中子发现的前夜
任何新事物的诞生都是有背景、有原因的，中子的发现也是一样，它是历史发展的必然产物，也是应运而生的新事物。我们已经知道了卢瑟福在大量的实验事实的基础上提出了原子有核结构的模型：原子有核，核外有电子；核电荷数与核外电子的电荷数相等；电子就像太阳系的行星那样沿着各自的轨道绕核旋转。所以，卢瑟福的原子有核模型也称为“行星模型”。
对于这个“行星模型”，大家都非常关心的一个问题是：原子核电荷有多少？它和核外电子数有什么关系？
1911年，英国的物理学家C。G。巴克拉在实验时注意到各种不同原子所发射的X射线，在穿透物质时，其穿透力不相同的物理现象。后来，巴克拉把它叫做元素的“特征X射线”。1913年，英国的物理学家H。莫塞莱对X射线与各种原子的作用作了深入的研究，并取得了出色的成果。莫塞莱准确地测出了各种原子的特征X射线，同时他还发现：原子量越大的原子，它的特征X射线的波长就越短，这种情况形成了一个很明显的规律，以至可以按照各种元素的特征X射线的波长大小，给出元素的排列顺序。莫塞莱还建议：按照特征X射线的波长由大到小的顺序来确定原子序数。他还断定，原子序数就是该元素的核电荷数。根据莫塞莱的这种排列顺序，在当时的元素周期表中至少还有七个空位，它们的原子序数分别是43（锝）、61（钷）、72（铪）、75（铼）、85（砹）、87（钫）、91（镤）。果然，到1946年止，这些元素都被陆续地发现了。
1916年，德国化学家科塞尔正式把原子序数引入元素周期表，并以它代替门捷列夫的原子量。这种排列，显示出元素的物理性质和化学性质随原子序数的增加而周期地变化，也就是元素的物理性质和化学性质随着核电荷数的增大呈现周期性的变化。这一发现，引起了人们的极大兴趣，它还导致了许多自然科学家对原子核结构的探讨和猜想。
对原子核结构最早提出设想的是居里夫人，即玛丽居里。她在一次会议上曾提出过：原子核应由带正电的粒子和电子所构成的。居里夫人的设想在当时得到许多物理学家的支持，因为它能解释放射性物质既能放出α粒子，又能放出β射线的事实。可是，当时更多的物理学家对原子核的电荷发生浓厚的兴趣，他们想：原子核中的电荷是什么东西？原子核到底是由什么组成的？
要想揭示原子核究竟是由什么组成的，就必须将原子核打破，看看会产生什么。1917年，卢瑟福第一次成功地实现了核裂变，当时他还在曼彻斯特大学。有一天召开战争研究委员会会议，卢瑟福迟迟不到，等他到了会场后，他解释说：“我是在进行表明原子能够人为裂变的实验。如果实验能成功，这可远比一场战争要重要得多！”
还是在很早的时候，卢瑟福就注意到，涂覆有α发射体镭的衰变物的金属源，总是产生一些能使硫化锌荧光屏闪光的粒子，这些粒子所穿行的距离超过α粒子在空气中的穿行距离。卢瑟福在磁场中研究了这一现象，发现造成闪烁的这些粒子是氢的原子核，也就是我们今天所说的质子。可是，这些质子是偶然出现于金属源上的氢原子受α粒子碰撞而产生的反冲核，还是从比氢更重的元素中打出来的呢？一定要搞个清楚！
卢瑟福将一个镭放射源放入一个抽成真空的金属盒内，盒上的小孔用一块非常薄的银板覆盖。银板会让α粒子逸出并打到硫化锌板上，也能防止空气进入盒中。卢瑟福在银板和硫化锌屏之间放置了各种金属箔，或让各种气体进入金属盒，在这些不同的情况下，观察闪烁次数的变化。结果，他发现，在大多数的情况下，闪烁率与金属箔或气体的阻止能力成比例地减小。然而当把干燥的空气注入金属盒，闪烁率却猛增！卢瑟福用组成空气的氧、氮等重复这一实验，最后得出结论，闪烁效应是由于镭放射源发射的α粒子与空气中的氮原子核发生相互碰撞所造成的。
卢瑟福的发现是氮原子核的裂变过程，在这一过程中，一个α粒子撞入氮原子核，并打出一个质子。就这样，α粒子打碎了氮的原子核，实现了原子核的人工裂变。但遗憾的是，发现由氮核打出的质子，以及长期观察到的原子核作为β射线发射电子的现象，只是有利于证实原子核由质子和电子构成的一般观点。实现原子核的人工裂变，这是个令人鼓舞的发现，在这种喜庆的氛围下，当时的物理学界接受了原子核结构的“质子—电子”模型。
中子的假说
伟大的实验物理学家卢瑟福在大量的实验基础上，预言性地推断了几种原子核的结构模型。有关原子核中存在中性粒子的第一个假说是他于1920年6月3日在英国皇家学会举行的贝克里安讲座的著名报告中，以丰富的想像力提出的，他说：“在某些情况下，也许由一个电子与质子更加紧密地结合在一起，组成一个中性复合粒，要解释重元素的组成，这种单独的中性粒子的存在看来几乎是必要的。”这就是他的新原子核模型之一——“中子”，它的原子量为1，电荷为零，他仍然将这种“中子”描绘成一个质子和电子的合成体。当时任何人都完全不清楚，为什么一个原子中有些电子会被束缚在原子核内，而其他电子却在核外大得多的轨道上旋转。
同年的圣诞节，卢瑟福在给少年儿童讲科普知识时，再次说：既然原子中有带负电的电子，有带正电的质子，为什么不能有不带电的中性粒子呢？当时人们认为卢瑟福提出的假说很有道理，并把他所提到了“中性粒子”称为“中子”。当时，卢瑟福的学生和同事们深信他的预言是科学的预言，于是便开始了一场轰轰烈烈的寻找中子的实验。1921年卡文迪许实验室的两名研究人员格拉森和罗伯兹做了一系列的实验，希望能在氢放电管中探测这种中性粒子的生成，但都没有获得成功。1923年，查德威克用盖革发明的点计数器进行实验也没有效果。1924年，查德威克认为用20万伏电压来加速质子，将这种高速的质子打入原子，也许能找到一些证据，于是他带领实验室的其他研究员，开始筹备实验，他们东拼西凑，遗憾的是，无论怎样，他们也没有力量建成这样大规模的高电压装置，只能用忒斯拉线圈产生高压，而这样得到的质子速度远不能满足需要。就这样，查德威克等人又采用不同的方法激励放电管，用放射性物质的衰变，用α粒子产生的人工裂变，但是依旧没能找到通向新领域的突破点。
错失良机
1929年，卢瑟福和查德威克撰文讨论了寻找中子的可能方案。他们对元素铍特别感兴趣，因为铍在α粒子的轰击下是不发射质子的，他们根据铍矿往往含有大量氦的事实，猜测铍核在辐射的作用下，也许会分裂成为两个α粒子和一个中子。
正当查德威克准备好了铍源和实验用的放大线路时，德国人波特比他们更早地发表了用钋α射线轰击铍的实验结果。波特是盖革的合作者，他曾帮助盖革改进计数器，并有效地用之于探测微观粒子。1928年起，波特和他的学生贝克尔利用钋源发射的α粒子轰击一系列轻元素，在众多的轰击对象中，发现有一种元素有特殊的性能，这种元素就是铍。他们用钋源的α粒子轰击铍靶，原想打出质子，但未发现质子，却发现一种穿透力很强的中性辐射，它能穿过铅板，被计数管记录下来，他们断言这是γ射线，他们不仅用吸收法，而且用符合法测量了这一中性辐射的能量，它的能量要比用来轰击的α粒子所带的能量还大，比当时所知道的任何元素放出的γ射线的能量都要高。他们的测量历时两年，多次反复地进行实验，实验结果完全相同。1930年，他们发表了这一实验结果。
现在我们知道，虽然利用α粒子轰击铍是一个产生中子的反应，但是由于受到实验条件的限制，当时他们所用的计数管对中子无反应，而且α源很弱，因而他们错过了观测中子的机会。
查德威克对波特等人的研究结果感到很意外，就让他的实习学生，一个叫韦伯斯特的澳大利亚人去进行研究，在实验中他们得出了这种中性辐射的许多奇特性质。查德威克认为，这些性质使他很感兴趣，他想这种辐射就是中子，这是坚定不移的事实。于是他叫韦伯斯特换用云室来进行观察，结果他们没有看到什么新现象。其实，原因就在于α源太弱，也还可能在实验安排上有不尽妥善之处，韦伯斯特没有发现中子的存在，毕业之后，就离开了卡文迪许实验室。
在巴黎，约里奥居里夫妇也正在进行类似的实验，波特的结果发表后不久，很快就得到了证实。居里夫妇用的放射源特别强，他们用这样强的α放射源重复波特和贝克尔的实验，发现铍中性辐射的穿透力超过他们原先的估计。他们为了进一步检验辐射的性质，他们将石蜡放在铍和游离室之间，出乎意料之外，发现计数激增，而且用磁场可以使石蜡送出的辐射产生微小偏转。经过研究，他们断定石蜡发出的射线是质子流，而且是一种速度很高的质子流。然而，约里奥居里夫妇和波特一样，误把铍辐射看成是γ射线。囿于传统观念，他们未能凭自己的实验结果得出中子存在的结论，结果错过了发现中子的良机，只能给别人以启发。
波特和约里奥居里已经遇到了中子，遗憾的是他们没有作出正确的解释。其实，他们都没有注意到卢瑟福关于原子中可能存在“中性粒子”的假说，由于缺乏这种思想准备，致使在实验中探测到中子，却不能认识它，因而失去了发现中子的优先权。然而，他们的卓越实验却为中子的发现迈出了真正的一步。
查德威克和中子
当查德威克从法国物理杂志《科学报告》中读到约里奥居里夫妇所发表的文章时，他立即抓住了要害，他把约里奥居里夫妇的看法告诉了卢瑟福，卢瑟福当即回答到：“我不相信！”他和查德威克都不相信γ射线能有这样大的能量能够把氢原子（即质子）撞击出来，他俩一致认为，这种中性辐射很可能就是中子。
查德威克认为居里夫妇对中性辐射的解释存在着两个严重的困难。第一，他们在实验中观察到的质子散射的频率比用计算电子散射公式计算出的结果大出了数千倍。这说明，被轰击出来的物质的能量远远大于常用的γ射线所具有的能量。第二，从铍核与一个动能为5×106电子伏特的α粒子的相互作用中，很难甚至是不可能产生一个50×106电子伏特的粒子，而实验事实却是如此，所以，这样一个解释工作非常困难。
接着，查德威克在卢瑟福的指点下，满腔热情地重复了约里奥居里夫妇的工作。他要彻底搞清楚这种特殊辐射的性质。查德威克将铍射线射向除石蜡之外的各种其他材料。他很快就发现，当铍射线与氢之外的其他原子核碰撞时，也会产生反冲，但反冲速度却比氢小很多。这个反冲速度和反冲原子核的原子量有关，它随着原子量的增大而减小。这个实验结果非常喜人，因为，这正好是如果铍辐射不是电磁辐射而是一种质量接近质子的粒子所应预期的图像。这就使得查德威克越发他相信铍射线不是那种电磁辐射所产生的一般的γ射线。但是，遗憾的是，查德威克从准确的实验数据中只得出了射线的质量接近于质子的质量这一结论。于是，进一步的实验还是不可缺少的。
铍辐射的性质是用真空管计数器的方法来检验的。真空管就是电子管，真空计数器就是一个电子探测器——在这里就是与电子放大器连接的电离室，简单地说，它是由一个连接到电子管放大器上的小电离室构成的。当一个电离粒子进入电离室后，就会使室内突然产生离子，这种产生大量离子的电离现象可以由连接在放大器输出电路上的示波器探测出来。示波器的偏转情况用照相方法记录在印相纸上。
钋源是用镭的溶液沉淀在一块银圆盘上制备成的，盘的直径为1厘米，放在直径为2厘米的纯铍圆盘近旁，然后一起密封起来，放入一个能被抽成真空的小容器中。查德威克使用的第一个电离室有一个1.3厘米的开口，上边覆盖一块具有一定阻止本领的铝箔，深度为1.5厘米。当把源容器放在电离室前面时，从示波器上可以探测到，偏转粒子数立即增加。当铍与计数器距离为3厘米时，偏转数接近每分钟4次。查德威克把厚金属片——甚至厚达2厘米的铅插入源容器和计数器之间时，示波器上的偏转数仍然明显地保持原水平，不见任何减少。这些偏转显然是由铍发射的穿透性辐射所造成的。
当查德威克将厚铅片去掉而将一片大约2毫米厚的石蜡插在计数器前面的辐射通路上时，示波器上记录的偏转数出现了明显的增加。这一增加是由于从石蜡中被打出的粒子进入了计数器造成的。
接着又对其他元素暴露在铍辐射下的效应进行了一系列的研究。每种元素被铍辐射后的射线轰击时，计数器观测到的偏转数都是增加的。接着，查德威克在费则博士的合作下，用膨胀室的方法对氮反冲原子进行了检验。这次，源容器直接放在一台清水膨胀室上方，以使大部分铀辐射穿过膨胀室。这种类型的云室是以突然减低压强的方法使气体冷却，从而造成蒸气在离子上凝结的原理进行工作的。他们在几小时的过程中观察到了大量的反冲径迹。它们在室中的目测射程有时达到5.6毫米，对膨胀进行校正后相当于标准空气中的3毫米左右。这些目测估计值是费则从用一台大型自动膨胀室在一系列初步实验中拍得的氮反冲径迹照片中得到的。现在，不同速度的氮的反冲原子的射程已经测量出来，分析这些实验结果，查德威克发现由铍辐射产生的氮的反冲原子至少应具有每钞4000千米的速度（射程越大，反冲原子的速度就越大），相当于大约12万电子伏特的能量。如果我们用量子的碰撞来解释反冲原子，要使碰撞后的反冲原子具有这么大的能量，就必须假定量子的能量约九百万电子伏特左右，这和能量守恒定律完全不符合。而量子碰撞过程中能量是守恒的，这是已经证明的事实。
总之，查德威克在大量重复实验过程中证明了铍辐射具有以下特点：第一，此辐射具有巨大的穿透本领，它们的巨大穿透力就意味着它们必然是电中性的（因为荷电粒子会受到原子内电场的偏转，这就是电中性的γ射线之所以比α或β射线穿透力强得多的原因）。这种辐射的速度仅为光速的十分之一，所以它属于γ射线。第二，如果这种辐射是γ射线，计算出γ射线的能量比约里奥居里夫妇算得的还要大得出奇，并且当碰撞原子的质量增加时，还必须假想这种γ射线的能量越来越大，这与能量守恒原理和动量守恒原理都不相符合，决不可能使能量值与引起辐射的能量一致。这充分说明铍辐射不是γ射线。第三，任何能从原子核中打出质子的辐射，必须是由一些本身就应该相当于质子那么重的粒子所构成，所以这种粒子一定是一种迄今未发现的新粒子。
经过实验的观察，再加之大量的理论分析，至此，查德威克把直观认识、逻辑思维和实验研究结合起来，他大胆地提出这种铍辐射就是卢瑟福曾经预言而他自己寻觅已久的“中子”。他认为铍辐射是由铍发出的，由质量与质子几乎相等而不带电荷的中性粒子，即中子组成的，他发现实验得出的结果和理论计算完全一致，其他物质的辐射也存在同样的情况。鉴于这些事实，中子的存在是毫无疑问了。就这样在约里奥居里夫妇的文章发表后不到一个月，即1932年2月17日，查德威克宣布发现了“中子”。
对查德威克来说，就像卢瑟福说的一样，中子只不过是一个质子和一个电子的合成体，而不是以其名称存在的一种基本粒子。但查德威克并没有推测中子在原子核结构中的作用。中子发现后，人们纷纷来讨论它，中子在原子核的结构中起什么作用？它真的是一个质子和电子的合成体吗？德国物理学家、量子力学的著名先驱者之一沃纳海森堡在1932年提出了一个新的理论，原子核由质子和中子组成，靠质子和中子间相互交换电子而保持在一块。也就是说，一个中子放出它的电子，变成一个质子，随后该电子被另一个质子获得，就又成为一个中子。在这里，海森堡仍然认为中子是一个质子和一个电子的合成体，因此实际上他仍把原子核看成是由质子和电子构成的。
对于原子核的这种看法其实早已经是自相矛盾的了。原子核是由电子和质子组成的核的电子假说已经存在着许许多多的漏洞，用这种核的电子假说来解释当时的核物理所涉及的问题都得出矛盾的结果。为了解决这些矛盾，科学家们进行了极其艰苦的努力。最后一致认为，解决的办法就是假设中子是一种基本粒子，是和电子和质子一样的基本粒子。如果假设原子核是由质子和中子构成的，那么，由于中子质量与质子大致相同（这是实验已经验证的了），那么原子量就必然等于中子和质子的总数，而原子序数正好等于质子数，因为质子是原子核中仅有的带电粒子。他就是说，质子数和中子数分别由下列规则给出：原子序数等于质子数，中子数等于原子量减去原子序数。于是两者的和就是原子量。这个规则正是我们今天所使用的规则。
但是，任何一种假设都必须被实验所证实才能被人们所接受。1934年8月，查德威克通过用γ射线将氢（H2，即氘）原子核破碎成一个质子和中子，并对中子的质量进行了精确的测量，结果发现中子的质量不仅大于质子，而且大于质子、电子的质量之和，这就大大地动摇了查德威克的中子是质子和电子的复合粒子的观念。而后，判定中子是基本粒子的实验1936年在美国进行，在这个实验中，默尔图夫与海登伯格通过仔细的观测得出了核力与电荷无关的结论：核力对质子和中子的作用犹如质子和中子是孪生兄弟一样。人们在实验中证明了电子在被发射之前并不存在于原子核中，这与肥皂泡被吹出之前不存在于吹管中完全一样。从此以后，人们就再也不可能猜想中子不是基本粒子了。原子核是由中子和质子组成的，这解决了核的电子假说所面临的一系列困难，彻底否认了中子是复合粒子，普遍承认中子是一种基本粒子。
中子的发现是核物理发展史上的一个重大转折点。由于这项具有划时代意义的发现，1932年英国皇家学会授予查德威克休斯奖章，随后他又荣获1935年度的诺贝尔物理学奖。
有些人看到中子的发现，以为是靠神秘莫测的运气偶然发现的。事实并非如此。任何科学的进步都必须具备赖以成功的基本和条件，偶然的发现是孕育在历史的必然之中的。查德威克在发现中子以前，已是一位才华横溢的著名物理学家，是英国皇家学会会员，代理卢瑟福领导卡文迪许实验室的管理工作，并一直是卢瑟福的得力助手。即使在第一次世界大战期间，他被拘禁在德国鲁勒本时，仍然和其他几位难友组成一个科学协会，专心致力于β射线的研究。从战后到1923年，他担任了卡文迪许实验室放射性研究工作的助理指导，参与了卢瑟福在1919年进行的第一次人工核反应的研究工作。通过这一系列的实验工作，实验技能趋于成熟。1920年，卢瑟福在第二次贝克尔讲演中提出中子预言，给他留下了深刻印象。这样，他早在1923年就写信给卢瑟福说：“我本人认为我们必须对不带电荷的中子进行一次真正的研究。现在我已经有一个迫切的工作计划，但还是应该事先和阿克顿商量。”从这里，人们不难看出，早在他发现中子前10年，已为中子的研究作出了周密的计划，可以说，经过10年之久的长期探索，他才做出了发现中子的这一科学壮举，所以，查德威克作为中子的第一个发现者是当之无愧的。
查德威克治学严谨，办事可靠，以精通管理和实验技术而闻名。在卢瑟福任英国皇家学会主席后的10年中，卡文迪许实验室的实际工作是在查德威克负责下进行的。他继承了卢瑟福的传统，只用简陋的仪器，却以很高的灵感和物理直觉发现了中子。他宣布发现中子的论文描述了设计很好的简单实验，这是清晰的物理思想的楷模。一个实验物理学家必须是一个具有相当水平的理论物理学家，能够知道什么样的实验是值得做的，同时他又必须是一个有相当手艺的工匠，知道如何做这些实验。只有这两方面都能胜任的人才是一个优秀的实验物理学家。查德威克就是这样的杰出人物。
查德威克友善、慷慨、责任心强、乐于助人。在物质和资金非常有限的情况下，他都能让实习学生得到必备的设备。卢瑟福甚至有时还责备他对那些年轻人过于偏爱。
发现中子之后，他还不失时机地提到波特、贝克尔、韦伯斯特和约里奥居里夫妇的成绩和贡献。1957年，即发现中子后的25年，他在论及约里奥居里对科学事业的贡献时，曾特别提到他们夫妇俩的实验确是一个“提供发现中子线索的非常奇妙的途径”。的确，没有此人的失误，就没有彼人的成功，如果没有前人的工作，任何科学的进展都是不可能的。
查德威克于1891年10月20日出生在英国的曼彻斯特，并在曼彻斯特接受了中学教育。16岁时，他参加了两项考试获得了曼彻斯特大学两个奖学金，他选择了其中一个进了大学。1911年，他以一流的成绩在曼彻斯特大学毕业。他继续留在学校攻读硕士学们，在卢瑟福指导下与拉塞尔一起工作，继续盖革和波尔的研究事业。1913年，他取得了理科硕士学位，之后他又获得了一笔相当可观的研究奖金，他把这笔奖金完全用于自己的事业上，他需要更换实验室，以便扩大研究范围。当时盖革教授已经回到柏林，查德威克随后也去了该地师从盖革。盖革非常喜欢这个执著上进的小伙子，他高兴地把查德威克介绍给周围的人，使他有幸结识了包括爱因斯坦、哈思和梅特纳在内的柏林科学家。不料第一次世界大战爆发了，他被整整拘禁了4年。战后，他于1918年12月返回曼彻斯特大学在卢瑟福的指导下工作，1919年又随卢瑟福来到英国剑桥大学卡文迪许实验室。
查德威克后来应聘到冈维尔和凯恩斯学院工作，并任卡文迪许实验室副研究主任。1927年被选为皇家学会会员，1945年获爵位。1935年～1948年主持利物浦大学里昂琼斯物理学讲座，之后，他在美国工作，担任制造原子弹的“曼哈顿计划”的英国代表团团长。曾任剑桥大学冈维尔和凯恩斯学院院长，并兼任过联合国原子能管理局委员。
查德威克发表过许多关于放射性及其他有关内容的文章。同卢瑟福勋爵和埃利斯合著的《放射性物理的辐射》一书，在辐射的核物理领域中占据了多年的权威地位。
他的一生除了获得诺贝尔奖之外，还获得了科普利奖章和费城富兰克林奖章，他既是许多物理研究所的名誉会员，曾获得多所大学的名誉博士称号，又是许多外国科学院和学术组织的名誉成员。
他于1935年同利物浦富商之女艾林斯图尔特布朗结婚，生有一对孪生女儿。1974年7月24日逝世，终年83岁。查德威克的一生可以说是为科学奉献的一生。他为人类、为科学所作出的贡献是不可低估的。
开创新时代
中子的发现，对于核物理的发展具有决定性的意义：它作为物理学史上的最重要实验之一，是查德威克的殊荣，这将作为这位实验物理学家的伟大发现载入史册。1932年以前的一切都属于核物理的史前史，1932年才开始了核物理时代，因为1932年查德威克发现了中子。
中子的发现，是原子核物理发展史上的一个里程碑，具有划时代的深远意义。首先，中子的发现，使人们有了原子结构的新概念，搞清了核的基本组成，彻底否定了核的电子假说，为其后的核结构和核反应研究开辟了崭新的道路。其次，由于有了中子，使人们对原子量与原子序数的关系，以及原子核的自旋、稳定性等原子核的特性问题，有了新的认识。并且，人类对中子的研究和应用推动了核物理的飞速发展。中子的发现开创了一个新的时代，其中把中子作为轰击原子的“新型炮弹”，导致具有划时代意义的重要发现——铀核裂变，是人类步入核能时代的第一声春雷。
中子被发现了，它的历史曲折而又富有戏剧性。但是，不论怎样，它的发现凝聚了许多科学家的辛苦劳动，这一点是不可否认的，我们从中应该体会到，科学上的任何发现与发明，都不是单凭一朝一夕就能一帆风顺地实现的。它需要长期的艰苦的劳动，更需要有牢固的理论基础和解决各种复杂问题的能力。所以，立志为祖国的未来而奋斗的少年朋友，你们应该从小树雄心，立大志，努力学好科学文化知识，培养坚强的毅力，以科学前辈为榜样。虽然科学家是伟大的人物，但同时他们也是人类中平凡的一员，只要有决心，他们的成就并不是高不可攀的。相信在不久的将来，会有更多的像查德威克一类的人物出现。
现代火箭的发明
从17岁开始，罗伯特戈达德这个年轻的美国人就在他的某本日记的开首吐露出“制造一种能登上火星的装置”的梦想。
1914年，他向这个梦想迈进了“一大步”。刚从研究生院毕业，戈达德就申请了多项有关现代火箭学基本概念的专利，其中包括液体燃料推进器和多级火箭。在这之后，他就开始了长达12年的探索试验。在向别人说明自己的计划时，他仅提及希望寻求一种收集宇宙信息的途径。当一家地方报纸披露了他的太空旅行的想法时，这位离群索居的克拉克大学教授得到了一个绰号：“月球人”。的确，在他进行试验的马萨诸塞农场经常发生的爆炸，看来同样证明了他的疯狂。
在莱特兄弟首次飞行20多年后的1926年3月16日，戈达德用事实为自己进行了辩护——把他的发明送上天，宣告了火箭时代的到来。戈达德制造的划时代的火箭长约3.05米，不装燃料时还不到2公斤重，用液氧和汽油推动。它在约13米的高空飞行了约56米，整个飞行持续了2.5秒。戈达德在他的日记里写道：“它飞起来时真是太迷人了，没有太大的噪声和火焰，好像在说：‘我在这儿呆的时间够长了。我想如果你不介意，我就要到别的地方去了！’”
在这次火箭成功发射之后的几年里，戈达德又进行了多次发射试验。他后来还在火箭上安装了气压计、温度计和照相机，火箭最高发射高度达到了2500米。
其实，在戈达德之前一些先驱者已经在这方面进行了大量开创性的研究。被誉为“现代火箭之父”的苏联科学家齐奥尔科夫斯基早在他1903年写成的《利用喷气工具研究宇宙空间》一文中，就第一次阐述了火箭飞行和火箭发动机制造的基本原理和构造，并推导出计算火箭飞行最大速度的公式。他的这些研究成果对人类关于火箭研制技术的发展产生了深远的影响。
1923年德国人奥伯斯在他出版的《从火箭到星际太空》一书中，深入探讨了许多技术性问题，如喷气速度、理想速度和火箭在大气中最佳上升速度等。有趣的是，奥伯斯的著作经科普作家改写成通俗读物后，也产生了广泛的影响。
在戈达德之后，火箭研究在许多西方大国中迅速开展起来。1933年，在冯布劳恩的主持下，德国首先在这方面进行了开创性的研究，并在空气动力学和制导与控制、发动机设计、弹道设计等方面积累了大量经验。1942年10月3日，在严格保密的波罗的海沿岸的一个名叫佩内明德的发射场，德国成功地发射了第一枚军用火箭V-2.V-2火箭全长14米，可携带1吨重的弹药，最大射程300公里——这是在真正意义上第一枚进入实用的现代火箭。
V-2火箭这种新式武器的诞生，虽然没能最终挽救德国二战失败的必然命运，但是它在战争中显示出来的巨大威力，已经使深受其害的英国人产生了巨大的恐惧心理，也为战后现代火箭技术的飞速发展开辟了道路。事实上，美国和苏联战后火箭技术的发展都是从抄袭V-2火箭起步的。而美国更是将在战争结束时俘获的大量研制V-2火箭的德国科研人员直接送回本国，为其发展火箭研制事业服务。
雷达的发明与演变
现代科学技术的发展，使得现代战争几乎成了高科技的对抗，电子技术更是日益显示出重要性。没有先进的电子设备，军队就会像“瞎子”和“聋子”一样，处处被动，处处挨打，即使武器再精良、兵力再多也可能吃败仗。
被称作“千里眼”的雷达就是现代战争中最重要的电子设备之一。它是第二次世界大战中的新发明。“雷达”这个词是从英文缩略词radar翻译过来的，原来的意思是指“无线电探测和定位”。雷达能在军事、气象、导航等多个领域发挥重要用途。它工作的基本原理是利用电磁波一遇到物体时就会像回声一样被反射回来的特性。当雷达系统向空间发射一束电磁波后，其中的一部分遇到物体便会反射回来，形成反射回波，反映在雷达指示器上。观测者通过测量和计算，就可以探测出远方的目标，并能精确测定出目标的方位、速度和距离。
早在1887年，德国科学家亨利希鲁道夫赫兹证实电磁波存在以后，科学文献就经常提到将电磁波用于目标探测的问题。1897年，俄国物理学家波波夫在实验时观察到电磁波被船只反射回来的现象，便提出可将这个现象用于军事探测（如探测敌船）。但是他的建议没能引起有关部门的重视。直到1922年意大利工程师马可尼发表有关论文，美国海军研究室才用实验验证了这一设想，研制出了收发装置分离的连续波雷达。
美国从1925年开始研究利用脉冲调制技术，作为探测目标距离的手段。1935年12月，英国首先开始建造第一座飞机雷达站，开始了雷达技术的实用发展阶段。1936年4月，美国研制成功第一台脉冲式雷达装置，探测距离达到4公里。到了1938年，美国研制的防空袭雷达已经得到了实际应用。
20世纪30年代，英、法、德、美等国都在大力进行雷达的研制工作，其中英国、德国和美国的研究工作更是带有明确的军事目的。法国开始时只将雷达用于船只探测冰山，但当战争迫在眉睫时，他们也很快将雷达的实际应用转向军事化。德国最早便开始研究船只的雷达探测系统，很快又发展了飞机的雷达探测系统，1939年已经有了对入侵飞机的早期雷达报警系统，紧接着又出现了船只雷达报警系统。到了1945年左右，德军就已经能够利用雷达系统精确地引导高射炮射击目标。
在第二次世界大战中，雷达真正发挥了国防“千里眼”的作用。1940年，雷达无线网使英国在英德不列颠空战中免遭灭顶之灾；而一年后，由于珍珠港盟军指挥官对雷达屏幕上日军大举进攻的飞机信号置之不理，造成了珍珠港变成一片火海。也是在二战中，英美科学家共同研制成功了一种精度更高、体积更小的微波机载雷达，使盟军飞行员在对德空战中占据了明显的优势。
二战结束后，科学家们开始尝试着将雷达应用于科研。1946年，美国成功地探测到了从月球反射回来的雷达信号。此外，雷达还可以用作导航工具，或者作为防止船只以及飞机碰撞的常规监控手段，警察则用它测定汽车的速度。
高速飞机的出现对雷达的设备装置和应用技术都提出了新的要求。显然，将计算机和雷达结合起来可以解决雷达自动侦察的问题，即人们利用雷达探测各方面入侵的飞机攻击情况，并将探测得到的信号及时传递给计算机，计算机就能够很快决定出动什么飞机来完成拦截任务。等到洲际导弹研制成功之后，雷达又满足了防御方尽早报警的需要。它可以帮助计算机迅速确定导弹的飞行轨道、攻击目标和到达的时间，对于入侵的洲际导弹至少可以在导弹击中目标的15分钟之前发出警报。
20世纪60年代，雷达在航天事业中发挥了重要的作用。如在人类登月活动和空间飞船对接活动中，雷达同计算机配合，出色地完成了跟踪、定位等多项艰巨的任务。同时，雷达还与数学、物理学、生物学等基础学科以及空间科学技术、医学技术等许多领域有着十分密切的关系。
科学的发展是永无止境的。正是由于与人类社会各方面有着密切的血肉联系，使得雷达电子科技具有极其旺盛的生命力，并在越来越广阔的范围内不断向前发展。
弹道导弹的发明与发展
导弹是指装有弹头和动力装置并能制导的高速飞行武器。导弹与火箭不同，它的原意是“导向炮弹”或“导向火箭”。由此可见，导弹与火箭的根本区别就在“导”字上。也就是说，装有控制系统，能自动导向目标的火箭类武器就是导弹。按照发射点和目标位置，导弹大致可分为地对地、地对空、空对空和空对地导弹等。按照射程导弹又可分为短程、中程、远程和洲际导弹等。
导弹的出现是军事科学技术发展的必然结果。第一次世界大战后，随着飞机在军事上的应用，人们开始研究远距离遥控飞机和自动制导炸弹。1926年，美国人哥达斯成功地发射了世界上第一枚液体火箭，并达到了超音速效果。与此同时，德国的一批业余火箭研究者成立了“宇宙航行俱乐部”，专门从事火箭理论与试验的研究。
20世纪30年代，德国法西斯出于侵略战争的需要，成立了庞大的火箭研究中心。在著名的火箭专家冯布劳恩博士的主持下，经过10年的努力，研究中心在空气动力理论、火箭推进技术、自动控制系统、电子设备、无线电雷达技术和航空材料工艺等方面做了大量工作后，终于在第二次世界大战结束之前的1944年制成了世界上最早的V-1飞航式导弹和V-2弹道式导弹。
当时的法西斯德国为了挽救即将战败的命运，把希望寄托在一两件新式武器上，因此下令大批量生产并使用这种V-2导弹。在1944年9月～1945年3月间，从荷兰和法国海岸，德国法西斯向英国首都伦敦共发射了10800枚V-2导弹。由于V-2导弹能在高空（可达100公里以上的高度）以高速飞行，因此使得英国的所有防空手段都变得毫无用武之地，结果使伦敦遭受了一定的破坏。但也由于当时科技水平有限，V-2导弹的性能还比较落后。1万多枚导弹中仅有一半飞到了目标区，而另一半却在发射过程中形成空中爆炸，也有的因精度不高而中途掉落在英吉利海峡。尽管如此，V-2导弹还是显示出了当时其他武器所不具备的优点——威力大、射程远、飞行时速高，从而引起了各国军事科技部门的高度重视。
德国战败后，美苏两国分别从德国夺得了导弹技术的“战利品”：冯布劳恩博士被美军俘获，后来成为美国发展火箭与导弹技术的主要人物；苏联则从德国缴获了部分V-2导弹实物。可以说，美苏两国都是在德国研究技术的基础上，开始发展本国的导弹体系的。
从第二次世界大战结束以来，全球弹道导弹的研制经历了四个发展阶段：
20世纪40年代末至50年代末为第一阶段。这一阶段科学家们主要解决弹道导弹的可行性问题。继德国后，美苏两国在此期间先后成功地研制了短、中、远程各种类型的弹道导弹。如美国的“红石”、“丘比特”、“宇宙神”；苏联的“SS-1”、“SS-5”和“SS-6”型弹道导弹等。这一阶段所研制的弹道导弹性能较差，发射准备时间较长，且容易被发现，防护能力较差，生存能力也很低。
20世纪50年代末至60年代中期为第二阶段。这一阶段科学家们主要解决的是提高战略弹道导弹系统在核袭击下的生存力以及进一步提高战略弹道导弹的性能。在此期间，美国出现了利用地下井发射的洲际弹道导弹“大力神Ⅱ”、“民兵Ⅰ”、“民兵Ⅱ”以及潜射导弹“北极星A1”、“北极星A2”等。苏联也相应装备了洲际弹道导弹和潜射导弹。这一阶段所研制的弹道导弹有效地提高了生存能力，缩短了发射准备时间，提高了命中精度。
20世纪60年代中期至70年代末为第三阶段。这一阶段科学家们主要解决了弹道导弹的突防问题。由此出现了集束多弹头导弹和分导式多弹头导弹，这些导弹都带有突防装置。此外，通过加固地下井的研究，进一步提高了导弹的生存能力。这一阶段洲际弹道导弹的命中精度已达到0.185公里以内。
20世纪80年代以后，全球战略弹道导弹的研制工作进入了一个新的发展阶段。这一阶段总的发展趋势是进一步提高导弹的进攻能力、生存能力、突防能力和战略性能；大力研制全导式多弹头导弹；广泛实行导弹研制的固体化和机动化。
原子弹的发明
第二次世界大战爆发前夕，流亡到美国的匈牙利物理学家西拉德，得知德国正在加紧研究核裂变的链式反应，并禁止被占领的捷克出口铀矿石，就马上意识到德国可能正在研制原子弹。要是让希特勒这样的战争狂人拥有了原子弹，那人类的未来将不堪设想。
西拉德马上和其他两位物理学家找到了阿尔伯特爱因斯坦，希望他凭借自己的威望给美国总统写信，说服美国政府尽快开始原子弹的研制工作。爱因斯坦很赞同他们的看法，欣然在西拉德草拟的信上签了名，并委托罗斯福总统的朋友和顾问亚历山大萨克斯将这封3位科学家联名签署的请求信转交给罗斯福总统。信中针对德国研究链式反应的情况，3位科学家一致提出“美国政府应该和研究链式反应的美国物理学家们保持经常的联系”。
据说罗斯福总统一开始并没有在意此事，只说了一句“这倒是个有意思的想法，不过现在政府没有精力考虑这个事情”。萨克斯看到总统无意支持此事，很是着急，一夜都在想如何才能说服罗斯福。次日，在与罗斯福共进早餐时，萨克斯说了这样一席话：“在拿破仑执政时代，一个年轻的美国发明家富尔顿来到了这位法国皇帝面前，建议建立一支由蒸汽机舰艇组成的舰队。他说这样的舰队，无论在什么天气下都能在英国登陆。军舰没有帆能走吗？这对于那个伟大的科西嘉人（指拿破仑）来说简直是不可思议的，因此他竟把富尔顿赶了出去。根据英国历史学家阿克顿爵士的点评，这可以说是由于敌人缺乏见识而使英国得以幸免的一个著名的例子。如果当时拿破仑稍稍动一动脑筋，再慎重考虑一下，那么19世纪的历史进程也许完全会是另外一个样子。”这个故事果然打动了罗斯福总统。他立即叫来了随从，下令通知政府有关机构组成一个铀咨询委员会。
1941年12月6日，也就是日本偷袭珍珠港的前一天，美国政府正式决定，实施制造原子武器的计划。这项计划因其第一总部的所在地而被命名为“曼哈顿工程”。美国著名的理论物理学家罗伯特奥本海默和陆军准将莱斯利格罗夫斯成为领导这个开辟了人类原子时代巨大工程的搭档。格罗夫斯准将此前曾负责在极短时间里建成五角大楼的建设工程，虽然并不十分明确这项“曼哈顿工程”的性质和意义，但他被告知：“如果你的工作做对了，就将会赢得战争。”现在正要求他运用自己出色的工程协调能力来协调10万名工作人员、13个州的37处设施及12所大学的实验室的工作；奥本海默博士则负责科学上的领导，率领几千名高级研究人员来到了新墨西哥州洛斯阿拉莫斯附近的一个用围墙围起来的秘密基地里。
因躲避法西斯迫害而逃亡到美国并定居下来的意大利杰出的核物理学家恩里科费米也加入到了“曼哈顿工程”。他曾在芝加哥大学领导建造了美国第一个原子能反应堆，为原子弹的研制提供了大量有用的数据。但制造核弹还存在着许多技术方面的困难，最主要的问题是铀的提纯问题。当时的科研人员普遍认为，最好的核裂变材料是铀235.但这种铀的天然含量很低，只占0.7%，所以必须用某种方法进行化学分离，以获得高含量的铀235.美国政府决定不惜工本，采用多种方法同时进行试验，以求尽快分离出足够的高纯度铀235.但是，由于分离铀的成本太高，再加上人们后来又发现了一种由铀238嬗变而来的新元素钚239，也是一种良好的核变材料。因此，可以将分离试验中剩下的大量铀238用来制造钚。
1943年，“曼哈顿工程”进入了具体设计阶段。1945年春，3颗原子弹被科学家们造出来了。
1945年7月16日5时30分，在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的沙漠深处，在一声闪耀着令人眩目的光芒的猛烈爆炸声中，“曼哈顿工程”的工作达到了高潮。在一个离地面约10公里的地下观测室里，奥本海默博士看到了世界上第一颗铀原子弹试爆成功后升起的蘑菇云，禁不住默默地慨叹道：“我成了死神，世界的毁灭者。”根据专家测算，这颗原子弹的爆炸威力相当于20000吨TNT炸药。
美国在不到4年的时间里就成功地试制出原子弹，完全取决于两个因素：一是希特勒将一大批极有才华的欧洲核物理学家赶到了美国，为美国聚集了全球实力最强的科学家阵容；二是为了完成“曼哈顿工程”，美国政府投入了巨大的人力和物力：前后共动员了50多万人参与实验，耗费资金22亿美元，占用了全国近1/3的电力。原子弹的研制成功是20世纪在科学协作方面的典型范例。
1945年5月，德国宣布无条件投降后，人们才了解到德国虽然一直在从事原子弹的研制工作，但离真正能制成原子弹还早着呢。他们研制核反应堆的设施屡遭盟军和抵抗组织的破坏，根本无法集中全力制造原子弹。这时，从前建议造原子弹的科学家们又开始呼吁，要求禁止使用核武器。但科学理论一旦变成了现实，科学家们就根本无法改变它的命运了。6月，当初首倡研制原子弹的西拉德等7名科学家又联名给美国国防部长写信，指出原子弹的存在会引起世界各军事强国的核军备竞赛；7月，西拉德又起草了给白宫（美国总统官邸，后成为美国政府的代称）的紧急请愿信……
但这一切都无助于事——1945年8月6日和9日，美国政府分别在日本广岛和长崎投下了两颗原子弹。从此，全世界几个军事强国间长达近半个世纪的核军备竞赛开始了！
宇称守恒定律的推翻
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。
这种想法，现在看来也许像是显而易见的，但在当时，却完全是另外一回事。杨振宁在后来回顾当时的心路历程时说，研究像θ和τ之谜这样的问题，一个人完全不知道到哪里去找答案，因此就很难集中在任何一个单一方向上去做研究。一旦一个人得到了解答的线索之后，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，他的思想总是在不同地方停留，无法清楚确定任何事情。
物理学是一门实验科学，理论家尽管可以说得天花乱坠，如果没有实验的证据，总还是不完全的。杨振宁和李政道两人在弱相互作用中去向宇称守恒挑战的想法已经确定，下一步便是寻找能得到证明的实验依据。他们非常幸运碰到了吴健雄这样一位在弱相互作用实验方面的权威。吴健雄对这个问题的重要性有相当清楚的认识，并且有坚持去弄清楚的决心。于是杨振宁、李政道两人的理论便很快就有了肯定的结果。
疯狂的实验
吴健雄1944年初到哥伦比亚大学时，先是在“曼哈顿计划”中工作，到1945年战后，便开始全然投身于β衰变的研究。1952年她成为哥伦比亚大学物理系副教授以前，她的实验成就早已经使她成为在β衰变研究方面的世界一流的权威专家。
由于这个缘故，杨振宁和李政道决定要由弱相互作用入手检验宇称守恒定律时，自然就会想到去和研究β衰变的权威吴健雄讨论讨论，原因是β衰变正是一种重要的弱相互作用。于是，在5月里的某一天，和吴健雄同在哥伦比亚大学的李政道由他在物理系普平物理实验大楼8楼的办公室到13楼吴健雄的办公室去看她。
吴健雄研究的不是粒子物理，对于“θ-τ之谜”的详细情形并不清楚。李政道首先向她解释了“θ-τ之谜”，然后又说明他和杨振宁几经研究，而最后以为宇称会不会只是在弱相互作用中不守恒的怀疑经过。对于弱相互作用中β衰变现象有深刻认识的吴健雄，立即对这个问题发生极大的兴趣。
在原子核实验工作中极有成就的吴健雄，在1956年以前的几年中，注意到英国牛津以及荷兰莱登的低温实验中，新近发展出来将原子核极化的技术，并且发生极大的兴趣。所谓原子核极化，简单说，就是使原子中旋转的电子变成有方向性，从而使原子核有一个方向性。这个技术正是杨振宁和李政道想用以检验宇称守恒几种实