守恒律是物理学中最重要的定律。学过
高中物理教本的人都知道很多守恒律,如
物质守恒、
能量守恒、
电荷守恒等等。在物理学中还有一条守恒律,叫做
宇称守恒律。那么,什么是
宇称守恒律呢?
所谓的
宇称守恒就是指物理规律在空间
反演(如镜象)下完全不变,我们可以举一个例子,如图:左边的钟是右边的钟的镜象,右边的钟以
顺时针方向旋转,左边的钟则以逆时针方向旋转,但两个钟的快慢却是一致的。这就是说,物理规律是左右对称的,这就是
宇称守恒定律。
宇称守恒定律于
1926年被发现后,一直被视为神圣不可动摇的定律,然而这一
金科玉律却被1953年出现的“θ—τ之谜”所打破。为了弄清什么是“θ—τ之谜”,我们先得说明一下。按照现在物理学理论,每个
基本粒子都有确定的
宇称,或奇或偶。
宇称守恒定律要求在
基本粒子相互作用过程中,反应粒子的
宇称与生成粒子的
宇称必须具有相同的
奇偶必性,然而“θ—τ之谜”却违背了这一定律。
1953年,美国的达里兹和法布里发现,在
弱相互作用衰变时,似乎有两种不同类型的K
介子。一种叫θ
介子,它衰变为两个
π介子,由于
π介子具有奇宇称,因而θ
介子应具有偶宇称;另一种被称作τ介子的K介子则衰变为三个
π介子,因而τ介子宇称为奇。然而精密的测量表明,θ介子和τ介子具有相同的质量、电荷和寿命,似乎应为同一种粒子,但如果θ介子和τ介子是同一种粒子,则必须破坏宇称守恒,这在当时是不可想象的。物理学家被这恼人的“θ—τ之谜”弄得狼狈不堪。
1956年,这一“θ—τ之谜”被两位年轻的著名物理学家
李政道和杨振宁解破。他们两人在检查了所有的粒子
反演过程后指出,迄今为止在涉及
强相互作用的粒子
反演过程中,宇称是守恒的,但在
弱相互作用中,宇称守恒定律从来没有得到检验过。于是两人大胆地断言,
弱相互作用中
宇称不守恒,θ和τ属于同一介子。这一结论震惊了物理学界,许多人表示不相信。大物理学家
泡利断言:“
我不相信上帝是一个软弱的
左撇子,我已经准备好下一笔大赌注,我敢打赌实验将获得对称的结论。”不知
泡利是否真的打了赌没有,如果他打赌的话,则注定是要失败的,因为另一位著名物理学
吴健雄以无可争辩的实验事实证明了弱相互作用中
宇称不守恒的结论。
为什么宇称守恒会在弱相互作用中遭到破坏呢?难道说上帝本质上是个软弱的
左撇子而当他想强烈地表现自己时,却又
装模作样地变得
不偏不倚了吗?这一问题使物理学家大伤脑筋,不久,更令他们头痛的事发生了:时间也不再具有
对称性了。
宇称不守恒发现后,人们证明了一条CPT反演联合守恒的定律。这里C指电荷,P指宇称,T指时间,人们相信,尽管P反演不守恒,但时间T反演还是守恒的,因而CP联合反演也是守恒的。然而美国的菲奇和克罗宁等人于1963年在中性长寿命K’衰变中失去了记忆,更使物理学家惊奇的是,T反演不守恒仅在K’衰变事例中找得到,而且不守恒量 仅仅只有千分之一的
数量级。如何解释上述现象,物理学家至今还没有得到答案
参考资料: http://wenwen.soso.com/z/q169441019.htm
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