|
上一篇文章中我详细介绍了物理规律的“对称性”与“守恒量”是有对应关系的，也就是介绍了一个所谓宇宙的终极规律“诺特定理”，这个定理展示了我们世界的对称性和守恒的关系，如果对这个感兴趣可以翻翻上一期的文章，这个定理简单来说就是物理规律在四个“操作”下会保持不变： 1、物理规律在“时间改变”操作下保持不变，对应的就是：能量守恒。简单一句话表达就是一个物理规律比如v=s/t，你今天做实验会得出这个速度公式，明天做实验依然会得出相同的速度公式，物理规律不会因时间改变而改变。 2、物理规律在“空间改变”操作下保持不变，对应的就是：动量守恒。简单一句话表达就是一个物理规律比如F=m*a，你在中国做实验会得出这个牛顿第二定律，你在美国做实验依然会得出这个规律，也就是物理规律不会因为地点改变就改变了。 3、物理规律在“空间旋转”操作下保持不变，对应的就是：角动量守恒。简单一句话表达就是一个物理规律你横着做会得出一个规律，旋转一些角度来做，依然会得出相同的物理规律，物理规律不会因为你旋转了某个角度，物理规律就变了。 4、物理规律在“镜像”操作下保持不变，对应的就是：宇称守恒。简单一句话表达就是物理规律在我们现实世界是这样，镜中的世界也会有相同的物理规律，不会因为做了“镜像”，镜中的物理规律就发生变化。 以上四个规律中难点有两个，第一个难点就是如何区分第2和第3的区别，其实第2和第3都是空间发生了变化，第2是空间的位置发生变化，第3是旋转了下角度而已，空间的位置没变，这两者一定要区分开来。 那么第二个难点就是理解“镜像”操作，什么叫“镜像”，比如你在一面镜子旁边拿着一个苹果，突然你一松手，苹果就会做“自由落体运动”掉落地面，镜中的苹果依然遵循相同的“自由落体运动”，而且你要理解一点，“镜像”操作不具有连续性。 这是什么意思呢，我们看前面三种操作，第一种操作是“空间位置”变化，请问这个位置可不可以慢慢变，当然可以，因为位移量是一点一点连续增加的，你会发现前面三种操作都是可以连续变化的，唯独第四种操作“镜像”不可以。因为一个物体镜中只有一个状态与之对应，所以镜像这个操作不是连续的，直观表达如下图所示。可以看出，只有镜像这个操作，原状态改变状态后，只能有一个状态，其余三种操作改变状态后都是有无数个状态与之对应。 直觉告诉我们，镜中的世界虽然和我们左右相反，但是物理规律肯定和我们的现实世界一模一样的，如果你怀疑镜中世界的物理规律有可能和我们现实世界不一样，你可以做实验来检测，比如你在镜子旁边踢足球，然后看看镜中的世界足球是如何运动的，是否符合牛顿第二定律等等。 不过通过做以上实验其实还不足以说明“镜中世界”和“现实世界”物理规律绝对一致，有没有啥方法可以直接证明呢？这就要谈到我们人类目前发现的“力”，我们目前发现大自然有四种基本作用力：电磁力、引力、强力、弱力。 引力是最直观的，这个不用解释，地球人都知道。 电磁力是啥？其实电磁力是我们日常生活非常普遍的一种力，比如小编正用电脑打字，桌子给予了电脑支持力，不过这个支持力的本质其实还是桌子和电脑底盘接触部位的带电荷产生的“库仑力”，而且像比如摩擦力、压力等等都是电磁力。好了引力和电磁力都是和我们日常生活经常见到的力，也没啥解释的了。下面我来解释下强力和弱力，这两个力属于微观世界的力。强力就是比如质子和中子之间的作用力，弱力就是导致一些放射性元素衰变产生的力。 首先我们要明白一点，在杨振宁当时的物理发展情况下，人们已经把“引力”、“电磁力”、“强力”都进行了刚刚说的四种“操作”（时间变化、空间变换、旋转角度变化、镜像），发现物理规律的确是不会变的，而且针对弱力，也校验了时间变化、空间变换、旋转角度变化这三种操作，发现操作后物理规律依然是不变的，就只剩一个：弱力下做镜像操作，物理规律是否变化。 当时物理学家为啥针对这个事情漠不关心都懒得去证实是否正确呢？因为首先这个事情是发生在微观领域，也就是说需要一定的实验仪器来干，验证宏观物体的宇称是否守恒相对简单点，但是进入了量子力学层面，所有的实验都要对仪器有要求的，而且校验的难度非常大，所以验证这个事情不是所有科学家团队都想去干。 还有一个原因就是惯性思维，大家都觉得守恒和对称的关系，肯定是正确的，前面99%的都校验了的确是没问题的，不可能在弱力下做镜像操作物理规律就变了，这就好比于我们照镜子，我们举起右手的时候，镜中的你肯定是举起的左手对不对？这个印象对我们来说实在太正常了，已经内化为我们直觉，我们内心认为肯定会正确的。因为做这个实验一来费劲、二来觉得没必要，所以几乎当时所有的物理学家都很想当然的认为“弱力”下做镜像操作物理规律肯定也是不变的。 不过杨振宁和李政道不一样，他们极具批判精神，居然敢挑战我们的“守恒”定律，因为一旦弱力下做“镜像操作”如果物理规律不变，那么必然会得出结论“宇称守恒”。杨振宁的研究领域恰好是微观领域，在当时的微观世界有一个实验非常奇怪，那就是著名的“θ-τ介子谜团”。θ和τ这两个微观粒子的电荷、质量、自旋等等物理参数居然完全一致，很明显这两个粒子就是同一个粒子，但是这两个粒子的衰变产物却不同，θ粒子衰变后会产生2个π介子，τ粒子衰变后会产生3个π介子，本来同一个粒子有两种或者以上的衰变产物这并不稀奇，但是令人头疼的是这两个衰变的产物的宇称是不一样的，说明这两个粒子又不是同一个粒子。那到底这两个粒子是不是同一个粒子，就成为了一个谜团。 这个谜团最终还是杨振宁和李政道解决了，如何解决了，只需认为在“弱力”下做镜像操作，物理规律会发生变化即可，也就是弱力作用下是宇称不守恒的，那么这样一来θ和τ其实就是同一个粒子，而衰变宇称为啥不一样，因为宇称本来在弱力下就是不守恒的。 表面上看杨李二人只是放弃了一个“守恒定律”从而解释了这个现象。但是你要知道，当时“守恒定律”在几乎所有物理学家眼中都是铁一样的定律，如果遇到一个现象无法解释，一般物理学家不会去放弃守“恒定律”，比如这个θ-τ介子谜团，一般物理学家会这样解释：之所以衰变后的宇称不一样，是因为这两个粒子衰变后产生了一种新的产物，这种新的产物还没被我们发现，所以导致我们统计衰变后的产物有残缺，自然统计出来的宇称就不守恒了（因为当时中子是如何发现的？就是发现某个物质衰变后统计产物发现能量居然不守恒了，当时有人也提出也许这种情况下能量就是不守恒的，但是泡利坚持认为并非能量不守恒，而是衰变的产物没统计完，最后果然发现了“中子”）。 所以在前有“直觉”帮忙忽悠，后有“中子发现历史”的情况下，杨李二人还能摒弃一切思维惯性和直觉，坚持自己的观点并联合有“东方居里夫人之称”的“吴健雄”女士来一起做实验验证，实在是难能可贵。当实验证明“弱力作用下宇称的确不守恒”时，整个物理学界震惊了，这个震惊程度一点不亚于当年“爱因斯坦说时间和空间是相对的”带来的震惊。 这就好比于说在微观世界里面，你站在一面镜子面前举起了左手，镜子里面的你居然也举起了左手，这想象都令人不寒而栗。所以大家可以体会到杨李二人为啥能获得诺贝尔物理学奖了吧，而且是发表这个成果的当年就获得诺贝尔奖的，这个获奖速度可以说是史无前例了，因为这个成果的发现含金量太高。 这个成果让人类第一次认识的我们的宇宙竟然不是“严格对称”的，一度让人类大失所望。这相当于是你是一个古玩爱好者，你得了一个上等古玩特别开心，但是某一天你却发现，这个古玩上面有点点瑕疵，让这个古玩变得“不完美”了。这里的古玩就是我们人类的“守恒定律”，因为如果世界上的四种力都是“能量守恒”“动量守恒”“角动量守恒”和“宇称守恒”，这是多么完美的定律，因为每种守恒都对应了一种“对称”，这是上一篇专门提到的“诺特定律”，如果都守恒，那就证明这个世界一切都是对称的，这是一个很完美的结论，可惜杨李二人却发现了这个“古玩”上的瑕疵，让这个世界不完美了。 事情到此就结束了吗？不，还没有，因为发现这个“古玩”有瑕疵，事情才刚刚开始，后面陆陆续续科学家发现，微观世界的对称性越来越遭到破坏，粒子和反粒子的行为也不是完全一致的，所以很多科学家都提出一个猜想：宇宙大爆炸之初，就是因为这个轻微的“宇称不守恒”，导致了“物质”比“反物质”多一些，也就是说如果我们的宇宙是完美的对称，那么“物质”数量和“反物质”数量是相等的，正是由于“宇称”在弱力下不守恒，导致物质比反物质多一些，从而造就了我们现在的各种星系和天体。如果物质和反物质一样多就悲剧了，因为两个一相撞就会湮灭。 发展到后面，科学家发现这个“宇称不守恒”又带来了一个更令人匪夷所思的事情，时间居然也不是完全对称的，因为一对光子如果产生撞击会产生一个正电子和负电子，而一个正电子和负电子结合起来又会产生一个光子，也就是说整个反应过程是可逆的，可逆本身并不稀奇，但是稀奇的地方在于“正过程”和“逆过程”你居然无法区分时间的方向，什么意思呢，如果一个人从台阶跳下来，你把整个过程录制成视频，先正放这个片（命名为A片），再倒放这个片（命名为B片），然后你把A和B拿个一个人看，问他到底哪个片时间是正向流动，哪个片时间是倒向流动，这个人应该能一下子就识别出来。但是刚刚的“光子产生两个电子，两个电子又合并成一个光子”这个实验，如果拿一个高速摄像机去对两个过程录像然后产生A和B两个片，你会发现“正过程”如果发生时间倒流，居然和逆过程是一模一样的，也就是说时间的方向已经没有意义了。 正是由于杨李二人打开了微观世界“不对称”的缺口，让我们的这个世界变得“不完美”，从而让我们认识到了原来我们的客观世界还有太多的奥秘等待我们去探索，人类对这个宇宙的探索还远远不够。 |
|
|
来自： taotao_2016 > 《物理》
