奇異的粒子
尋找物質的基本構成物，一直是西方科學的一個主流方向。西方科學由希臘時期起始，就有了物質是由原子構成的說法。最早“原子”這個詞，在希臘文中就是“不可分”的意思。這種原子是構成物質最小基本單元的觀念，到1911年英國科學家盧瑟福在曼徹斯特大學發現原子中還有原子核以前，一直是科學家深信不疑的。
接著科學家又發現，原子中還有帶正電的質子和帶負電的電子。起初人們以為，質子和電子都是在原子核裏麵，後來發現這個想法無法圓滿解釋一些問題。1932年，英國科學家查德威克發現了不帶電的中子，並且確定了在原子核裏麵隻有質子和中子，電子是環繞在原子核外做高速運動的。同一年，美國加州理工學院的科學家安德森，在探測來自太空的宇宙射線的儀器中，看到了一種新的粒子。這是人類從來沒有發現過的一種東西，一種“反物質”。
這個粒子是電子的反物質，叫做正電子或正子。前四種粒子即質子、中子、電子、正電子，加上愛因斯坦早在1905年提出以顆粒學說來解釋光的一些特性，而得出傳送光的粒子——光子，到1932年底，科學家已知的基本粒子，一共有了五種。
到了20世紀60年代，基本粒子的數目增加到幾十個之多，這種數目的多少，與科學家對“基本”的定義有關。現在粒子物理學家一般認為的基本粒子，有輕子、誇克和規範玻色子。輕子和誇克各由三個家族組成，規範玻色子則是傳送宇宙四種基本作用力的粒子。這種把輕子和誇克當做基本粒子，加上四種基本作用力來解釋物質現象的說法，物理學家稱之為標準模型。
太空中由於星球燃燒爆炸，會放出許多高能量的宇宙射線。自從1910年科學家首次在巴黎艾菲爾鐵塔上使用探測儀器得知這種宇宙射線存在的可能後，就開始在法國阿爾卑斯山、美國洛基山、南美安第斯山等高山以及高的建築物上來進行探測，甚至還利用氣球、飛機載著儀器升空，去探測這種射線。當時科學家用來在地上探測宇宙射線的儀器叫做“雲霧室”。“雲霧室”中的“雲霧狀物質”會在高能量宇宙射線經過的地方，變成帶電狀態而顯示出宇宙射線的軌跡來。安德森的正電子就是這樣發現的。有很長一段時間，宇宙射線是科學家獲得一些生命期限很短的新粒子的主要來源。但是，由於這些宇宙射線飛越遙遠距離，又受到地球大氣層和地球磁場的影響，數量和能量都不容易控製。因此利用宇宙射線來研究一些新粒子的特性，並不是十分方便和準確的辦法。
於是便有了人造高能粒子束的構想，這就是加速器。頭一個加速帶電粒子到相當高能量的加速器是1932年兩位英國科學家柯克考夫特和瓦頓利用電場和磁場加速帶正電質子完成的。這種類型的“柯克考夫特—瓦頓”加速器，就是現在所謂直線加速器的初始原型。這種直線加速器由於在增加能量上碰到問題，於是一種新的構想，將帶電粒子在一個圓形軌道中加速的概念出現了。
最先成功地利用這一概念發展成一個高能量圓環加速器的科學家，正是曾經做過吳健雄老師的勞倫斯，他所設計和製造的回旋加速器，不但大大改變了粒子科學研究的麵貌，也替他贏得了1939年諾貝爾物理學獎。到了20世紀50年代，兩座回旋加速器先後完成，開啟了粒子物理實驗的一個嶄新的局麵，也促成了楊振寧、李政道在理論研究上取得極大進展。
其實，在加速器研製成功以前，科學家已經在宇宙射線的探測中，看到許多新的粒子，這些粒子由於沒有理論預測過它們的存在。因此被稱為“奇異粒子”。“奇異粒子”最早是由兩位英國實驗物理學家羅契斯特和巴特勒1947年在觀測宇宙射線的雲霧室中看到的。這種“奇異粒子”和普通的物質似乎很不一樣。一般說來，普通物質是由質子、中子和電子組成，但是普通物質被高能量質子撞擊的時候，撞擊的“碎片”中就會產生出“奇異粒子”。在許多的“奇異粒子”當中，最引起科學家興趣的有兩種粒子。這兩種粒子分別被命名為θ（希臘字母，讀作西塔）和τ（讀作套）。
尋找解開θ-τ之謎的路徑
θ和τ這兩種粒子，都是由宇宙射線撞擊一般物質，或者加速器中高能量粒子撞擊普通物質的“碎片”中產生的。它們存在的生命期很短，會很快地轉變成生命期較長的粒子，這種轉變現象在物理學上叫做“衰變”。物理學家也正是看到它們衰變出來的產物，才推知它們的存在，θ和τ這兩種粒子具有一些奇特難解的特性，這些特性被當時科學家稱為“θ-τ之謎”。
“θ-τ之謎”困惑科學家的地方，在於θ粒子的衰變會產生出兩個π介子，而τ粒子衰變，則會產生出三個π介子。介子是日本第一位諾貝爾獎獲得者湯川秀樹在1934年首先提出理論預測它的存在。這種在粒子衰變中起傳送作用的粒子，後來被實驗證實確實存在，湯川秀樹因此得到了1949年的諾貝爾物理獎。π介子正是這類介質中的一種。
θ 和τ這兩種粒子，經過許多物理實驗證明，測量的結果都顯示出這兩個粒子具有相同的質量和生命期，似乎是同一個粒子。而物理學家們利用普遍被接受的物理定律去分析時，又得出這兩種粒子不可能是同一個粒子。這兩種相互矛盾的結果，正是產生所謂“θ-τ之謎”的原因。在一開始的時候，由於對這兩個粒子質量和生命期測量的準確性不高，所以當時大多數科學家都比較相信，θ和τ事實上是不同的兩上粒子。其實，說θ和τ是兩個不同的粒子，是解決它分別變成兩個π介子和三個π介子“θ-τ之謎”的最方便辦法。但是，科學家顯然不願意如此簡單了事。
為了對θ和τ這兩種“奇異粒子”作精確的測量，於是就利用加速器來進行研究，因為加速器可以產生數量極多，而且能精確測量控製的粒子數。這種研究“奇異粒子”的狀況當時非常熱，1956年下半年，紐約長島布魯克海汶國家實驗室的加速器有百分之六十的機器運轉時，都用於進行這種研究。可見，“奇異粒子”當時是人們非常關注的焦點。
在利用加速器對θ和τ這兩種“奇異粒子”的作用和衰變進行詳細而精確測量之後，科學家發現，它們確確實實有著相同的質量和壽命，也就是說，這兩個粒子似乎為同一種粒子。後來，這兩種粒子被稱做κ介子。
一個相同的粒子卻產生兩種不同的衰變模式，以當時的物理理論這是說不通的，因為它違背了大家都承認的宇稱守恒定律。於是，理論物理學家便提出各種想法，試圖解釋這個問題。
1956年4月，在美國紐約州的羅契斯特大學舉行的第六屆羅契斯特大會上，楊振寧就“奇異粒子”問題做了報告，報告中楊振寧提出了一個問題，他說：會不會θ和τ是同一種粒子的不同宇稱狀態？而它們沒有特定的宇稱，也就是說，宇稱是不守恒的。這就是說，自然界中是不是有一種單一確定右手和左手的方式呢？楊振寧說他和李政道曾經研究過這個問題，但是並沒有得到確定的結論。
在“θ-τ”之謎的問題當中，由於θ和τ這兩個粒子衰變模式不同，以至於這兩個粒子在衰變中有了不同的宇稱值。那麼，宇稱又是什麼東西呢？
簡單地說，宇稱就是一種空間的左右對稱。對稱是我們非常熟悉的概念，比如說，一個圓形圖片，當把它繞著中心轉動到任何位置，圓形的任何部分都能保持重合，這時我們說這個圓關於圓心對稱。在物理學中，所謂的對稱性就是指物理規律在某種變化下的不變性。例如，就能量守恒定律而言，與其相應的對稱性就是時間平移不變性，也就是時間的均勻性。比如，在實驗室中做某一實驗，不論今天做還是明天做，不論是今年還是十年以後再做，隻要實驗條件沒有改變，所得的實驗結果都是一樣的。這就意味著，不論時間的起點如何挪動，物理規律的具體形式總是一樣的。而時間平移不變性之所以必然導致能量守恒定律，是因為要使體係在時間的任何變動下均不受影響，這個體係必須處於孤立狀態，因而總能量必定守恒。
同樣，同一個物理實驗不論放到哪裏去做，都應該得出一樣的實驗結果。也就是說，空間位置的平移，不改變物理規律的形式。這種空間平移不變性，或者說空間的均勻性，必將導致動量守恒定律。這是因為要使體係在空間坐標原點作任何平移下而不受影響，體係必須不受外界的作用，從而體係的總動量必須守恒。這種在牛頓力學中一直成立的定律，到討論比原子還小的粒子的量子力學以後，便引入了宇稱守恒的觀念。
宇稱守恒定律是說，物理定律在最深的層次上，是不分左右的，左邊和右邊是沒有區別的。
所以宇稱守恒又有一種說法叫做“鏡像對稱”。也就是說，依這個定律，在原子的內部世界，一物體及其左右相反的鏡像，所發生的作用是相同的。我們可以這樣說，一個人站在鏡子前麵，一手拿著螺絲起子，一手拿著一個瓶子，他要用起子開啟這個瓶子。如果將它按順時針方向旋轉，直到打開瓶塞，那麼在鏡子中，這個行動看起來是沿著逆時針方向進行的，但結果都是打開了瓶塞。如果這個站在鏡前的人和他在鏡中的像，都是分別存在的真實人物，當他們是用相同的力，而都使瓶塞打開的話，那麼我們可以說，這個用力於瓶塞的作用是宇稱守恒的。
宇稱守恒原本是研究物理的人一致相信的原理之一，這已是曆史的定論，要對這個物理學上相當基本的原理發生懷疑，是非比尋常之舉。因此盡管由於奇異粒子在實驗中顯現出不可解的現象，引起了對宇稱守恒諸多質疑的討論，但是到最後卻沒有誰真正深入地去探究，原因就是，宇稱守恒定律這棵大樹是太強壯了，麵對摧毀它的困難，大多數人們還是望而卻步了。
最後向這個原理提出挑戰的還是華裔物理學家楊振寧博士。楊振寧認為，由於時間和空間的對稱，在原子、分子和原子核物理中極為有用，這種有用的價值，使人們自己地假定這些對稱是金科玉律。另外，由於宇稱的定律在原子核物理和β衰變上，也一直都用得很好，因此要提出宇稱不守恒的想法，會立即遭到強烈的反對。楊振寧認為，在這當中特別重要的一個關鍵想法，是把弱相互作用中的宇稱守恒和強相互作用中的宇稱守恒分開來看待。沒有這個想法，對宇稱守恒的所有討論，都會碰到觀念和實驗上的困難。
羅契斯特會議之後，楊振寧和李政道繼續研究“θ-τ之謎”的可能解答。那時候，楊振寧在奧本海默主持的普林斯頓高等研究所。4月初，春季學期結束後，就轉往位於紐約長島的布魯克海汶國家實驗室做暑期的訪問研究。他繼續保持和李政道每周兩次的會麵，那時李政道在紐約市的哥倫比亞大學。
1956年4月底的一天，楊振寧開車由長島的布魯克海汶國家實驗室到哥倫比亞大學，兩人原本計劃到百老彙大道和125號街口一家中國餐館進午餐，由於餐館還未開門，他們便把車停在餐館前，走到附近一家白玫瑰咖啡室，繼續他們在車上的談話，然後再轉到那家中國餐館接著討論。午餐後他們回到李政道在哥倫比亞大學的辦公室，熱烈的討論延續了整個下午。
楊振寧和李政道這次討論最關鍵的突破是把宇稱守恒是否成立，單獨地放在弱相互作用中來看待。
這種想法，現在看來也許像是顯而易見的，但在當時，卻完全是另外一回事。楊振寧在後來回顧當時的心路曆程時說，研究像θ和τ之謎這樣的問題，一個人完全不知道到哪裏去找答案，因此就很難集中在任何一個單一方向上去做研究。一旦一個人得到了解答的線索之後，他就能集中他所有的力量在求解答的工作之上。但是在那之前，他的思想總是在不同地方停留，無法清楚確定任何事情。
物理學是一門實驗科學，理論家盡管可以說得天花亂墜，如果沒有實驗的證據，總還是不完全的。楊振寧和李政道兩人在弱相互作用中去向宇稱守恒挑戰的想法已經確定，下一步便是尋找能得到證明的實驗依據。他們非常幸運碰到了吳健雄這樣一位在弱相互作用實驗方麵的權威。吳健雄對這個問題的重要性有相當清楚的認識，並且有堅持去弄清楚的決心。於是楊振寧、李政道兩人的理論便很快就有了肯定的結果。
吳健雄1944年初到哥倫比亞大學時，先是在“曼哈頓計劃”中工作，到1945年戰後，便開始全然投身於β衰變的研究。1952年她成為哥倫比亞大學物理係副教授以前，她的實驗成就早已經使她成為在β衰變研究方麵的世界一流的權威專家。
由於這個緣故，楊振寧和李政道決定要由弱相互作用入手檢驗宇稱守恒定律時，自然就會想到去和研究β衰變的權威吳健雄討論討論，原因是β衰變正是一種重要的弱相互作用。於是，在5月裏的某一天，和吳健雄同在哥倫比亞大學的李政道由他在物理係普平物理實驗大樓8樓的辦公室到13樓吳健雄的辦公室去看她。
吳健雄研究的不是粒子物理，對於“θ-τ之謎”的詳細情形並不清楚。
李政道首先向她解釋了“θ-τ之謎”，然後又說明他和楊振寧幾經研究，而最後以為宇稱會不會隻是在弱相互作用中不守恒的懷疑經過。對於弱相互作用中β衰變現象有深刻認識的吳健雄，立即對這個問題發生極大的興趣。
在原子核實驗工作中極有成就的吳健雄，在1956年以前的幾年中，注意到英國牛津以及荷蘭萊登的低溫實驗中，新近發展出來將原子核極化的技術，並且發生極大的興趣。所謂原子核極化，簡單說，就是使原子中旋轉的電子變成有方向性，從而使原子核有一個方向性。這個技術正是楊振寧和李政道想用以檢驗宇稱守恒幾種實驗之一的中心技術。吳健雄在了解了這些以後，立即決定，最好是選用鈷（C60O）作為β衰變放射源，去進行檢驗。這時的吳健雄已經認識到，對於研究β衰變的原子核物理學家來說，這是去進行一個重要實驗的黃金機會，不可以隨意錯過。她認為，縱然實驗結果證明宇稱在β衰變方麵是守恒的，也同樣是為這方麵的科學論點，設定了一個極重要的實驗證據。
當時楊振寧他們也和其他一些實驗物理學家談過了，但隻有吳健雄看出了這一實驗的重要性。這表明吳健雄是一個傑出的科學家，因為傑出的科學家必須具有良好的洞察力。吳健雄的想法是，縱然得出宇稱並不是守恒的結果，這依然是一個好的實驗，應該要做，原因是在過去的β衰變中從來沒有任何關於左右對稱的資料。
當時許多物理學家不做這個實驗，是因為這個實驗確實相當困難。對於實驗技術有相當了解的吳健雄，充分地了解這個實驗的困難。這個實驗將麵臨兩個核子物理實驗從未有過的挑戰，一是要讓探測β衰變的電子探測器放在極低溫的環境下，還能保持功能正常。另外則是要使一個非常薄的β放射源，保持其原子核極化狀態足夠長的時間，以得到足夠的統計數據。
盡管困難重重，而且很難說一定會有結果，可是她依然決心立即進行這個實驗。
那年春天，吳健雄原本已和丈夫袁家騮計劃好，先到瑞士日內瓦出席一項高能物理會議，然後再到東亞地區去做一趟演講旅行。這是他們1936年離開中國以後，20年來頭一次回到東亞去，他們原打算是要到台灣去訪問的。為了這趟旅行，他們還訂了伊麗莎白皇後號郵輪的票，準備坐船橫渡大西洋。吳健雄為了這個實驗，隻好讓丈夫一人旅行。丈夫袁家騮也是一位物理學家，他很清楚立即進行這個實驗的重要性，因此便一個人踏上這趟離開故國20年之後，百感交集的歸鄉之旅。
在這段時間，吳健雄已經為她決意要進行的實驗，做了相當周全的準備。她在新出的科學文獻中，了解到原子核科學在鈷（C60O）方麵最新發展的信息。由於她的實驗是結合原子核實驗技術和低溫物理的技術，因此吳健雄也積極去了解低溫物理的知識。
吳健雄本身不是低溫物理學家，她知道必須找到對原子核極化有清楚了解的優秀低溫物理學家，共同來進行實驗工作。
吳健雄所在的哥倫比亞大學有一個低溫物理研究組，雖然水準不差，但是規模和設備水準都不夠。在華盛頓的國家標準局，是美國國內另一個可以進行以低溫環境達成原子核極化的實驗室。在那裏工作的安伯勒來自英國牛津的克萊文登實驗室，而且他是1952年在國家標準局做核極化實驗的成員之一。吳健雄一向對科學文獻極其熟悉，她知道安伯勒在早幾年曾經做過鈷（C60O）極化的實驗，因此她便找上了安伯勒，邀請他共同來進行這一個後來改變曆史的實驗。
安伯勒對這個實驗的β衰變效應知道不多，他問吳健雄，這會顯現出很大的不對稱效應嗎？
吳健雄給了他肯定的回答，這使得安伯勒大感興趣。在吳健雄找安伯勒合作時，雖然她早已在原子核物理界享有盛譽，做低溫物理研究的安伯勒，卻全然不知道她是何方神聖。於是他就打電話給一位原子核物理學家喬治?田默。安伯勒在電話中問田默：“喬治，哥倫比亞大學有一位女科學家叫吳健雄打電話給我，她提出的實驗十分有趣。告訴我，她有多好？我現在應該去做這個實驗嗎？”田默說：“她是挺厲害的。”於是安伯勒打電話給吳健雄表示樂意共同進行實驗。
吳健雄積極地進行實驗準備之時，楊振寧、李政道的對宇稱守恒的質疑已經廣為物理界所知悉。但是在那個時候，絕大多數人對於宇稱可能會不守恒是極度懷疑的。因此那個時候真正準備進行那個實驗的，除了吳健雄之外，大概是寥寥無幾了。