一條看似顯然到無需檢驗的定律
你已經認識了弱交互作用，也見過它在β 衰變裡施展招牌好戲——把一個中子變成質子，同時吐出一個電子和一個微中子。這篇指南要講的，是那種力的一項性質，它怪異到一旦被發現，便比這整一階梯裡幾乎任何事都更猛烈地震動了物理學家。弱交互作用能分辨左和右。要體會這為什麼令人震驚，我們先得弄清它打破的那項對稱性：宇稱。
宇稱就是鏡像對稱性：取任意一個物理過程，把它像照鏡子那樣反射一下，再問：這個被反射的版本，是不是自然也允許的事？幾個世紀以來，這似乎毋庸置疑。扔下一個球，看它的鏡中孿生兄弟以同樣的方式落下。看行星運行；那個鏡像裡的太陽系遵守著一模一樣的定律。重力、電磁力、強交互作用——人們研究過的每一種交互作用，在鏡子裡看上去都分毫不差。結論似乎無可迴避：宇宙對左右並沒有內在的偏好，就像它對南北沒有偏好一樣。宇稱被當作大自然最深層的對稱性之一，不是一個有待檢驗的假設，而是一塊可供據以建造的基石。
兩位物理學家，斗膽去問那個沒人問的問題
到了 1950 年代中期，有一道惱人的謎題。某種粒子似乎有時衰變成兩個 π 介子、有時衰變成三個——而 π 介子帶著確定的宇稱，於是一個衰變成兩個的態，不可能和一個衰變成三個的態有相同的宇稱。要麼存在兩個幾乎一模一樣、卻宇稱相反的粒子（一個醜陋的巧合），要麼就是同一個粒子在以宇稱相反的方式衰變。1956 年，理論物理學家李政道和楊振寧注意到一件叫人尷尬的事。所有人都假定宇稱在這個衰變裡成立，只因所有人都假定宇稱永遠成立。可這是一個弱衰變——而當他們把文獻梳了個遍，他們發現：宇稱對強交互作用和電磁交互作用都被仔細檢驗過，對弱交互作用卻從未被乾淨俐落地驗過哪怕一次。
這是關於科學究竟如何運作的一堂漂亮的課。一個普遍到沒人想過要去檢驗的信念，恰恰是最值得去檢驗的那個信念。李政道和楊振寧並沒有斷言宇稱被破壞了；他們走了更鋒利的一步——提出若干具體的實驗，可以從正反兩面對此作出裁決。倘若弱交互作用尊重那面鏡子，實驗就會這麼說。倘若它不尊重，實驗就會把它逮個正著。重擔從「假定」轉向了「測量」——這正是一項被假定的對稱性與一項被檢驗過的對稱性之別的核心。
吳健雄的鈷實驗：自旋朝一邊，電子偏另一邊
那個一錘定音的實驗，是吳健雄在 1956 年做的，並於 1957 年初公布。她的想法很乾淨。取鈷-60，一種會發生 β 衰變的放射性原子核，把這些原子核的自旋排齊，讓它們統統朝同一個方向。（自旋賦予每個原子核一種轉動感，你用磁場把這種轉動方向立起來——但為了不讓這份排齊被熱運動攪亂，整份樣品必須冷卻到絕對零度之上僅一髮之遙。）然後只消盯著放出的電子往哪個方向飛：是順著自旋，還是逆著自旋？
精妙之處就在這裡。自旋是物理學家所說的轉動軸，而鏡子對轉動做了一件鬼祟的事：它讓自旋軸依舊指向原來的方向，卻把尋常的運動方向給翻轉了。於是，倘若弱交互作用尊重那面鏡子，電子就必須相對於自旋上下對等地出來——任何前後的偏好在鏡子裡看上去都會兩樣，因而都是被禁止的。一個乾淨的對半開，意味著宇稱成立。任何的偏向一邊，都意味著它被破壞了。
電子出來得偏了。它們更傾向於朝著與核自旋相反的方向射出——一種強烈而不容誤認的不對稱。大自然，通過弱交互作用，正在把一個方向與它的鏡像區分開來。宇稱不是被破壞了一點點；在弱交互作用裡，它被破壞到幾乎不能再壞的地步。那個鏡中的世界，和我們的並不一樣。消息傳開時，據說有一位著名的物理學家在親眼看到數據之前死活不肯相信；這個結果，就是這麼驚人。
為什麼會這樣：弱交互作用只抓「左手」粒子
那麼弱交互作用究竟是盯著什麼呢？深層的答案是手徵性，一種內在的左右手性，由一個粒子的自旋與它的運動方向交織而成。設想一個粒子像螺絲錐那樣向前旋進：如果它扭轉的方式，恰如你左手大拇指朝前時手指蜷曲的方向，就叫它左手的；反過來，就是右手的。（嚴格說來，這種「自旋對運動方向」的螺絲錐圖像其實是*螺旋度*；手徵性才是更深層、與參考系無關的版本，而對於弱交互作用所作用的那些快速、近乎無質量的粒子，兩者是一致的。）令人驚訝的事實是：弱交互作用幾乎只與每個粒子的左手版本耦合（以及每個反粒子的右手版本）。一個右手電子，對於帶電的弱交互作用基本上是隱形的。鏡子，自然，會把一支左手螺絲錐變成右手的——這恰恰正是弱交互作用在鏡子裡顯得兩樣的原因。
mirror (parity): left-handed <--> right-handed (flips handedness) weak force couples to: LEFT-handed particles (and RIGHT-handed antiparticles) weak force ignores: RIGHT-handed particles (and LEFT-handed antiparticles) => the mirror-image of a weak process is one the weak force barely allows => parity is violated
這一點在微中子身上最為鮮明——就是你在本階梯前面認識的那個幽靈般的輕子，它只感受弱交互作用。幾十年來，每一個被探測到的微中子似乎都是左手的、每一個反微中子都是右手的——彷彿右手微中子乾脆什麼都不參與。（我們如今知道微中子帶有微小的質量，這使那個嚴格的說法變得複雜，但那個壓倒性的圖樣依然成立。）微中子是弱交互作用最純粹的鏡像不對稱之物：一個在極好的近似下只以一種手性出現的粒子。
用反物質來挽救那面鏡子——以及它失手之處
面對一面破碎的鏡子，物理學家試著去修。也許真正的對稱性不是宇稱本身，而是宇稱與「把每個粒子換成它的反粒子」合在一起——這個交換叫做電荷共軛，簡記為 C。這份指望很整潔：把世界在鏡子裡反射（P），同時把所有物質都變成反物質（C），也許這個合起來的操作——叫做 CP——終於會是那個精確的對稱性了。一個左手微中子反射成一個右手微中子（弱交互作用對它視而不見），但若再施以 C，它就變成一個右手反微中子——而這恰恰是弱交互作用所允許的。有那麼一陣，CP 看上去就是大自然真正遵守的那條定律，P 和 C 各自破缺，它們的乘積卻得以復原。
這是個可愛的修補，可它錯了——儘管只錯了一絲一毫。1964 年，中性 K 介子的衰變揭示出：連那個合起來的 CP 對稱性也被破壞了，只不過這一回是極微小的量，而非觸目驚心的程度。於是弱交互作用把鏡子破壞得很厲害（P），把物質-反物質交換破壞得很厲害（C），甚至把它們精心合起來的版本也輕輕破壞了一點（CP）。那面修好的鏡子，自己也有一道細微的裂紋。而那點殘留的瑕疵，結果竟是物理學中最珍貴的事實之一。
為什麼珍貴？因為宇宙是由物質構成的、幾乎沒有反物質，而一個對鏡像與反物質都完美對稱的宇宙，本會把自己湮滅成一片純粹的光。物質與反物質在行為上有那麼一點小小的差異，是我們得以存在的先決條件——而 CP 破壞，是我們手中唯一一個被確證的此類差異的例子。弱交互作用的左右手性，最初在吳健雄那冰冷的鈷裡被瞥見，卻順著這根線索，一直牽向那個最深的問題：為什麼是「有」，而不是「無」。下一篇指南將接起本階梯故事的另一半——這同一種弱交互作用，原來竟是單一電弱交互作用的一張面孔——而稍後那個專門講對稱性的階梯，會再完整地回到 C、P、T 和 CP。