汪詰：諾獎以他為榮，紀念楊振寧先生

享譽世界的華人物理學家楊振寧先生，因病于 2025 年 10 月 18 日在北京逝世，享年 103 歲。看到這個消息，心情無比沉重。

我曾在楊先生 100 歲生日那天寫過這樣一句話：希望楊先生能活到人類攻克死亡的那一天。很遺憾，楊先生還是走了。今天我給大家講一講楊先生獲得諾貝爾物理學獎的故事，以此來紀念這位物理學黃金時代的最后一位可以比肩玻爾、海森堡、費曼的大師。

如何定義“左”和“右”？

這個世界上有一些似乎是司空見慣或者天經地義的事情，都會在科學家們的拷問下變得極為有意思，人類的樸素自然觀總是伴隨著一個又一個的科學發(fā)現(xiàn)而不得不重塑。

假如有一天，我們與距離地球極為遙遠的某個外星文明取得了聯(lián)系，我們又假定，由于某些奇怪的原因，我們只能給這個外星文明傳送滴答滴答的長短脈沖信號，除此之外，我們無法給他傳送任何其他東西供他們觀察。然而，我們很快會面臨一個難題：無法用自然語言準確地告訴外星人左和右的定義。這是一個不折不扣的難題。

如果這個問題擺在 1956 年之前，所有的科學家都會撓頭。因為究其根本，那時的科學家們都有一個共同的信念，那就是認為上帝不偏愛任何方向，在宇宙中，所有的物理現(xiàn)象都是鏡面對稱的，你不可能找到一個物理實驗的結果對左右方向有偏好。這句話也可以反過來這么說，如果我們觀察一個物理實驗，不論是直接觀察，還是通過一面鏡子來觀察，最終得出的物理規(guī)律都是相同的。

這個共同的信念在物理學上有一個名詞，叫做宇稱守恒。

正是這樣的一個共同信念，會讓當時的科學家們覺得想要通過自然語言讓外星人與地球人在左右的定義上達成一致是不可能的。

圖示：觀察真實的單擺和鏡中的單擺，都能得到同樣的規(guī)律

剛才我們說了，所有的物理現(xiàn)象都是鏡面對稱，這是物理學家們的一個信念。在物理學上，基于信念而得出的結論叫做定律，我們沒有辦法證明定律，因為它們是建立在信念上的。基于物理現(xiàn)象都是鏡面對稱的信念，物理學家們得出了宇稱守恒定理。

為了讓你理解什么是“守恒”，我以能量守恒為例。有這樣一個事實，支配著至今我們所知道的一切自然現(xiàn)象，自科學誕生以來，我們從來沒有發(fā)現(xiàn)過例外，至少在我們今天看來，它依然是完全正確的。那就是，在自然界所經歷的種種變化之中，有一個稱為能量的物理量是不變的。而能量，完全是一個抽象的概念，或者僅僅是一種數(shù)學原理，它告訴我們在所有自然現(xiàn)象發(fā)生的過程中，有某一個數(shù)量是永遠不變的。它并不是對機制或者具體事務的描寫，而只是一件奇怪的事實。在物理現(xiàn)象發(fā)生的任何時刻我們都可以計算某個數(shù)值，不管大自然怎么耍弄它神奇的表演，我們再次計算這個數(shù)值，它的結果永遠是相同的。

就好像你給孩子 28 塊積木，無論孩子怎么擺弄它們，永遠都還是 28 塊，哪怕有一天你發(fā)現(xiàn)少了一塊，但你一定能在某個地方找到那丟失的一塊積木。能量的形式有很多種，動能、熱能、重力勢能、彈性勢能等等，但我們總能把它們統(tǒng)一成同一個單位，在物理學中，我們把這樣的單位稱為量綱，在量綱相同時，它們的總數(shù)是恒定的。這就是大自然的奇妙之處，我們不知道為什么會這樣，我們只知道就是這樣。除了用信念來描述外，我也找不到更好的詞匯了。

每一個守恒規(guī)律中都蘊含著一個守恒量，比如能量，這個量是可以被數(shù)值化的，也是可以被計算的。它是實實在在地存在于大自然中的一個數(shù)量，并不是科學家們在頭腦中憑空創(chuàng)造出來的語言游戲。很多時候，像費曼這樣的物理學家看不起哲學家的原因就在于哲學家們經常隨口就編造出很多名詞，但這些名詞經不起深究，無法做定量分析。

好了，我們現(xiàn)在回到我一開始談到的鏡面對稱以及它對應的宇稱守恒，在這種守恒中，當然也有一個可以被量化的守恒量，這個守恒量就被叫做“宇稱”，它是描述基本粒子的一個實實在在的物理量，就好像質量、能量、電荷一樣。在1956年以前，宇稱守恒與能量守恒一樣，被認為是物理學中的基本原理，是金科玉律，是共同信念。也正是基于這樣的共同信念，科學家們會告訴你，對不起，我們真的沒有辦法用自然語言讓外星人的左右與地球保持一致，不管我們讓他們做什么樣的實驗，左右都是完全對稱的，沒有任何區(qū)別。

圖：基本粒子遵守“宇稱守恒”定律

好了，既然你聽到我說這是 1956 年前的事情，那么劇情自然就是在 1956 年發(fā)生了反轉。來，我們接著講這個發(fā)生在物理學黃金年代的好萊塢懸疑大片。

“西子”和“桃子”大鬧江湖

為了讓你充分感受這個故事的曲折，咱們還得從 1947 年說起，那一年，實驗物理學家們發(fā)現(xiàn)，宇宙射線中有一種被稱為“θ 粒子”（θ 讀作“西塔”）的奇異粒子在衰變時，變成了 2 個 π 介子。到了 1949 年，實驗物理學家們又發(fā)現(xiàn)了一個新的奇異粒子，它衰變后變成了 3 個 π 介子。人們又把這種奇異粒子叫做“τ 粒子”（τ 讀作“桃”）。為了后面講訴的方便，我就把這兩種粒子叫做“西子”和“桃子”。

西子和桃子的發(fā)現(xiàn)當然不是什么令人矚目的大事，不同的粒子有不同的衰變方式，就好像人有不同的死法一樣，這很正常嘛，沒什么好奇怪的。但是，接下來，就是這兩個“子”出了大問題，把物理學江湖攪了個天翻地覆，好不熱鬧。且聽我慢慢道來。

隨著實驗的進展，人們發(fā)現(xiàn)西子和桃子除了它們衰變的方式不一樣以外，其他方面的性質全都一樣。質量和電荷是相等的，蛻變所需的時間也是相同的，再有，無論何時生成這兩種粒子時，它們總是以同樣的比例出現(xiàn)，比如說，14% 是桃子，86% 是西子。這就好像有兩只鴨子，你無論用任何方式去觀察比對，它們都是完全一樣的，按理說它們就應該是同一種動物。

科學家們不是經常會說一個段子嗎，說有一種動物它叫起來像鴨子，走起來像鴨子，長的也像鴨子，那么就它就是鴨子。但問題是，它們偏偏死掉以后會變得不一樣。西子和桃子唯一的不同點，用物理學術語來說，就是在它們蛻變后測量到的宇稱不同。注意啊，我之前說過，宇稱是一個實實在在的物理量，是可以測量的，而且當時幾乎所有的物理學家們都秉持著一個信念，那就是宇稱守恒。既然西子和桃子在死后的宇稱不同，那當然就不可能是同一種粒子嘛。

這就好像兩只鴨子被我們吃掉消化后，經過精確無比的測量，證實我們得到的能量不同，那么這兩只鴨子生前也肯定是不同的，因為能量守恒嘛。

于是，物理學家們都在盡力改進實驗設備和方法，尋找西子和桃子的不同點，因為他們都堅信，既然它們是兩種不同的粒子，那就一定能找到不同點。然而，但是，一切努力全部都徒勞無功，除了它們蛻變后的宇稱不同，它們實在無法區(qū)分。物理學家們陷入了迷惘和思索之中。這種困境，在當時被物理學界稱為“θ-τ”之謎。

就在此時，距離美國東海岸不遠的新澤西州，有一處學術圣地，偉大的愛因斯坦不久前在那兒與世長辭，這就是著名的普林斯頓高等研究院。34 歲的楊振寧和 30 歲的李政道此時正形影不離地走在校園中，熱烈地討論著西桃之謎，這對來自中國的青年才俊此時根本想不到，一年之后，他們將因為此時此刻討論的問題而同時獲得諾貝爾獎。這也是中國人對人類的科學事業(yè)做出的重大貢獻之一。那時的楊振寧和李政道都是中國國籍。而且楊振寧先生雖然中途加入過美國國籍，但是現(xiàn)在又已經是標標準準的中國公民。所以，我們可以毫不心虛地說，物理黃金時代的大師有我們中國人。

那么，楊李二人又是如何解開西桃之謎，而這又與我們和外星人交流左右有什么關系呢？

楊振寧和李政道聯(lián)手出擊

時間走到了 1956 年春暖花開的季節(jié)，4 月，一年一度的羅徹斯特會議在位于美國紐約州的羅徹斯特大學召開，這是當時國際高能物理界最重要的會議，全世界最優(yōu)秀的粒子物理學家們齊聚一堂。楊振寧和李政道受邀參加了這次會議，而本次會議最重要的議題就是討論西桃之謎。在會議的最后一天，楊振寧作了一小時的發(fā)言。在發(fā)言的結尾，他鼓足勇氣，再次提出：會不會是我們的信念出了問題？宇稱是不守恒的呢？

說實話，對于講故事來說，我很希望我此時對你們說，楊振寧拋出了一個離經叛道的觀點，舉座皆驚。這樣的描述充滿了戲劇的張力，就好像邁克耳遜-莫雷實驗之后，愛因斯坦大聲宣布以太并不存在，光速是不變的一樣。然而，對于西桃之謎來說，宇稱不守恒的觀點并不是什么驚世駭俗的觀點，很多初次接觸西桃之謎的物理學家都會想到如果宇稱不守恒，這個西桃之謎也就不攻自破了。

但問題是，過去已經有太多的實驗符合宇稱守恒的信念，宇稱守恒不僅僅是物理學家們的一種執(zhí)念，它確實是有大量的實驗基礎的。科學家們都認同實驗是檢驗理論的唯一標準，沒有實驗基礎的理論都是空中樓閣。所以，在羅徹斯特的會議上，楊振寧再次提出宇稱是否守恒時，既沒有舉座皆驚，也幾乎沒有人同意，楊振寧自己也是心虛得很。

圖：楊振寧（左）與李政道

重大轉機是在羅徹斯特會議結束后沒多久到來的，在紐約的一家餐館中，楊振寧和李政道突然想到：似乎之前所有的所謂證明宇稱守恒的實驗都沒有仔細地按照不同的相互作用來分類，會不會宇稱僅僅是在弱相互作用時不守恒，而在其他相互作用時是守恒的呢？這里我稍微解釋一下什么是弱相互作用，牛頓把“力”定義為物質之間的相互作用，萬有引力是人類發(fā)現(xiàn)的第一種相互作用。電磁力是第二種。進入到量子時代后，人們又發(fā)現(xiàn)了弱力和強力。只是在粒子物理學中，人們習慣性地使用“相互作用”，而不是“力”這個詞。而強相互作用是把質子和中子結合在原子核中的一種“力”。

有一種弱相互作用叫做 β 衰變。什么是 β 衰變？1896 年，德國物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾原子的放射性現(xiàn)象，92 號元素鈾能夠自發(fā)衰變成 82 號元素鉛。接著，盧瑟福和湯姆孫在一年后發(fā)現(xiàn)，鈾在衰變過程中會產生三種不同的放射線，準確地說，大自然中沒有線，所有的線都是由粒子組成的。你可能想問，他們怎么知道是三種不同的粒子呢？這個原理其實很簡單，就是讓放射線通過一個磁場。然后他們就發(fā)現(xiàn)，在磁場中，放射線的偏轉方向會不同，根據(jù)異性相吸的原理，也就知道了鈾在衰變過程中，釋放出帶正電、負電和不帶電的三種粒子。他們就把帶正電的叫做 α 射線，帶負電的叫做 β 射線，不帶電的叫 γ 射線，那么發(fā)出 β 射線的衰變過程就叫做 β 衰變。

圖：衰變過程

在隨后的兩個禮拜中，楊振寧和李政道設法找來了大量的有關 β 衰變的實驗數(shù)據(jù)，然后開始動手計算，驗證宇稱是否守恒，這一過程涉及到極為枯燥和復雜的數(shù)學計算，而且當時還沒有計算機可以作為輔助。最后，他們算出的結果一致：數(shù)據(jù)不足，沒有結論。換句話說，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，過去所有 β 衰變的實驗數(shù)據(jù)都既不能證實也不能證偽宇稱守恒。用楊振寧自己的話來說，就是：長久以來，在毫無實驗證據(jù)的情況下，人們都相信，弱相互作用中宇稱守恒，這是十分令人驚愕的。這個突破口一旦找到，后面的事情就如同開閘放水，一瀉千里了。僅僅過了一個月，他們倆就共同完成了那篇名垂青史的論文《弱相互作用中宇稱守恒問題》，投給了著名的學術期刊《物理評論》，1956 年 10 月，文章被發(fā)表了。

圖：論文《弱相互作用中宇稱守恒問題》

這是近代物理學史上最重要的論文之一，在這篇論文中，他們提出，在強相互作用和電磁相互作用中，宇稱在很高的度上是守恒的，但是在弱相互作用中，宇稱守恒只是一個外推性的假設。甚至可以認為西桃之謎恰恰是弱相互作用中宇稱守恒的反例。為了毫不含糊地確定在弱相互作用中宇稱是否守恒，我們必須完成一個實驗來確定在弱相互作用中左和右是否不相同。

實際實驗中自旋方向反轉與鏡像實驗結果不同，這一事實證明，在β

我必須要告訴大家的是，這種諾獎級別的理論絕不是哪天靈機一動，突然想到一個絕妙的點子，拋出幾個與主流科學界完全不同的觀點，就可以號稱是諾獎級的理論了。一個物理理論必須要有定量化的數(shù)學分析，并且能夠提出可供檢驗的預言，對預言的結果也必須是量化的，而不是泛泛而談。李和楊的論文中提出了五個明確的物理實驗，給出了明確的需要測量的，被稱為“贗標量”的數(shù)據(jù)，以及預言了可能的結果。他們的工作是極為扎實和細致的，絕對不是偶然的靈光咋現(xiàn)。只是論文發(fā)表后，卻遭到了絕大多數(shù)著名科學家的反對，因為要打破一個信念何其艱難，美國物理學家菲利克斯·布洛赫在看了論文后，決絕地說：如果宇稱真的不守恒了，我把我的帽子吃掉。

吳建雄證明上帝是左撇子

但正如我一再強調的，實驗才是檢驗物理理論的唯一標準。對于楊振寧和李政道而言，比科學理論更重要的是科學實驗。不幸的是，他們倆都不是搞實驗的，而且據(jù)楊振寧的老師泰勒講，楊振寧的實驗動手能力還不是一般的差。他們迫切地需要有一位實驗物理的大神來幫助他們。

起初，他們找到了著名的實驗物理學家萊德曼，但是遭到了拒絕，萊德曼開玩笑說：我一旦找到一位絕頂聰明的研究生供我當奴隸使用，那我就會去做這個實驗。這其中還有一個很重要的原因就是：這些實驗的難度極高，值不值得花大量的時間和精力去做一個很可能沒有任何價值，只是證實了一些人們早就相信了的事情的實驗。

這時候，他們生命中最大的一個貴人出現(xiàn)了，這就是他們的中國同胞，足以和居里夫人相媲美的女性物理學家——吳健雄。很多科學愛好者都只知道居里夫人，不知道吳健雄博士，她沒有獲得諾貝爾獎是多種偶然的原因造成的，但我可以很負責任地告訴你，吳健雄在物理學史上的地位是極高的。她是當時全世界最優(yōu)秀的幾位實驗物理學家之一，有些書上甚至不加之一。李政道找到了吳健雄，在聽完李楊的說明后，她毅然放棄了和丈夫一起回國探親的計劃。她已經二十年沒有回國，本來連船票都買好了，但是吳健雄卻一頭扎進了實驗室，這一年的物理學界注定要掀起軒然大波。

圖：吳健雄

有一位以毒舌著稱的著名物理學家泡利在得知吳健雄正在做實驗的消息后，他對朋友說：像吳健雄這么好的實驗物理學家，應該找一些最重要的事去做，不應該在這種顯而易見的事情上浪費時間。誰都知道，宇稱一定是守恒的。泡利甚至在寫給韋斯科夫的一封信中說：我不相信上帝是一個沒用的左撇子，我愿意打一個大賭，實驗一定會給出一個守恒的結果。而物理學家費曼也說：那是一個瘋狂的實驗，不要在那上面浪費時間。他還建議以 1000:1 來賭這個實驗絕不會成功。

吳健雄選擇了李、楊論文中建議的一個實驗，就是把元素鈷-60 的核冷卻到接近絕對零度，這樣原子的熱震動基本就消除了，然后再用一個磁場使得這束原子核按照同一個方向自旋。如果宇稱是守恒的，電子就會以相同的數(shù)量向兩個方向飛出；如果宇稱不守恒，那么一個方向上飛出的電子將會比另一個方向飛出的電子多一些。這樣，對稱性就破壞了。這個實驗由于要用到極低溫設備，哥倫比亞大學的實驗室條件不夠，吳健雄就與美國國家標準局合作，利用他們的實驗室進行實驗。

圖：簡略示意

1957 年 1 月 9 日凌晨 2 點，吳健雄小組最后一次反復查證實驗終于結束，盡管結果好多天前就已經知道，這次實驗只是出于重大成果的極度謹慎需要。實驗小組一共 5 個人，他們打開了事先準備好的法國葡萄酒，慶祝一項偉大的物理成就誕生了：弱相互作用下，宇稱是不守恒的。

圖：工作人員配合吳健雄在華盛頓特區(qū)的標準局低溫實驗室進行實驗

6 天后，哥倫比亞大學做了一件從無先例的事：為這件事情舉行了一次新聞發(fā)布會。拉比教授在在發(fā)布會上說：在某種意義上，一個相當完整的理論結構已從根本上被打碎，我們不知道這些碎片將來如何能再聚在一起。

沒過多久，包括之前拒絕做實驗，腸子都悔青的萊德曼和其他幾個實驗室的驗證實驗的結果也都相繼出爐，以更加完美的實驗數(shù)據(jù)驗證了吳健雄的結果。整個物理學界轟動了，西桃之謎終于被解開了，這是一個無可比擬的、重大的革命性的進展。這個實驗也被認為是繼邁克耳遜-莫雷實驗以后最重要的物理實驗。當年的諾貝爾物理學獎也以火箭般的速度頒給了楊振寧和李政道，這創(chuàng)下了諾獎歷史上絕無僅有的當年出成果當年頒獎的傳奇。

按理說，吳健雄也完全有資格獲此殊榮，許多大科學家都公開表示了他們的失望和不以為然。例如 1988 年的諾獎得主，物理學家史坦伯格就認為，那年諾貝爾獎沒有同時頒給吳健雄，是諾貝爾委員會最大的失誤。由于諾獎的頒獎甄選資料的保密期是 50 年，因此在 2006 年之前，這一直是個謎。后來文件都解密了，大家才知道真實的原因。因為吳健雄的實驗也有美國國家標準局的另一位低溫實驗科學家安伯勒的功勞。但是諾獎的規(guī)則卻是最多只能同時頒給三位科學家，這樣一來，諾獎委員會就犯難了，如果只頒給吳健雄而不給安伯勒，也有失偏頗。最后權衡再三，只好將吳健雄的名字劃去了。

圖：吳健雄在1957年發(fā)表的論文中給出的統(tǒng)計結果

講到這里，本文一開始提出的那個問題就有了答案，現(xiàn)在我們可以對外星人說：聽著，你們先制造一塊磁鐵，然后把線圈繞上去，讓電流通過，隨后取一些 27 號元素鈷，把溫度降低到盡可能接近絕對零度，然后……（此處略去幾百字專業(yè)性比較強的實驗描述），好了，現(xiàn)在你們看到的電流流出的方向就是我們地球人所謂的左邊。

上帝他老人家居然真的是一個左撇子，他偏愛左方。

結語

科學再次向我們展現(xiàn)了它強大的自我糾錯能力。那么，既然在弱相互作用下，宇稱可以是不守恒的，有沒有可能在電磁相互作用或者強相互作用下，宇稱也不守恒呢？這是物理學家們自然而然冒出來的想法。一切只能以實驗為最終判斷依據(jù)。每一個物理實驗都有精度的概念，這就好像我們平常說自己的身高是 170 厘米，那么這就表明，這是在厘米級別的精度上，如果把精度再往前推一位，到了毫米級別，你就可能是 1703 毫米了。

所以，當科學家們做了某個驗證強相互作用下宇稱守恒的實驗，準確地說，是宇稱守恒在某個精度下得到了驗證，如果精度繼續(xù)往前推進，那么實驗就必須重新做。因此，我們可以宣布在弱相互作用下，宇稱是百分之百不守恒的，但是我們卻不能宣布，在強相互作用下，宇稱是百分之一百守恒的。而且從邏輯上來說，永遠不能這樣宣布，原因就在于對精度的追求沒有止境，至少從現(xiàn)在來看，還遠遠沒有止境。

這就是所有的科學理論一個非常重要的特征，它是有適用范圍的，任何一個科學理論只能說在某個適用范圍內是正確的。但是這句話可能反過來理解會更加重要和有意義，當我們說推翻了一個現(xiàn)有的理論時，其實并不是說現(xiàn)有的理論錯了，而只是將現(xiàn)有理論的適用范圍框定在了某個精度之下。

如果未來有一天，科學家告訴我們現(xiàn)在的量子理論是錯誤的，能量守恒也是錯誤的，但是，那絕對不會導致我們今天在這些理論指導下發(fā)明的手機、電腦突然就不工作了，我想跟某些人說，對不起，在我們當前的適用范圍中，這些理論會一直、永遠正確下去。在相對論“推翻”牛頓力學的 100 年后，我們所有的航天發(fā)射依然只需要用到牛頓力學，科學精神讓我們正確認識科學理論的錯誤。

我們這個社會上對于楊振寧先生的誤解實在是太多了，那些對楊振寧先生亂噴口水的人根本不知道他對人類的科學事業(yè)做出了多么巨大的貢獻。泰勒把楊振寧譽為是繼愛因斯坦和狄拉克之后建立一代風格的物理大師。

這次介紹的只是楊振寧一生中眾多成就中的一項，他還有很多了不起的成就。僅就物理學成就而言，他絕對是所有華人科學家中排名第一的。很多人可能以為霍金非常厲害，但在科學成就上，楊振寧先生甩他一條街。

楊先生千古！