詹姆斯·克罗宁

1963 年圣诞节前后，普林斯顿一个四人小组的成员正在测量机前一张张量照片，把火花室里拍到的径迹换算成数字。这批照片来自布鲁克海文的加速器，拍的是一束「只剩长寿命中性 K 介子」的粒子流——按当时人人相信的对称性，这种粒子绝不能衰变成两个 π 介子。可数据画出来，在两 π 应该出现的位置，偏偏竖着一个小小的尖峰。

詹姆斯·克罗宁是那台仪器的设计者。他后来说，科学家最大的乐趣就是遇上意料之外的发现。这一次的意外，是 CP 对称性——物理学家刚刚用来弥补宇称破坏的那道「更深的」对称——也被自然打破了。

希腊语教授的儿子

克罗宁 1931 年生在芝加哥，父亲当时是芝加哥大学古典语言的研究生，母亲是他在希腊语课上认识的同学。1939 年父亲到达拉斯的南卫理公会大学教拉丁语和希腊语，克罗宁在那里读完中学和大学，1951 年拿到物理与数学学士。他在自传里特别记了一位中学物理老师：讲简单体系的分析方法，也讲实际的实验问题。

他说自己「真正的教育」从 1951 年秋进芝加哥大学研究生院开始。课堂上的老师有费米、格佩特-梅耶、特勒、盖尔曼。他跟着艾利森做实验核物理的博士论文，但把他引向粒子物理的是盖尔曼的一门课——盖尔曼当时正在琢磨「奇异数」的想法。

布鲁克海文：第一次撞上宇称

1955 年拿到博士后，克罗宁加入布鲁克海文国家实验室的库尔与皮乔尼小组，在刚建成的 3 GeV 质子同步加速器 Cosmotron 上工作。那正是 θ–τ 之谜逼出宇称不守恒的年代，长寿命的中性 K 介子也是在这台机器上找到的。宇称破坏的消息一传来，他就开始用电子学方法测超子衰变里的宇称破坏。

1958 年初加速器的磁铁出了严重故障，实验搬去伯克利的贝伐加速器。在那里他从温泽尔与科克身上学到一件事：别被复杂的大设备吓住。也是在布鲁克海文，他认识了 瓦尔·菲奇。1958 年秋，正是菲奇把他请到了普林斯顿。

火花室

在普林斯顿的十年，克罗宁把很多精力花在一种新探测器上：火花室。带电粒子穿过一叠加了高压的金属板，沿途留下电离，一触发就打出一串火花，拍下来就是径迹。它比气泡室快，还能用计数器挑着触发——只在「可能有意思」的事例到来时才拍照。

这让寻找稀有过程第一次变得可行。1963 年春，菲奇提议把克罗宁的火花室谱仪搬到布鲁克海文新的交变梯度同步加速器（AGS）上，追一个刚报道的反常：耶鲁的阿代尔小组在液氢气泡室里看到，长寿命 K 介子穿过物质后「再生」出的短寿命 K 介子多得反常。顺便，也看看长寿命 K 介子会不会衰变成两个带电 π。

一只苍蝇的密度

实验 7 月开始取数，年底博士后蒂尔莱与研究生克里斯滕森在数据里看出了两 π 事例的苗头。四个人花了很长时间想别的解释，没有一个站得住。1964 年 7 月，论文在《物理评论快报》发表：长寿命中性 K 介子衰变成 $\pi^+\pi^-$ 的比例约为全部带电衰变的千分之二，精确地说是

$$(2.0 \pm 0.4)\times10^{-3}$$

同行的第一反应是：实验哪里出了错？那年夏天在苏联杜布纳开国际高能物理会议，会方专门为此开了一场，克罗宁当着一大群物理学家答辩了整整一个下午。临近结束，一位苏联同行提出：会不会是有只苍蝇被困在充氦的衰变区里，把长寿命 K 介子再生成了短寿命的？大家当场在信封背面估了一下，那只苍蝇的密度得远远超过铀。

更认真的质疑也有，很快被英国卢瑟福实验室与欧洲核子研究中心的重复实验打消。三个实验的平均能量分别是 1.1、3.1 和 10.7 GeV，测出的分支比却一样——这也顺手排除了「某种宇宙尺度的长程场」的解释，因为那种效应会随能量平方增长。

为什么要紧

C 是把粒子换成反粒子，P 是照镜子。1957 年宇称破坏之后，朗道等人指出，只要把两者合起来做，弱相互作用仍然对称——物理学家松了一口气。CP 破坏意味着这最后的退路也没了：自然界从根本上分得清物质与反物质。再借 CPT 定理，CP 破坏还等价于时间反演不对称，微观定律第一次被发现「分得清过去与未来」。

克罗宁在诺贝尔演讲里讲了一个思想实验：假如「反世界」里有一位物理学家，用反物质做的材料重复菲奇的干涉实验，他会看到相消干涉，而我们看到的是相长干涉。又或者，测一测长寿命 K 介子半轻子衰变里多出来的轻子，是和自己原子核同号还是异号——两个世界的人不用任何约定，就能分清谁是物质做的。

六年测一个数

1964 年后，克罗宁在萨克莱核研究中心与蒂尔莱合作了一年，学了法语，还在法兰西公学院用法语讲过一次课，他说这是一生中最快乐的事情之一。1965 年回到普林斯顿，他带着学生开始测中性两 π 衰变 $K_L\to\pi^0\pi^0$。

这是一场苦仗。两个中性 π 立刻变成四个光子，方向和能量都难测准；同时 CP 允许的 $K_L\to 3\pi^0$ 多出约两百倍，是压在头上的本底。早期结果让 $\eta_{00}$ 看起来比 $\eta_{+-}$ 大一倍，后来又被推翻。克罗宁在演讲里说，他职业生涯里有六年花在测量 $\eta_{00}$ 上。

两者是否相等关系重大：若只有混合带来的 $\varepsilon$，CP 破坏可能来自沃尔芬斯坦设想的「超弱」新力；若 $\varepsilon'$ 不为零，破坏就藏在普通弱衰变里。1973 年小林诚与益川敏英指出，只要夸克至少有三代，标准模型里就自然带一个 CP 破坏的相位——克罗宁称这篇论文「了不起」，因为那时只知道三种夸克。

从加速器到天空

1971 年，克罗宁回到芝加哥大学任大学教授，看中的是附近正在建的费米实验室。他在那里测大横动量粒子的产生，还发现了「直接 μ 子」，后来认出是含粲夸克粒子的衰变产物。1980 年，他与菲奇共获诺贝尔物理学奖。

1980 年代中期，他迷上了能量最高的宇宙线：它们在哪里被加速、由什么组成？他先在犹他州建了 CASA–MIA，一千多个探测器铺满四分之一平方公里，结果排除了点源是主要来源。随后他盯上了更难的问题——如果最高能的宇宙线是河外质子，它们会和宇宙微波背景的光子相撞而损失能量，能谱在约 $5\times10^{19}$ 电子伏处应当截断。这类粒子每平方公里每世纪只来几个。

1992 年，他与利兹大学的艾伦·沃森构想了一座大到前所未有的天文台。最终的皮埃尔·俄歇天文台建在阿根廷，覆盖三千平方公里，由 1660 个水切连科夫探测箱和 27 台荧光望远镜组成，合作者超过四百人。为了筹钱，克罗宁跑遍各国去见科学机构负责人甚至国家元首。俄歇天文台后来确凿地看到了能谱截断。

最后的数据

克罗宁热爱好数据。同事回忆，常在学校的计算机上看到他登录着，一直分析俄歇天文台的数据，直到 2016 年 8 月 25 日因跌倒引起的并发症去世，享年 84 岁。

至于 CP 破坏本身，他在 1980 年的演讲结尾说得很克制：它可能是宇宙早期物质压倒反物质的「化石」——这个想法最早由萨哈罗夫在 1967 年明确写出——但我们对 CP 破坏还知道得太少，只在自然恰好提供的一个极其灵敏的体系里见过它。