李政道和杨振宁的"宇称不守恒定律"是什么了来的?李政道和杨振宁的"宇称不守恒定律"是什么了来的?

Question

李政道和杨振宁的"宇称不守恒定律"是什么了来的?
李政道和杨振宁的"宇称不守恒定律"是什么了来的?

Answer 1

宇称不守恒定律是指在弱相互作用中,互为镜像的物质的运动不对称.由吴健雄用钴60验证.



科学界在1956年前一直认为宇称守恒,也就是说一个粒子的镜像与其本身性质完全相同.1956年,科学家发现θ和γ两种介子的自旋,质量,寿命,电荷等完全相同,多数人认为它们是同一种粒子,但θ衰变时产生两个π介子,γ衰变时产生3个,这又说明它们是不同种粒子.

1956年,李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后,大胆地断言：τ和θ是完全相同的同一种粒子(后来被称为K介子),但在弱相互作用的环境中,它们的运动规律却不一定完全相同,通俗地说,这两个相同的粒子如果互相照镜子的话,它们的衰变方式在镜子里和镜子外居然不一样!用科学语言来说,“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的.


在最初,“θ-τ”粒子只是被作为一个特殊例外,人们还是不愿意放弃整体微观粒子世界的宇称守恒.此后不久,同为华裔的实验物理学家吴健雄用一个巧妙的实验验证了“宇称不守恒”,从此,“宇称不守恒”才真正被承认为一条具有普遍意义的基础科学原理.

吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变,她在极低温(0.01K)下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋,把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋,这两套装置中的钴60互为镜像.实验结果表明,这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异,而且电子放射的方向也不能互相对称.实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒.

我们可以用一个类似的例子来说明问题.假设有两辆互为镜像的汽车,汽车A的司机坐在左前方座位上,油门踏板在他的右脚附近；而汽车B的司机则坐在右前方座位上,油门踏板在他的左脚附近.现在,汽车A的司机顺时针方向开动点火钥匙,把汽车发动起来,并用右脚踩油门踏板,使得汽车以一定的速度向前驶去；汽车B的司机也做完全一样的动作,只是左右交换一下——他反时针方向开动点火钥匙,用左脚踩油门踏板,并且使踏板的倾斜程度与A保持一致.现在,汽车B将会如何运动呢?

也许大多数人会认为,两辆汽车应该以完全一样的速度向前行驶.遗憾的是,他们犯了想当然的毛病.吴健雄的实验证明了,在粒子世界里,汽车B将以完全不同的速度行驶,方向也未必一致!——粒子世界就是这样不可思议地展现了宇称不守恒.


宇宙源于不守恒


宇称不守恒的发现并不是孤立的.


在微观世界里,基本粒子有三个基本的对称方式：一个是粒子和反粒子互相对称,即对于粒子和反粒子,定律是相同的,这被称为电荷(C)对称；一个是空间反射对称,即同一种粒子之间互为镜像,它们的运动规律是相同的,这叫宇称(P)；一个是时间反演对称,即如果我们颠倒粒子的运动方向,粒子的运动是相同的,这被称为时间(T)对称.

这就是说,如果用反粒子代替粒子、把左换成右,以及颠倒时间的流向,那么变换后的物理过程仍遵循同样的物理定律.

但是,自从宇称守恒定律被李政道和杨振宁打破后,科学家很快又发现,粒子和反粒子的行为并不是完全一样的!一些科学家进而提出,可能正是由于物理定律存在轻微的不对称,使粒子的电荷(C)不对称,导致宇宙大爆炸之初生成的物质比反物质略多了一点点,大部分物质与反物质湮灭了,剩余的物质才形成了我们今天所认识的世界.如果物理定律严格对称,宇宙连同我们自身就都不会存在了——宇宙大爆炸之后应当诞生了数量相同的物质和反物质,但正反物质相遇后就会立即湮灭,那么,星系、地球乃至人类就都没有机会形成了.

接下来,科学家发现连时间本身也不再具有对称性了!

可能大多数人原本就认为时光是不可倒流的.日常生活中,时间之箭永远只有一个朝向,“逝者如斯”,老人不能变年轻,打碎的花瓶无法复原,过去与未来的界限泾渭分明.不过,在物理学家眼中,时间却一直被视为是可逆转的.比如说一对光子碰撞产生一个电子和一个正电子,而正负电子相遇则同样产生一对光子,这两个过程都符合基本物理学定律,在时间上是对称的.如果用摄像机拍下其中一个过程然后播放,观看者将不能判断录像带是在正向还是逆向播放——从这个意义上说,时间没有了方向.

然而,1998年年末,物理学家们却首次在微观世界中发现了违背时间对称性的事件.欧洲原子能研究中心的科研人员发现,正负K介子在转换过程中存在时间上的不对称性：反K介子转换为K介子的速率要比其逆转过程——即K介子转变为反K介子来得要快.

至此,粒子世界的物理规律的对称性全部破碎了,世界从本质上被证明了是不完美的、有缺陷的.


发现过程

杨振宁、李政道和吴健雄是中国老百姓耳熟能详的名字,他们的事业巅峰和“宇称”紧紧联系在一起.

用科学家的话说,宇称是内禀宇称的简称.它是表征粒子或粒子组成的系统在空间反射下变换性质的物理量.在空间反射变换下,粒子的场量只改变一个相因子,这相因子就称为该粒子的宇称.我们也可以简单地理解为,宇称就是粒子照镜子时,镜子里的影像.以前人们根据物理界公认的对称性认为,宇称一定是守恒的.这就像有正电子,就一定有负电子一样.杨振宁教授1951年与李政道教授合作,并于1956年共同提出“弱相互作用中宇称不守恒”定律.

这个道理其实很简单.对称性反映不同物质形态在运动中的共性,而对称性的破坏才使得它们显示出各自的特性.如同建筑和图案一样,只有对称而没有它的破坏,看上去虽然很规则,但同时显得单调和呆板.只有基本上对称而又不完全对称才构成美的建筑和图案.大自然正是这样的建筑师.当大自然构造像DNA这样的大分子时,总是遵循复制的原则,将分子按照对称的螺旋结构联接在一起,而构成螺旋形结构的空间排列是全同的.但是在复制过程中,对精确对称性的细微的偏离就会在大分子单位的排列次序上产生新的可能性,从而使得那些更便于复制的样式更快地发展,形成了发育的过程.因此,对称性的破坏是事物不断发展进化,变得丰富多彩的原因.

杨振宁和李政道的亲密合作是他们取得巨大成就的基础.杨振宁对此回忆说：我1948年6月获得芝加哥大学哲学博士学位后,在密执安大学度过了那一年的夏天.秋后,我返回芝加哥大学,被聘为物理系的讲师.我一边教课,一边继续做核物理和场论方面的研究.1948年尾,李政道和我合作研究衰变及俘获,发现这些相互作用与衰变具有非常相似的强度.

李政道1946年秋到芝加哥大学当研究生.我俩早些时候在中国或许见过面,然而,只是到了芝加哥才真正彼此相识.我发现他才华出众,刻苦用功.我们相处得颇投机,很快就成了好朋友.我长他几岁,又先他几年当研究生,便尽力帮助他.后来,费米做了他的学位论文导师,但他总是转而向我寻求指导.因此,在芝加哥的岁月里,事实上我倒成了他的物理老师.

1953年,李政道到了哥伦比亚大学.为了继续合作,我们订立了相互访问的制度.我每周抽一天时间去哥伦比亚,他则每周抽一天到普林斯顿或布鲁克海文来.这种例行互访保持了6年.而这段时间我们的兴趣有时在基本粒子理论方面,有时则在统计力学方面.这是一种非常富有成果的合作,比我同其他人的合作更深入广泛.这些年里,我们彼此相互了解得如此之深,以致看来甚至能知道对方在想些什么.但是在气质、感受和趣味等诸方面,我们又很不相同,这些差异对我们的合作有所裨益.我们的交往始于1946年,这种交往是亲密的,它基于相互尊重、相互信任和相互关心.接着,迎来了1957年,以及我们的成功（双双获得诺贝尔奖）.在我同李政道做朋友的16年间,我对他就像一位兄长.这种合作对物理学的贡献良多,人们对此感到艳羡.李政道自己也断言,这种合作对他的事业和成长具有决定性的影响.

谈到杨振宁、李政道和宇称不守恒时,有一位杰出的中国女性是绝对不能忘记的,她就是吴健雄.吴健雄博士在这场美国发生的、被物理学界称之为“‘宇称不守恒'的革命”中,有着重大贡献.

杨振宁和李政道从理论上怀疑宇称律作用于基本粒子弱相互作的正确性后提出,如果在弱交换作用下,奇偶性不守恒,那么一群有向原子核的贝塔射线应呈轴向的不对称分布.两位科学家为了证明他们预言的正确性,找到了吴健雄博士.吴健雄有许多新巧的物理实验技术广泛为其他物理学家所采用,许多物理学家在实验上遭遇到困难,也会寻求她的协助.在杨李提出请求后不久,吴健雄博士就与华盛顿的美国国家标准局的阿贝尔博士商讨合作这一实验的可能性,实际工作在3个月后开始.她在极低温度（绝对零度以上0.01摄氏度）的磁场中,观测钴60衰变为镍60,及电子和反微子的弱交换作用,果然电子及反微子均不遵守宇称守恒原理.

实验成功了,吴博士证明了杨振宁和李政道的理论,推翻了物理学上屹立不移三十年之久的宇称守恒定律.这一发现,使瑞典皇家科学院立即将1957年的诺贝尔物理奖,颁发给杨振宁和李政道两位博士