我们所处的世界，错综复杂，周围的一切都在瞬息万变。然而变中蕴含着不变，各种不变的东西是什么呢？那就是物质运动的规律。物理学的一个任务就是在“万变”中寻求“不变”，即所谓的“守恒”。
物理学中有许多守恒定律，最熟悉的有能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律、电荷守恒定律；在基本粒子世界中还有各种粒子数守恒定律、同位旋守恒定律、宇称守恒定律等等。然而，为什么会有这些守恒定律？哪些守恒定律是“不验自明”的呢？这只有到了20世纪以后，人们在十分坚实的实验基础上才回答了这些问题。
特别的旅行
1956年12月24日，美国首都华盛顿下起了一场大雪，风雪使得杜勒斯和国家两个机场关闭，许多来往华盛顿——纽约间的旅客，都拥向华盛顿的联合车站，改乘火车回纽约。
那天夜里，一位身材娇小的中年东方女性，也挤在人群当中，独自一人买票，坐上当晚开往纽约的最后一班火车，她的服装行动举止都没有引起任何人的特别注意。
也许旅客们是应该注意到的，因为与他们同行的这位女士不仅是当时世界物理学界相当出名的一位实验物理学家，而且她的这趟旅行，对于人类科学的历史，也有着特别不同的意义。
她这次带回纽约的实验结果，使得20世纪的物理学进展发生了革命性的大改变。这位女科学家就是吴健雄。
也许有人会知道，吴健雄很早便有“中国居里夫人”的称号。有些专家甚至认为，她对人类物理科学的贡献比居里夫人还大。
吴健雄是1936年到美国的。她在1940年获得博士学位时，在科学研究上的见识和成就，已赢得美国最有盛名的大科学家奥本海默和劳伦斯等人的高度赏识，也正因如此，她居然以一个还未入美国籍的外国人身份，参加了美国最机密的造原子弹的“曼哈顿计划”，而且对计划作出极关键的贡献。
事实上，吴健雄一生一直是潜心原子核物理的研究。在这一领域中，她有许多影响深远的重大成就，她一生中得到了许多除诺贝尔奖之外的大奖，这些由世界一流学术组织和大学颁给的奖章和荣誉学位，可以写成长长的一份记录。此外她还打破美国普林斯顿大学百年传统，在1958年成为头一个获得该校荣誉博士的女性，1975年她再一次打破美国物理学会一向由白种人男性担任会长的传统，成为该学会第一位女性会长。
由于在物理学上的杰出贡献，加上对美国物理学界的深远影响，吴健雄除了被誉为“中国居里夫人”之外，在美国还享有“物理研究的第一女士”、“核子研究的女王”以及“世界最杰出的女性实验物理学家”的称誉。
吴健雄这次带回纽约的实验结果，使1957年成为中国人在人类近代科学进展历史中，具有特殊意义的一年。就在这年，首次有两位华裔科学家以革命性的深邃理论成就，得到了在世界科学上有至高地位的诺贝尔物理奖。这两位物理学家就是目前在美国纽约州立大学石溪分校任教授的杨振宁博士和纽约哥伦比亚大学的教授李政道博士。他们对于长久以来科学家一直深信的一个科学观念——宇称守恒，提出了大胆而革命性的质疑。他们的质疑由于最先得到吴健雄实验结果的明确证明，而成为物理学上的一个新观点。他们两人也因而得到诺贝尔奖的殊荣。
奇异的粒子
寻找物质的基本构成物，一直是西方科学的一个主流方向。西方科学由希腊时期起始，就有了物质是由原子构成的说法。最早“原子”这个词，在希腊文中就是“不可分”的意思。这种原子是构成物质最小基本单元的观念，到1911年英国科学家卢瑟福在曼彻斯特大学发现原子中还有原子核以前，一直是科学家深信不疑的。
接着科学家又发现，原子中还有带正电的质子和带负电的电子。起初人们以为，质子和电子都是在原子核里面，后来发现这个想法无法圆满解释一些问题。1932年，英国科学家查德威克发现了不带电的中子，并且确定了在原子核里面只有质子和中子，电子是环绕在原子核外做高速运动的。同一年，美国加州理工学院的科学家安德森，在探测来自太空的宇宙射线的仪器中，看到了一种新的粒子。这是人类从来没有发现过的一种东西，一种“反物质”。
这个粒子是电子的反物质，叫做正电子或正子。前四种粒子即质子、中子、电子、正电子，加上爱因斯坦早在1905年提出以颗粒学说来解释光的一些特性，而得出传送光的粒子——光子，到1932年底，科学家已知的基本粒子，一共有了五种。
到了20世纪60年代，基本粒子的数目增加到几十个之多，这种数目的多少，与科学家对“基本”的定义有关。现在粒子物理学家一般认为的基本粒子，有轻子、夸克和规范玻色子。轻子和夸克各由三个家族组成，规范玻色子则是传送宇宙四种基本作用力的粒子。这种把轻子和夸克当做基本粒子，加上四种基本作用力来解释物质现象的说法，物理学家称之为标准模型。
太空中由于星球燃烧爆炸，会放出许多高能量的宇宙射线。自从1910年科学家首次在巴黎艾菲尔铁塔上使用探测仪器得知这种宇宙射线存在的可能后，就开始在法国阿尔卑斯山、美国洛基山、南美安第斯山等高山以及高的建筑物上来进行探测，甚至还利用气球、飞机载着仪器升空，去探测这种射线。当时科学家用来在地上探测宇宙射线的仪器叫做“云雾室”。“云雾室”中的“云雾状物质”会在高能量宇宙射线经过的地方，变成带电状态而显示出宇宙射线的轨迹来。安德森的正电子就是这样发现的。有很长一段时间，宇宙射线是科学家获得一些生命期限很短的新粒子的主要来源。但是，由于这些宇宙射线飞越遥远距离，又受到地球大气层和地球磁场的影响，数量和能量都不容易控制。因此利用宇宙射线来研究一些新粒子的特性，并不是十分方便和准确的办法。
于是便有了人造高能粒子束的构想，这就是加速器。头一个加速带电粒子到相当高能量的加速器是1932年两位英国科学家柯克考夫特和瓦顿利用电场和磁场加速带正电质子完成的。这种类型的“柯克考夫特—瓦顿”加速器，就是现在所谓直线加速器的初始原型。这种直线加速器由于在增加能量上碰到问题，于是一种新的构想，将带电粒子在一个圆形轨道中加速的概念出现了。
最先成功地利用这一概念发展成一个高能量圆环加速器的科学家，正是曾经做过吴健雄老师的劳伦斯，他所设计和制造的回旋加速器，不但大大改变了粒子科学研究的面貌，也替他赢得了1939年诺贝尔物理学奖。到了20世纪50年代，两座回旋加速器先后完成，开启了粒子物理实验的一个崭新的局面，也促成了杨振宁、李政道在理论研究上取得极大进展。
其实，在加速器研制成功以前，科学家已经在宇宙射线的探测中，看到许多新的粒子，这些粒子由于没有理论预测过它们的存在。因此被称为“奇异粒子”。“奇异粒子”最早是由两位英国实验物理学家罗契斯特和巴特勒1947年在观测宇宙射线的云雾室中看到的。这种“奇异粒子”和普通的物质似乎很不一样。一般说来，普通物质是由质子、中子和电子组成，但是普通物质被高能量质子撞击的时候，撞击的“碎片”中就会产生出“奇异粒子”。在许多的“奇异粒子”当中，最引起科学家兴趣的有两种粒子。这两种粒子分别被命名为θ（希腊字母，读作西塔）和τ（读作套）。
寻找解开θ-τ之谜的路径
θ和τ这两种粒子，都是由宇宙射线撞击一般物质，或者加速器中高能量粒子撞击普通物质的“碎片”中产生的。它们存在的生命期很短，会很快地转变成生命期较长的粒子，这种转变现象在物理学上叫做“衰变”。物理学家也正是看到它们衰变出来的产物，才推知它们的存在，θ和τ这两种粒子具有一些奇特难解的特性，这些特性被当时科学家称为“θ-τ之谜”。
“θ-τ之谜”困惑科学家的地方，在于θ粒子的衰变会产生出两个π介子，而τ粒子衰变，则会产生出三个π介子。介子是日本第一位诺贝尔奖获得者汤川秀树在1934年首先提出理论预测它的存在。这种在粒子衰变中起传送作用的粒子，后来被实验证实确实存在，汤川秀树因此得到了1949年的诺贝尔物理奖。π介子正是这类介质中的一种。
θ 和τ这两种粒子，经过许多物理实验证明，测量的结果都显示出这两个粒子具有相同的质量和生命期，似乎是同一个粒子。而物理学家们利用普遍被接受的物理定律去分析时，又得出这两种粒子不可能是同一个粒子。这两种相互矛盾的结果，正是产生所谓“θ-τ之谜”的原因。在一开始的时候，由于对这两个粒子质量和生命期测量的准确性不高，所以当时大多数科学家都比较相信，θ和τ事实上是不同的两上粒子。其实，说θ和τ是两个不同的粒子，是解决它分别变成两个π介子和三个π介子“θ-τ之谜”的最方便办法。但是，科学家显然不愿意如此简单了事。
为了对θ和τ这两种“奇异粒子”作精确的测量，于是就利用加速器来进行研究，因为加速器可以产生数量极多，而且能精确测量控制的粒子数。这种研究“奇异粒子”的状况当时非常热，1956年下半年，纽约长岛布鲁克海汶国家实验室的加速器有百分之六十的机器运转时，都用于进行这种研究。可见，“奇异粒子”当时是人们非常关注的焦点。
在利用加速器对θ和τ这两种“奇异粒子”的作用和衰变进行详细而精确测量之后，科学家发现，它们确确实实有着相同的质量和寿命，也就是说，这两个粒子似乎为同一种粒子。后来，这两种粒子被称做κ介子。
一个相同的粒子却产生两种不同的衰变模式，以当时的物理理论这是说不通的，因为它违背了大家都承认的宇称守恒定律。于是，理论物理学家便提出各种想法，试图解释这个问题。
1956年4月，在美国纽约州的罗契斯特大学举行的第六届罗契斯特大会上，杨振宁就“奇异粒子”问题做了报告，报告中杨振宁提出了一个问题，他说：会不会θ和τ是同一种粒子的不同宇称状态？而它们没有特定的宇称，也就是说，宇称是不守恒的。这就是说，自然界中是不是有一种单一确定右手和左手的方式呢？杨振宁说他和李政道曾经研究过这个问题，但是并没有得到确定的结论。
在“θ-τ”之谜的问题当中，由于θ和τ这两个粒子衰变模式不同，以至于这两个粒子在衰变中有了不同的宇称值。那么，宇称又是什么东西呢？
简单地说，宇称就是一种空间的左右对称。对称是我们非常熟悉的概念，比如说，一个圆形图片，当把它绕着中心转动到任何位置，圆形的任何部分都能保持重合，这时我们说这个圆关于圆心对称。在物理学中，所谓的对称性就是指物理规律在某种变化下的不变性。例如，就能量守恒定律而言，与其相应的对称性就是时间平移不变性，也就是时间的均匀性。比如，在实验室中做某一实验，不论今天做还是明天做，不论是今年还是十年以后再做，只要实验条件没有改变，所得的实验结果都是一样的。这就意味着，不论时间的起点如何挪动，物理规律的具体形式总是一样的。而时间平移不变性之所以必然导致能量守恒定律，是因为要使体系在时间的任何变动下均不受影响，这个体系必须处于孤立状态，因而总能量必定守恒。
同样，同一个物理实验不论放到哪里去做，都应该得出一样的实验结果。也就是说，空间位置的平移，不改变物理规律的形式。这种空间平移不变性，或者说空间的均匀性，必将导致动量守恒定律。这是因为要使体系在空间坐标原点作任何平移下而不受影响，体系必须不受外界的作用，从而体系的总动量必须守恒。这种在牛顿力学中一直成立的定律，到讨论比原子还小的粒子的量子力学以后，便引入了宇称守恒的观念。
宇称守恒定律是说，物理定律在最深的层次上，是不分左右的，左边和右边是没有区别的。
所以宇称守恒又有一种说法叫做“镜像对称”。也就是说，依这个定律，在原子的内部世界，一物体及其左右相反的镜像，所发生的作用是相同的。我们可以这样说，一个人站在镜子前面，一手拿着螺丝起子，一手拿着一个瓶子，他要用起子开启这个瓶子。如果将它按顺时针方向旋转，直到打开瓶塞，那么在镜子中，这个行动看起来是沿着逆时针方向进行的，但结果都是打开了瓶塞。如果这个站在镜前的人和他在镜中的像，都是分别存在的真实人物，当他们是用相同的力，而都使瓶塞打开的话，那么我们可以说，这个用力于瓶塞的作用是宇称守恒的。
宇称守恒原本是研究物理的人一致相信的原理之一，这已是历史的定论，要对这个物理学上相当基本的原理发生怀疑，是非比寻常之举。因此尽管由于奇异粒子在实验中显现出不可解的现象，引起了对宇称守恒诸多质疑的讨论，但是到最后却没有谁真正深入地去探究，原因就是，宇称守恒定律这棵大树是太强壮了，面对摧毁它的困难，大多数人们还是望而却步了。
最后向这个原理提出挑战的还是华裔物理学家杨振宁博士。杨振宁认为，由于时间和空间的对称，在原子、分子和原子核物理中极为有用，这种有用的价值，使人们自己地假定这些对称是金科玉律。另外，由于宇称的定律在原子核物理和β衰变上，也一直都用得很好，因此要提出宇称不守恒的想法，会立即遭到强烈的反对。杨振宁认为，在这当中特别重要的一个关键想法，是把弱相互作用中的宇称守恒和强相互作用中的宇称守恒分开来看待。没有这个想法，对宇称守恒的所有讨论，都会碰到观念和实验上的困难。
罗契斯特会议之后，杨振宁和李政道继续研究“θ-τ之谜”的可能解答。那时候，杨振宁在奥本海默主持的普林斯顿高等研究所。4月初，春季学期结束后，就转往位于纽约长岛的布鲁克海汶国家实验室做暑期的访问研究。他继续保持和李政道每周两次的会面，那时李政道在纽约市的哥伦比亚大学。
1956年4月底的一天，杨振宁开车由长岛的布鲁克海汶国家实验室到哥伦比亚大学，两人原本计划到百老汇大道和125号街口一家中国餐馆进午餐，由于餐馆还未开门，他们便把车停在餐馆前，走到附近一家白玫瑰咖啡室，继续他们在车上的谈话，然后再转到那家中国餐馆接着讨论。午餐后他们回到李政道在哥伦比亚大学的办公室，热烈的讨论延续了整个下午。
杨振宁和李政道这次讨论最关键的突破是把宇称守恒是否成立，单独地放在弱相互作用中来看待。
