力量，他下决心要继续奋斗下去！不管多难，他也要解开“θ—τ之谜”！

“战后最激动人心的发现”

1956年的一段时间，杨振宁和李政道都陷入苦苦的深思之中。

“也许在弱相互作用下宇称根本是不守恒的。”

这个念头一直在两个人的头脑中萦绕，但科学不是儿戏，任何一句话都须有足够的实验事实，更何况这是已被许多人奉为金科玉律的宇称守恒定律！

他们两人几乎天天在哥伦比亚的那个中国小餐馆会面，为了一个公式、一个概念、一个定理，反复推敲、反复比较、反复论证。

“θ—τ衰变是属于弱相互作用，在这个过程中宇称也许并不守恒”，这一想法在两人头脑中时隐时现。可问题在于，宇称在θ—τ衰变中不守恒以后，接下去该做什么？虽然他们讨论了这一可能性，但是当时并未能取得任何进展。作为一种替代，他们撰写了论宇称双重态的论文，并在1956年第102期《物理评论》上发表。不幸的是，这也是一次失败的尝试。

对传统观念提出怀疑，不仅需要有足够的胆量，而且更要有卓越的见识和确凿的证据。

人们认为日常生活中左右变换下是对称的，但却忽略了事实上许多情况下存在着不对称，比如，我们的心脏就只长在左边，中国的阴阳图也是一个非对称分割的圆。实际上在中国古老的文化中，素来就强调不对称的思想。宇称守恒定律确是了不起的，然而李政道和杨振宁认为，人们把它的作用任意夸大了，把它无限制地推广到任何范围，这就抹杀了对称中原本包含着的不对称因素。他们俩人的思路常常想到了一起，这时他们就会心地相视一笑，手中的笔依旧在稿纸上飞驰着。

一天深夜，李政道家的电话又响了起来，电话里传来杨振宁兴奋的声音：

“我借来了西格本的《核谱学》，厚厚的一大本。明天你到我这儿来，咱们逐个推算。我感觉到原来的宇称守恒实验，没有一个是属于弱相互作用的！”

“行！明天我一早就去！”李政道同样兴奋地回答。

第二天一大早，李政道就迫不及待地来到杨振宁的办公室。一大堆书和一大摞稿纸铺满了桌子，熬红了双眼的杨振宁疲倦而又兴奋。

“杨兄，要注意身体啊！”李政道笑着对杨振宁说。

“哈，彼此！彼此！来，坐下！坐下！”杨振宁兴奋地说着，一边捧过来一大堆书。

“我已经算了几个，确实都相当精确地证实了宇称守恒定律，可这些实验没有一个是属于弱相互作用的！”杨振宁把笔一挥，兴奋地指着稿纸，接着对李政道说：

“就是1933年费米先生的β衰变实验数据，对于宇称守恒也不能给出回答。虽然在以往的实验数据分析中都假定了宇称守恒，但这实际是完全不必要的！”

“确实如此！”李政道颇有同感地说，“因为不管我们是否假定宇称守恒，都同样可以说明以往的实验事实，或者说这些实验老是与左右是否对称无关的实验！”

……

整整一个夏天，李政道和杨振宁都在一个又一个地检查、核算所有有关的实验结果，从中他们更加坚定了自己的看法。一个新的发现趋于成熟了。

1956年4月，在美国纽约州西北部罗彻斯特举行的两年一度的国际高能物理会议上，杨振宁代表李政道应邀在会上就“θ—τ之谜”及当时粒子物理理论作了总结性的报告。杨振宁的报告，引起了科学家们很大的兴趣。他们认为，解决“θ—τ之谜”中宇称是否守恒这一进退维谷问题的一个根本途径，就是把宇宙“一分为二”，假设每一个“奇异数”为奇数的基本粒子可以存在两种形式之中，则其宇称相反而其他性质完全相同。

物理学中的发现大都是时机成熟后作出的，如果某人不作的话，则一定会有另一个人在同一时期作出。事实上，因“θ—τ之谜”的出现，已有不少物理学家对宇称守恒定律表示了怀疑。

来自加利福尼亚州理工学院的理论物理学家费曼（Richard Feyhman, 1918—1988，因在量子电动力学方面所做的对基本粒子物理学具有深刻影响的基础工作，与许温格和朝永振一郎一起分享了1956年度的诺贝尔物理学奖金），在会议期间与一位名叫布洛克的实验物理学家同室居住，布洛克在第一天晚上就曾向费曼提出，在弱相互作用下，宇称也许干脆是不守恒的。他们两人为这一问题讨论了好几个晚上，并一致认为布洛克提出的问题不无道理。

费曼在发言中把他们的讨论告诉了同组的杨振宁，杨振宁说，他与李政道已经考虑过这个想法，但尚未得出定论。首次发表关于宇称守恒想法的维格纳先生也认为在弱相互作用中宇称守恒或许是不成立的。

李政道的同事杰克·斯坦伯格当时正在进行超子产生和衰变实验研究。在这次会上，当杰克讨论超子的产生平面和衰变平面之间的二面角φ时，李政道突然意识到，虽然这个二面角与宇称无关，但如果改变它们的定义，那么在φ从θ到π的事件与φ从π到2π的事件之间就可能会有一个不对称性，这也许就是那把缺掉的钥匙。

李政道十分激动，并敦促杰克立即重新分析一下他的数据，并从实验上检验这一想法。实验结果表明有差别。但因为统计有限，还不能由此引出结论。后来李政道曾说：“要不是杰克与他的小组有很高的标准的话，那么就可以把这一实验结果认为是首次表明了宇称不守恒。”

1956年10月1日，在该天出版的《物理评论》上，杨振宁和李政道发表了一篇题为《弱相互作用中宇称守恒的问题》的论文，后来这篇论文被誉为“战后最激动人心的发现”。

李、杨在论文中指出：

虽然在所有强相互作用中，宇称守恒的证据是强有力的，但在弱相互作用中，宇称守恒的证据却一个也找不到。因此，可以认为，在弱相互作用中宇称守恒定律也许根本就不成立。如果是这样，则“θ—τ之谜”就可以轻而易举地被解决。θ介子和τ介子原本就是一个粒子，即K介子。

他们又谨慎地补充道，

“不过因为目前我们关于奇数粒子的知识仍然很缺乏，所以上述论证是不能认真对待的，倒不如把它看做是考查宇称守恒问题的一个推动力。”

杨振宁和李政道所提出的观点，还尚待实验的验证。但这可贵的念头也许就是走出窘境、摸出黑屋子的方向。

这两位初出茅庐的中国小博士，没有任何历史的成见、没有成功带来的包袱，敢于摆脱已有经验的束缚、敢于冲开固有理论的羁绊。他们并不是拆掉旧理论的整幢房子，而是在旧房子旁建造一个新的殿堂。就像登上了一座新的山峰，视野扩大了，原来隐蔽的东西被发现了，而旧有的理论仍历历在目，只不过显得小了一点，只能成为更广阔视野中的一部分而已。

杨振宁、李政道的论文刚刚发表的时候，由于还没有经过实验验证，很多人不相信他们那不寻常的大胆声明。

泡利，当时世界上最伟大的理论物理学家之一，首先表现出对李、杨的观点难以接受。他在给一位朋友的信中写道：“我不相信上帝是一个软弱的左撇子。”并说他已经准备了好一大笔赌注，敢打赌“实验将获得对称的结果”。

加利福尼亚理工学院的费曼教授本来曾认为“在弱相互作用下宇称也许干脆是不守恒的”，可现在他对宇称守恒的看法是：“我认为，这个概念不一定兑现，但并非不可能，而且这个可能性还是很惊人的。”另一位实验物理学家诺尔曼·拉齐姆曾对他说：“我们来做一下这个实验，看看宇称在β衰变中是否真的遭到破坏。你是否愿以100元对1元跟人打赌？”费曼回答道：“不，但打50元的赌我倒是情愿！”可惜拉齐姆没去做这个实验，人们没有看到他们打赌的结果。

论年龄，这些科学家是杨振宁、李政道的父辈；论学识，这些人是誉满全球的著名学者。然而，正因为李政道和杨振宁年轻，才没有成见，才能打破传统的观念，实现新的突破。

当然，仅仅一篇论文还不够，还要有令人信服的实验，用无懈可击的实验去验证，去判断。于是李、杨二人又设计了涉及β衰变、π-μ、μ-e及奇异粒子衰变的一系列切实可行的实验方案。正像在诺贝尔奖颁发会上，杨振宁详细介绍的那样：

“所有这些实验的基本原理全都一样：安排两套实验装置，它们互为镜像且包含弱相互作用，然后检查这两套装置仪表上的数据是否总是相同。如果读数不同，就毫不含糊地证明左右对称性不成立。”

然而这种实验难度是很大的，要取得成功，既需要有高超的实验技术，还要有愿意同他们一起冒险的创新精神和不怕失败的奉献精神。谁能为这个敢于唱反调的理论去付诸实践？李、杨二人同时想到了著名华裔女物理学家、β衰变实验专家——吴健雄。

华裔女科学家吴健雄的贡献

秋高气爽的季节，哥伦比亚大学校园里安逸而静谧。红枫点点，金叶飘飘，绿草萋萋。在高大的红杉树掩映下，雪白的教授住宅巍峨而典雅。在纽约曼哈顿市市区中的这块“世外桃源”，静谧中有激荡，安逸中有战斗，处处都充满着生机。

此时，在著名华裔女科学家吴健雄家里，女主人正在忙着打点行装：出门要穿的、旅行要带的，生活必用的、讲课须备的，都井井有条地准备好了。原来她要和丈夫袁家骝教授进行一次愉快而又轻松的日内瓦、远东之行。袁家骝教授也是著名的实验物理学家，在美国布鲁克海文国家实验室工作。这次远行一来要应邀进行巡回讲学，二来也访友观光轻松轻松。

夕阳愉快地斜洒在茶几沙发和地上的行装上，想到能在紧张的实验室工作之余，忙里偷闲轻松个把月，吴健雄、袁家骝夫妇心里格外惬意，像是要去度蜜月，沉浸在无比的幸福和向往之中。

“铃……”急促的、不协调的电话铃声打破了室内的宁静。

“是吴大姐吗？”李政道浓重的上海腔从话筒里传了出来。

“你好！政道小弟！”和李政道同生在长江口的吴健雄也是满口的上海话。

同是在异国他乡，老乡之情就更胜一筹，所以平时吴健雄和李政道两人一交谈就说家乡话。在周围满是英语的世界里，就别提有多亲热了。

“吴大姐，有件大事请您帮忙，侬不要走，阿拉就到！”电话戛然而断。

近来，李政道和杨振宁关于宇称守恒理论研究的情况，已经沸沸扬扬传遍了整个校园。此时政道小弟来找自己，吴健雄不用猜也知道，准是离不开宇称守恒。她遗憾地看了看坐在对面的丈夫，又看了看地上整整齐齐的行装，已经预感到这次欧洲之行就要泡汤。

刺耳的电话铃声打破了沉静，也搅乱了他们精心安排的，幸福的旅行，就像上天有意安排，让吴健雄抛开安逸投入战斗；就像命里注定，让她在打破宇称守恒的重大发现上，重重地画上关键的一笔；让她为炎黄子孙第一次登上诺贝尔奖坛——做出华裔女科学家必不可少的贡献。

比李政道大14岁的吴健雄是江苏太仓人，她的家乡浏河镇最靠近长江入海口，郑和七下西洋都是从这里起航的。吴健雄的父亲吴仲裔，早年曾参加过讨伐袁世凯的斗争；母亲樊复华，则是积极提倡男女平等的女权活动家。吴仲裔积极支持夫人樊复华的事业，一起在家乡创办了明德女子职业补习学校。他们有二子一女：长子健英，女儿健雄，次子健豪。给子女起了如此响亮的名字，无非是希望他们的孩子无论是男是女，都成为英雄豪杰。

1923年，吴健雄11岁，以优异成绩考上了设在苏州的江苏第二女子师范学校。这所学校环境幽雅、师资雄厚。然而美中不足的是学校只开国文、艺术等文科课程，却没有数学、物理等理科。文静而聪慧的吴健雄，文科功底好，她的作文曾得过老师“眼高于顶，笔大如椽”的美誉。然而谁也不会想到，这位看来文文静静，聪明漂亮的女孩，即非同寻常地想学物理、数学，越是学不到，越是想得很。一天，她央求她的妈妈，说什么也要给她想个办法。“既然师范没有理科，我就想办法给你办一个理科！”历来爽快的母亲，一口答应了爱女的请求。说办就办，第二天一早，妈妈就到上海给女儿“办理科”去了。利索快当的妈妈理科办得很奇特：她既没有给小健雄请家庭教师，也没有为小健雄办什么转学手续，而是跑遍了大大小小的书店，买来了一大摞有趣味的数理化教材和相关的参考资料。当小姑娘从慈爱的妈妈手里接过这些可爱的书籍，高兴得跳了起来。就这样，小姑娘吴健雄靠母亲买来的这套书，开始了在自然科学大海中的遨游。

1929年秋，吴健雄考入了国立中央大学（即南京大学的前身）数学系，一年之后转入物理系就读。当时在中央大学，女生少得可怜，全校仅有100多人，而在理学院就读到毕业的更是寥寥无几。学校里有些女生整天热衷于谈情说爱，在玄武湖边卿卿我我，学业无甚长进，风流韵事却不少。在江南水乡长大的吴健雄，不仅容貌出众，而且才华过人，自然受到不少男同学的倾慕。每当收到求爱信，她都婉言谢绝。为了不受干扰，静心学习，吴健雄在女生宿舍楼后面的平房中找了一间狭窄的，仅能容下一榻一桌一椅的小房。在这令她十分满意的小天地里，吴健雄刻苦地学习。即使逢年过节她也舍不得回趟家，或去南京叔叔家玩，而是忘情地在图书馆读书或到实验室去钻研……后来，她以毕业考试总平均分86.3分的优异成绩毕业，是470名毕业生中当之无愧的佼佼者，年仅22岁就获得理学学士学位。

1936年吴健雄远离祖国，自费到大洋彼岸的美国去深造，在加利福尼亚大学攻读物理。当时她的导师劳伦斯（E. O. Lawrence, 1901—1958，著名原子物理学家，因发明和发展回旋加速器以及使用加速器所取得的成果，特别是有关人工放射性元素方面的成果，而获得1939年诺贝尔物理学奖）曾劝告她学点音乐、艺术，不必学习枯燥的原子物理理论，担心吴健雄会像其他女孩子那样有始无终。但勤奋自强的吴健雄毫不动摇，而是更加刻苦地学习。她整日沉浸于知识的汪洋大海之中，常常因学得入迷而忘了吃饭。

事实证明，她的学业超过了许多男生。劳伦斯教授真是口服心服，既佩服她的刻苦勤奋，更赞赏她的聪明过人，欣然收下这位“高足”。

1940年，吴健雄获博士学位，并被母校聘为研究助理，在劳伦斯教授主持的放射试验所工作。后来她先后执教于美国的史密斯学院、普林斯顿大学，又被哥伦比亚大学邀请参加了著名的“曼哈顿计划”。由于她完成了许多重要科研工作，进行了多项重大发明，因而在科学界有很高的声誉。

吴健雄的爱人袁家骝，是袁世凯次子袁克文的儿子。他是在燕京大学毕业后，赴美国留学的博士，也是一位颇有建树的实验物理学家。1942年，他们在美国结婚。吴健雄曾风趣地对丈夫袁家骝说：“我父亲早年是讨伐袁世凯的积极分子，他的女儿却和袁世凯的孙子结成百年之好，这真是历史的误会！”

门外传来了敲门声，吴健雄赶紧打开了房门……满头大汗的李政道急匆匆地走了进来。“吴大姐……袁教授！”还没坐稳，李政道就从皮包里拿出了一大堆材料，一边喘着粗气，一边迫不及待地说：“快帮帮忙！”一抬眼，李政道看见了沙发前面的行装，抱歉地问：“你们要出门了？”“没关系，接着说！”安逸和善的吴大姐，递上一杯橘子汁给这位不速之客。他们虽是华裔学者，同在一个学校工作，但由于工作都忙，彼此很少有时间在一起闲聊。然而他们的心彼此是相连的，不管谁有难处，都能鼎力相助。“‘θ—τ之谜’搞得物理学界一片沸腾”，李政道一反平时的温文尔雅，无拘无束地挥着手说，“我和振宁做了理论上的分析，认为弱相互作用下宇称也许根本就不守恒，但关键是需要实验的验证。这是我们的论文，这是我们的实验设想。”李政道一边说着，一边把一大堆材料一股脑地交到吴健雄手中，恳切地对她说：“大姐，这个实验非你莫属了！”

翻阅着这些材料，吴健雄很快被这两位年轻人的设想和理论上的创见吸引了，她的脑海里迅速地设想着实验的可能性……宇称守恒，这个被物理学界奉为金科玉律的定律，如今自己的同胞要推翻它，这可是非同一般的大事情……要抢在别人之前把实验做出来才有意义，不过这个实验难度可不小，β衰变需要低温，哥伦比亚大学的实验条件不行，如果去求别人，这可真不好办呀！

她埋头和李政道用家乡话谈了起来，不时地用笔在纸上画着，讨论着。“政道小弟”，尽管李政道是已经结过婚的物理博士，可吴健雄还是这样亲切地称呼他，“只要你们信得过我，我就着手做这个实验！”

一直在一旁的袁家骝教授，他太了解自己的妻子了！看着自己温柔文雅的妻子一下子变成了摩拳擦掌随时准备冲锋陷阵的战士，他深深地知道，不知又要有多少不眠之夜在等待着他……袁教授悄悄拿起了电话，通知航空公司，取消了他们去欧洲之行的机票。

晚秋的纽约，已是秋风萧瑟，而这几天吴健雄教授却忙得满头大汗。根据杨振宁、李政道的实验设想，她已经干净利落地开始了实验前的准备工作。由于实验需要在绝对温度0.01K（即-272.99℃）的低温下，使放射核的自旋获得一致的取向，这就需要有高水平的低温设备和高水平的低温技术专家。哥伦比亚大学不具备这样的条件，吴健雄就四处奔波，积极寻找合适的合作者。

当时，华盛顿美国国家标准局的安布勒正在研究放射性核60钴的低温取向问题。吴健雄得知后十分高兴，但仍有一丝忧虑，因为在美国寻找合作者并非容易。安布勒先生也是一名著名的低温专家，不知他是否愿意放下自己手头的研究工作，把设备腾出来，帮助她去做一项还在被人怀疑的实验。

吴健雄亲自赶到华盛顿，直接找到了安布勒，极力向他讲述了这个实验的重大意义，请求他的支持。吴健雄教授的远见卓识和对科学的忘我热情，打动了安布勒先生，他当即答应协助吴健雄做这个实验，并同意把实验设备搬到条件较好的国家标准局的实验室去。

吴健雄领导的实验小组，迅速投入了战斗，除了安布勒以外，还有赫德森、海华德和霍普斯先生，他们在低温实验或核物理实验上，都有一手自己的绝活。

吴健雄领导的这个实验小组所用的实验方法，就是李政道、杨振宁他们在论文中提出的“概率法”：

“选择某种有本征自旋的原子核，并且它们是放射高速电子进行β衰变的。设法使一束这样的核都具有相同的自旋方向，例如说，从上面往下看它们都是顺时针自旋的。然后，对向上发射和向下发射的电子进行计数。”

如果向上和向下的计数相等，那么宇称守恒，这是因为从镜像来看，向下的发射相当于在负坐标系中的向上的发射，上下计数相等，正好表明β射线的空间分布是不变的；反之，如果上下计数不相等，则表明β射线的空间分布是变化的，即宇称不守恒。

这个实验的基本原理虽然十分简单，但实验本身的实施却万分困难。它要求把两种高级实验技术结合起来，以便精确观测放射性核所发射的高速电子，另一方向要精通低温物理学，以便获得与绝对零度仅差1％度那样的极低温度。因为物理的热能，也就是原子随机运动的能量，会扰乱自旋的一致方向，只有把物体冷却到几乎是绝对零度的地步，原子核自旋的轴，才能指向某一给定的方向。

在20世纪50年代中期，只有唯一的办法，即用绝热法去磁法，来取得这样的低温，人们称之为“磁冷”法。具体原理是这样的：某些复盐被放入强磁场中时，它们会被磁化，并在磁化的同时放出热量；反过来，当把外界磁场减弱或撤去时，它们就吸热。利用这个原理，就可以在外加磁场之后，再使这些盐类与外界周围环境绝热，再撤去磁场，盐的温度就会降低。

但是在使用绝热去磁法之前，必须先要获得一个初始低温，这个温度大约高于绝对零度1K，即-272℃左右。然而要得到这个温度就已经很困难了。要用强力真空泵抽走液氦的蒸气，使液氦在低压下沸腾才能得到-272℃这样的低温。而这时液态氦本身已是“超流体”，要把它禁锢起来是相当困难的。

素以严谨著称的吴健雄，对每一个细微的细节都不放过；时刻关心实验进程的李政道、杨振宁，更是常常泡在吴健雄那里。三个人一起反复考虑实验中可能出现的各种情况以及相应的解决方案，因为实验中的哪怕是一个极微小的纰漏，都有可能导致重大的失误。

实验一天天准备成熟，圣诞节也一天天临近。节日前的华盛顿，车水马龙、灯火辉煌，是一年之中最繁华最热闹的时刻。然而近在咫尺的吴健雄的实验室里，却与热闹、繁华无缘，在整整100天的实验日子里，吴健雄竟一步也没有离开过实验室。

1956年12月27日，对实验小组来说是个不寻常的日子。这一天清晨，刚刚度过了圣诞节狂欢之夜的人们，还在酣睡中。日夜奋战在实验室的吴健雄早早就起来了。几个月的实验，更令她牵肠挂肚，睡不安宁。她悄悄穿上衣服，生怕惊醒了别人，她知道大家都太累了。她独自一人泡上杯牛奶，便躲进了实验室。今天是关键的一天，她感到异常兴奋。

前几天，实验几经反复，遇到了重重困难。作冷却用的低温小室，开始是用金属做的；为了取得更好的效果，改成用玻璃来制造，但在实验中又出现了漏气现象；不久玻璃冷却小室又被砸破……然而久经考验的吴健雄，越是在紧要关头，越是沉着冷静。她深深知道，自己的情绪是会影响其他人的。一边喝着牛奶，一边品味着这些天的工作，她深为自己这些助手的精神所感动。他们和自己以前都不是深交，仅仅是为了做这个前所未有的实验才走到一起来的。可是为了实验的成功，他们连圣诞节都没有回家与亲人团聚，和自己一起在这里挨冻，多么好的同事啊！

“铃……”急促的电话铃声打断了吴健雄的思路，这也是惯于早起的李政道打来的。从实验一开始，他们之间就几乎天天通电话。

“现在是基本就绪了，就看上帝的安排了。”

吴健雄倚在实验室的转椅上，轻声细语地说着。

“大姐，圣诞节我特地为你们买了个小礼品，但我没敢送去，我想我们是虔诚的，上帝会向着我们的。”

李政道真真假假地开起了玩笑。

实验组的人都起来了，安布勒胡子长长的，几个月都没刮了。他说非等实验成功的那一天，他才去刮胡子。

望着其他几个人，一个个全都熬红了双眼，吴健雄真不忍心叫他们马上就干，可一切准备就绪，眼看实验成功在即，她又恨不得立即开始工作，便说：“咱们是再休息一会儿，还是立即开始？”

“哈罗！吴，”霍普斯笑着说，

“您什么时候做几样中国菜让我们尝尝，就足够了！”

他挥了挥手诚谐地说，“我们来这里可是为了吃您的中国菜，欣赏您的手艺的！”

“哈……”大家都开心地笑开了。

“这很容易，等实验干完，我亲自下厨为各位先生煮几道我们家乡的好菜，保证各位不虚此行！”

好像菜的香味已经飘出来了，大家此时的兴致特别高，几天来的疲劳一打而光。于是紧张的实验又开始了。

大家各就各位，准备开始工作。吴健雄走到每个人身边，叮嘱大家检查好各种仪器，她自己则紧张地注视着计数器。

实验开始了，计数器快速显示，吴健雄仔细地查看着每个由计算机打出来的曲线。随着时间的推移，发射速率越来越趋于稳定，与原来的设想是吻合的。紧接着，她沉着地下了命令：“改变磁场方向。”

全体人员的双眼都紧紧地盯着计数器，实验室里只听得见机器的声音。

改变磁场后，如果开始的时候曲线是重合的，就说明正、反方向的磁场对β衰变过程的影响是等效的，就说明宇称在最开始弱相互作用下是守恒的，如果初始曲线不重合，则说明实验证实了弱相互作用下，宇称不守恒。整个实验就期待着这个结果。

计数器的荧光液晶数字显示器闪烁着、跳跃着，全组人员十几只眼睛都盯着显示器，紧张得心都要跳了出来。

实验的数值曲线终于打出来了，显示器的数字和实验曲线准确无误地表明：实验成功了！

实验室里一片寂静，只听到彼此的呼吸声。

吴健雄两眼盯着显示屏，深深吸了一口气，大声说道：“再来一次！”

重复实验的结果，与前一次完全一样。实验结果再一次准确无误地证明了：在弱相互作用下，宇称不守恒。

准备了100多天的实验最终只进行了20秒钟，就这样胜利完成了！

梦寐以求的结果就这样得到了！

安布勒拿起一杯香槟酒，递给了吴健雄，实验组全体人员都举起了杯子，似乎想说什么，但又什么也说不出来……

大家都感到眼睛湿漉漉的，嗓子眼好像被噎住了。

突然，吴健雄想起了什么，她一转身，对身边的一位小姐说：

“快！快打电话！告诉李、杨！”

成功的消息直奔哥伦比亚大学，李政道激动得完全像个孩子：“太好了！谢谢！太感谢您了，我的好大姐！感谢全组的女士和先生们！”

此的杨振宁两眼泛出了喜悦的泪花，他紧紧地，紧紧地握着李政道的手，久久，久久，才说了一句话；

“真太不容易了！”

吴健雄小组的实验结果表明，宇称守恒定律在弱相互作用中被否定了。杨振宁、李政道的理论终于被证实了。这一新的理论对于宇宙的构造，以及较小物质的构造的研究有什么重要的意义，当时科学界尚无法估量。大多数科学家都对此十分关注。

美国著名物理学家杰里夫·伯恩斯坦认为，这是“战后整个物理学上最令人惊奇和激动的事，是科学史上的一个转折点。”有的人认为这一重大发现使“物理学因之进入了一个新纪元。”有的人则惊叹：“一个相当完整的理论体系从根本上被摧毁了，我们不晓得怎样再把碎片重新建立起来。”

物理学家莱得曼和范因利希当时正在哥伦比亚大学新建奈难斯实验室中用回旋加速器研究μ介子的某些性质，当他们得知吴健雄小组的实验结果后，马上意识到他们有条件完成一个检验李、杨理论的实验。

他们在李、杨提出的μ介子实验方式的基础上，通过自己的实验仪器进行实验，结果也证实了μ介子在弱相互作用下宇称是不守恒的。不久，物理学家弗里德和特莱格迪在芝加哥用照相乳胶的方法，也确定了μ介子的衰变中宇称不守恒。至此，在弱相互作用下宇称不守恒已成定论。

1957年1月15日，在哥伦比亚大学物理系举行了一次大型记者招待会，会上向世界宣布，宇称守恒定律这一物理学中的基本定律，在弱相互作用下予以推翻！

第二天，《纽约时报》头版刊登了宇称不守恒的新闻，著名物理学家奥本海默在给杨振宁、李政道的回电中说：“终于找到了走出黑屋子的门！”

1月30日，美国物理学会在纽约召开一年一度的盛大年会，2月2日，年会为宇称不守恒这个专题举行了半天的特别讨论会。参加会议的人数创下了美国物理学会史上的最高纪录。会上吴健雄、杨振宁等作了报告，许多与会专家认为，参加这个会议，有一种亲睹科学历史转折点的感受。

然而，由于缺乏取得重大惊人成果的思想准备，在重大发现面前失之交臂的，却大有人在。

早在李政道、杨振宁取得这一成果的前一两年，大物理学家朗道的研究生曾写一篇探讨在弱相互作用下宇称不守恒的文章，被朗道斥为“开玩笑”。这位研究生出于对朗道的崇拜，而放弃了这一想法，因而他失去了一次发现的机会。

更早以前，在1928年，美国物理学家考克斯在β衰变中观察到了宇称不守恒现象。他把衰变电子用于双散射实验，曾经观察到某种不对称现象，指明最初的电子产生了极化。这本来应该说已经和宇称守恒发生了矛盾。但考克斯对宇称守恒定律深信不疑，便改用不极化的热电子重复做了实验。由于改用了热电子，第一次看到的可贵的现象也就没有了。他还以为第一次实验是出现了误差，让发现的机会从身边溜走了，也使这一发现整整推迟了30年。

国际诺贝尔评奖委员会发来了通知，由于杨振宁、李政道一起提出在弱相互作用下宇称不守恒，从而使基本粒子研究获得重大发展而共同获得1957年诺贝尔物理学奖金。听到这个消息，李政道、杨振宁欣喜若狂。要知道，诺贝尔奖在人们心目中是享有崇高地位的，每一个科学家都把能获得这一奖励当作极其崇高的荣誉。

李政道、杨振宁这次获奖的时间，距他们发表《弱相互作用中宇称守恒问题》这篇论文的时间，仅仅一年多一点；而吴健雄的实验证实，也不过是年初的事情。能在这么短的时间内就受到国际物理学界的承认，并获得诺贝尔奖，这在诺贝尔奖史上是罕见的。这说明华人的智慧是超群的。