★亚太工程组织联合会王庆林

亚太工程组织联合会（FEIAP）执委、中国科协亚太工程组织联合会中国委员会主席王庆林

在20世纪50年代以前，宇称守恒被视为自然界的基本定律之一。宇称，即空间反射对称性；宇称守恒，意味着一个物理过程与其镜像过程应遵循相同的规律，就像左手与右手互为镜像。这一信念深深植根于当时物理学家的思维中，他们认为自然法则不会偏爱“左”或“右”。

然而，随着粒子物理学的发展，一个被称为“θ-τ之谜”的难题逐渐浮现。实验观测发现，θ介子衰变为两个π介子，而τ介子衰变为三个π介子。根据宇称理论，这两种衰变模式具有不同的宇称，因此，θ和τ应为两种不同的粒子。但令人困惑的是，θ和τ在质量、寿命、电荷、自旋等所有可测物理性质上完全一致，这使得物理学家难以解释它们为何会如此相似。

这一矛盾在1956年4月召开的第六届国际高能物理会议上成为讨论的焦点。会议期间，物理学家马丁·布洛克提出了一个极具挑战性的想法：θ和τ会不会就是同一种粒子，只是在弱相互作用中，宇称并不守恒？理查德·费曼敏锐地意识到这个想法的潜在意义，在随后的正式讨论中，他向全体与会者转述了这一设想，并以自己的方式加以阐述和推广，强调如果宇称在弱相互作用中不成立，那么“θ-τ之谜”便可迎刃而解。

费曼的公开引述使这一观点获得了前所未有的关注，参加会议的杨振宁和李政道深受启发，开始系统性地审视宇称守恒的实验基础。他们意识到，要将一个大胆的猜想发展为可检验的科学理论，首先必须证明传统观念所依赖的实验证据并不充分。经过一个多月的深入研究，他们得出了两个关键结论：第一，过去所有关于弱相互作用的实验，实际上并未真正检验宇称是否守恒；第二，尽管在强相互作用中宇称守恒已被高精度实验证实，但在弱相互作用领域，尚无任何实验证据能够支持这一守恒定律。

基于这些分析，李政道与杨振宁于1956年10月1日联名发表论文《弱相互作用中的宇称守恒问题》，论文指出“在弱相互作用中，宇称可能不守恒。”更重要的是，他们不仅提出了这一观点，还设计了多个可操作的实验方案来验证其正确性，其中最核心的建议是通过极化原子核的β衰变实验，观测电子发射方向是否具有空间不对称性。由于李、杨都是理论物理学家，他们需要实验专家的帮助来实现验证，于是便求助同在哥伦比亚大学任教的实验物理学家吴健雄博士。

吴健雄敏锐地意识到这一问题的重要性，便全身心投入实验准备。她深知这一实验的极端难度：必须在极低温环境下实现原子核的极化，并确保探测器在极端条件下正常工作，同时还要维持放射源的稳定极化状态以获得有效数据。为此，她与美国国家标准局的低温物理学家埃里克·安伯勒合作，组建了一支由低温物理、核探测和晶体生长专家组成的团队。

实验的核心挑战在于如何控制钴-60原子核的自旋方向。吴健雄团队采用了一种创新方法：将放射性钴-60附着在硝酸铈镁晶体表面，再将整个晶体置于接近绝对零度的极低温环境中。在如此低温下，原子热运动几乎停止，再通过施加强磁场，使钴-60原子核的自旋方向整齐排列，实现“极化”。

从1956年底开始，吴健雄团队的实验持续数月，精确测量钴-60在β衰变中释放的电子出射方向。如果宇称守恒，电子应等概率地向自旋方向的上方和下方发射；然而，实验结果显示：绝大多数电子的出射方向与原子核自旋方向相反，表现出强烈的空间不对称性。这一现象如同“左手螺旋”效应，确凿无疑地证明了在弱相互作用中宇称并不守恒。

在吴健雄的实验取得有利证据、有可能证明宇称不守恒的消息传出后，另一组由莱昂·勒德曼领导的科学家团队，仅用4天时间就设计并完成了一个基于π-μ-e衰变链的实验，同样观测到了宇称不守恒的效应。与此同时，麻省理工学院的杰罗姆·弗里德曼团队也独立完成了相关验证。吴健雄团队的论文与莱德曼等人的论文同时发表在1957年第105卷第4期美国的《物理评论》上，弗里德曼团队的论文则发表在1957年105卷第5期的《物理评论》上，三个实验形成了强有力的科学共识，证明了在弱相互作用中，宇称不守恒。

宇称守恒这一定律在弱相互作用中被彻底推翻。这一发现震惊整个科学界，彻底改变了人类对自然对称性的理解。1957年10月31日，瑞典皇家科学院宣布，将当年度的诺贝尔物理学奖授予李政道和杨振宁，以表彰他们“对所谓宇称守恒定律的深刻研究，这些研究导致了关于基本粒子的重大发现”。

宇称不守恒的发现，是科学史上一次典型的“思想-理论-实验”协同突破。布洛克提出了原始设想，费曼在公开场合将其传播并引发关注，李政道与杨振宁通过严谨分析将其发展为可检验的理论并提出关键实验路径，吴健雄等人则以卓越的实验技术完成了最终验证。这一过程不仅解决了“θ-τ之谜”，更开启了对称性破缺研究的新纪元，深刻影响了粒子物理与宇宙学的发展，揭示了自然界在最深层次上的不对称本质。

作者简介：

王庆林，教授。现任亚太工程组织联合会（FEIAP）执委、新兴技术与职业发展常设委员会主席，亚太工程组织联合会（FEIAP）中国委员会主席，国际科学理事会（ISC）开放出版计划未来指导小组成员。

曾任世界工程组织联合会（WFEO）主席顾问、工程教育委员会和工程能力委员会委员，中国国际科学技术合作协会副会长，中国工程教育专业认证协会副会长。中国科协国际合作部原副部长、一级巡视员。北京理工大学国际交流处处长、研究生院培养处处长、自动化学院教授、博士生导师。加拿大阿尔伯特大学访问教授，中国科学院高级访问学者等职。

中国自动化学会高级会员。曾任中国自动化学会理事、青年工作委员会主任、控制理论专业委员会委员、专家咨询工作委员会委员、自动化系统工程师资格认证（ASEA）评审委员会委员等。《自动化博览》和《中国自动化学会通讯》编委。

主要研究方向为复杂系统的建模、分析与控制，国际科技组织与全球治理。

摘自《自动化博览》2025年10月刊