★亞太工程組織聯合會王慶林

亞太工程組織聯合會（FEIAP）執委、中國科協亞太工程組織聯合會中國委員會主席王慶林

在20世紀50年代以前，宇稱守恒被視為自然界的基本定律之一。宇稱，即空間反射對稱性；宇稱守恒，意味著一個物理過程與其鏡像過程應遵循相同的規律，就像左手與右手互為鏡像。這一信念深深植根于當時物理學家的思維中，他們認為自然法則不會偏愛“左”或“右”。

然而，隨著粒子物理學的發展，一個被稱為“θ-τ之謎”的難題逐漸浮現。實驗觀測發現，θ介子衰變為兩個π介子，而τ介子衰變為三個π介子。根據宇稱理論，這兩種衰變模式具有不同的宇稱，因此，θ和τ應為兩種不同的粒子。但令人困惑的是，θ和τ在質量、壽命、電荷、自旋等所有可測物理性質上完全一致，這使得物理學家難以解釋它們為何會如此相似。

這一矛盾在1956年4月召開的第六屆國際高能物理會議上成為討論的焦點。會議期間，物理學家馬丁·布洛克提出了一個極具挑戰性的想法：θ和τ會不會就是同一種粒子，只是在弱相互作用中，宇稱并不守恒？理查德·費曼敏銳地意識到這個想法的潛在意義，在隨后的正式討論中，他向全體與會者轉述了這一設想，并以自己的方式加以闡述和推廣，強調如果宇稱在弱相互作用中不成立，那么“θ-τ之謎”便可迎刃而解。

費曼的公開引述使這一觀點獲得了前所未有的關注，參加會議的楊振寧和李政道深受啟發，開始系統性地審視宇稱守恒的實驗基礎。他們意識到，要將一個大膽的猜想發展為可檢驗的科學理論，首先必須證明傳統觀念所依賴的實驗證據并不充分。經過一個多月的深入研究，他們得出了兩個關鍵結論：第一，過去所有關于弱相互作用的實驗，實際上并未真正檢驗宇稱是否守恒；第二，盡管在強相互作用中宇稱守恒已被高精度實驗證實，但在弱相互作用領域，尚無任何實驗證據能夠支持這一守恒定律。

基于這些分析，李政道與楊振寧于1956年10月1日聯名發表論文《弱相互作用中的宇稱守恒問題》，論文指出“在弱相互作用中，宇稱可能不守恒。”更重要的是，他們不僅提出了這一觀點，還設計了多個可操作的實驗方案來驗證其正確性，其中最核心的建議是通過極化原子核的β衰變實驗，觀測電子發射方向是否具有空間不對稱性。由于李、楊都是理論物理學家，他們需要實驗專家的幫助來實現驗證，于是便求助同在哥倫比亞大學任教的實驗物理學家吳健雄博士。

吳健雄敏銳地意識到這一問題的重要性，便全身心投入實驗準備。她深知這一實驗的極端難度：必須在極低溫環境下實現原子核的極化，并確保探測器在極端條件下正常工作，同時還要維持放射源的穩定極化狀態以獲得有效數據。為此，她與美國國家標準局的低溫物理學家埃里克·安伯勒合作，組建了一支由低溫物理、核探測和晶體生長專家組成的團隊。

實驗的核心挑戰在于如何控制鈷-60原子核的自旋方向。吳健雄團隊采用了一種創新方法：將放射性鈷-60附著在硝酸鈰鎂晶體表面，再將整個晶體置于接近絕對零度的極低溫環境中。在如此低溫下，原子熱運動幾乎停止，再通過施加強磁場，使鈷-60原子核的自旋方向整齊排列，實現“極化”。

從1956年底開始，吳健雄團隊的實驗持續數月，精確測量鈷-60在β衰變中釋放的電子出射方向。如果宇稱守恒，電子應等概率地向自旋方向的上方和下方發射；然而，實驗結果顯示：絕大多數電子的出射方向與原子核自旋方向相反，表現出強烈的空間不對稱性。這一現象如同“左手螺旋”效應，確鑿無疑地證明了在弱相互作用中宇稱并不守恒。

在吳健雄的實驗取得有利證據、有可能證明宇稱不守恒的消息傳出后，另一組由萊昂·勒德曼領導的科學家團隊，僅用4天時間就設計并完成了一個基于π-μ-e衰變鏈的實驗，同樣觀測到了宇稱不守恒的效應。與此同時，麻省理工學院的杰羅姆·弗里德曼團隊也獨立完成了相關驗證。吳健雄團隊的論文與萊德曼等人的論文同時發表在1957年第105卷第4期美國的《物理評論》上，弗里德曼團隊的論文則發表在1957年105卷第5期的《物理評論》上，三個實驗形成了強有力的科學共識，證明了在弱相互作用中，宇稱不守恒。

宇稱守恒這一定律在弱相互作用中被徹底推翻。這一發現震驚整個科學界，徹底改變了人類對自然對稱性的理解。1957年10月31日，瑞典皇家科學院宣布，將當年度的諾貝爾物理學獎授予李政道和楊振寧，以表彰他們“對所謂宇稱守恒定律的深刻研究，這些研究導致了關于基本粒子的重大發現”。

宇稱不守恒的發現，是科學史上一次典型的“思想-理論-實驗”協同突破。布洛克提出了原始設想，費曼在公開場合將其傳播并引發關注，李政道與楊振寧通過嚴謹分析將其發展為可檢驗的理論并提出關鍵實驗路徑，吳健雄等人則以卓越的實驗技術完成了最終驗證。這一過程不僅解決了“θ-τ之謎”，更開啟了對稱性破缺研究的新紀元，深刻影響了粒子物理與宇宙學的發展，揭示了自然界在最深層次上的不對稱本質。

作者簡介：

王慶林，教授。現任亞太工程組織聯合會（FEIAP）執委、新興技術與職業發展常設委員會主席，亞太工程組織聯合會（FEIAP）中國委員會主席，國際科學理事會（ISC）開放出版計劃未來指導小組成員。

曾任世界工程組織聯合會（WFEO）主席顧問、工程教育委員會和工程能力委員會委員，中國國際科學技術合作協會副會長，中國工程教育專業認證協會副會長。中國科協國際合作部原副部長、一級巡視員。北京理工大學國際交流處處長、研究生院培養處處長、自動化學院教授、博士生導師。加拿大阿爾伯特大學訪問教授，中國科學院高級訪問學者等職。

中國自動化學會高級會員。曾任中國自動化學會理事、青年工作委員會主任、控制理論專業委員會委員、專家咨詢工作委員會委員、自動化系統工程師資格認證（ASEA）評審委員會委員等。《自動化博覽》和《中國自動化學會通訊》編委。

主要研究方向為復雜系統的建模、分析與控制，國際科技組織與全球治理。

摘自《自動化博覽》2025年10月刊