经常和外星人交流的朋友应该熟悉“奥兹玛问题 Ozma Problem”^[1]，就是说如果地球人要和外星人进行交流，但是两者不允许看到任何一个共同的对象，那么地球人要怎么给外星人传达左和右的意义。

如果我们和外星人可以看到同一个对象的话，我们可以直接告诉外星人看向某个螺旋星系（比如银河系^[2]），然后通过该星系的旋转共同规定出“左”和“右”。这也就是其他答主提到的“左右是相对概念”“是数学中的定向”。

但是，如果外星人告诉我们，他漂浮在空旷的某个地方，看不到我们所看到的任何东西，这个时候向外星人传达左右的概念就变成更有趣的问题了。因为我们要在两个相互孤立的系统中确定一对“相对”概念。

宇称守恒

本质上来说，因为大多数情况下我们的物理系统具有宇称守恒，比如引力、电磁力、强相互作用，所以对于这些基本的物理相互作用，不可能区分左和右、顺时针和逆时针。

什么意思呢？

首先来简单说说“宇称 Parity”，宇称变换可以看作是一种镜像变换（我们的左手和右手其实就互为镜像）。从数学上讲，它描述系统的空间坐标通过原点反转；也就是说，坐标x、y和z替换为 −x、−y和 −z。比如我们照镜子就相当于完成了一个一维变换，x 变 -x。

这也体现了宇称这个译名的由来，正如宇宙一词中“宇”是“空间”的意思，而“称”则是“对称”的意思，宇称变换可以理解为空间对称变换。

通常，如果一个系统在这样的变换后与原始系统相同，则称该系统宇称守恒（空间对称变换守恒）。这里我们说的“相同”是指物理学的方程在镜像反转下是不变的。

举个例子，比如下面展示的海浪，在实地拍摄的图片中，海浪在朝左运动。如果我们对真实世界完全做一个镜像。换句话说，如果我们设置一个完全镜像的实验环境（包括风啊水啊等等相互作用），我们得到的结果就是就是海浪在朝右运动。

但是，看起来真实世界和镜像世界对我们来说都是合理的，并无法区分。因为镜像世界的物理方程并没有变化，只是 x 变 -x 了。

所以左和右是相对的，对于这样基本的物理相互作用，不可能区分绝对的左和右。

对于顺时针和逆时针也同理^[3]。如果我们完全不认识这些数字，那么设置一个机械条件完全镜像的时钟，它逆时针旋转也是合理的。所以也无法区分绝对的顺时针和逆时针。

宇称不守恒

那么，没有一个“绝对些的方向”来和外星人约定我们的左和右了吗？

我们知道宇宙中有四个基本的相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。

其实直到 1956 年，人们都认为，当一个孤立的基本粒子系统相互作用时，整体宇称是保持不变或守恒的。这是一个非常自然而然的想法。

但是当时粒子物理实验中出现了一些关于 K 介子衰变的现象，无法用现有理论解释清楚。

在这一年，李政道教授和杨振宁教授通过对所有基本相互作用中的宇称守恒问题进行了文献综述。他们得出的结论是，在弱相互作用的情况下，现有实验数据既没有证实也没有反驳宇称守恒。提出了宇称不守恒的想法。

也提出了几种可能的直接实验测试，虽然大多数被忽视了。因为宇称守恒的想法真是太自然、太符合直觉了。比如就连大名鼎鼎的量子力学先驱 泡利 也说：“我不相信上帝是一个弱的左撇子”。（关于为什么是左撇子我们后面马上就会看到）

不久之后，李、杨二位教授找到了β衰变光谱学专家吴健雄教授讨论实验想法，吴健雄教授很快意识到突破性实验的潜力，她马上取消了去日内瓦的度假，并和国家标准局 NIST 的同事们投入实验中。（顺便说一下，其实吴健雄教授和泡利教授也是很好的朋友，泡利经常去她家做客^[4]）。

实验的细节我们不具体展开（可参考文献^[5]），说说大致想法。

我们知道有些元素（比如这个实验中用钴 -60 同位素）是具有放射性的，比如会进行由弱相互作用介导的

衰变，可以向外放射电子^[6]。如下图一般。

于是，如果我们以某种方式定向原子核的样本（在图中我们用红色的顺时针、逆时针箭头来表示原子核自旋方向），使

射线发射或多或少地垂直上升或垂直下降，然后测试向上的电子发射数量与向下的电子发射数量。

然后正如我们前面做的镜像时钟一样，我们再设置一个完全镜像的实验。那么就像前面的海浪和时钟的例子一样，如果

衰变（弱相互作用）中宇称也是守恒的（即空间变换也是守恒的），我们就应该在镜像实验中的到镜像的结果，如下图所示，比如都应该得到向下放射的电子多。

但实际的实验结果是，在镜像的实验中，向上放射的电子多。实验设置虽然镜像，但是实验结果并不镜像，这就说明在

衰变这样的弱相互作用中宇称不守恒。

如果我们换到时钟的例子中，就是说对于宇称不守恒的时钟，宇称变换并不会使顺时针变逆时针，而是依然顺时针。

这个关于弱相互作用的实验直接验证了李政道教授和杨振宁教授的想法。弱相互作用中宇称不守恒，这是非常颠覆性的想法。他们也迅速在第二年 1957 年获得了诺贝尔物理学奖。（当年提出理论，第二年就获奖，堪称神速）不过吴健雄教授没有共同分享物理学奖非常遗憾，她将在 21 年后获得另一项世界最高成就奖之一的沃尔夫奖。

奥兹玛问题的解决方案

那这怎么帮我们跟外星人交流左右呢？

还是弱相互作用的

衰变，实际上如果更精确地测量了衰变出来的粒子的自旋，会发现大部分都是左旋粒子，即便在镜像的实验设置中仍然是放射出大部分左旋电子，如下图^[7]。而并不像宇称守恒的情况，守恒的话，镜像的实验应该获得右旋电子。所以，这就带来了一个“绝对些的方向”。

就像以时钟为例时，我们说宇称不守恒的时钟，顺时针依然是顺时针。

于是我们可以让外星人去做一个铀 -239 的

衰变实验，然后就可以跟外星人约定好，放射出来的电子的自旋方向我们称为“左”！