杨振宁宇宙不对称定律

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……