【俗说量子】什么是宇称不守恒？（文字版）

12345csdms 2022-08-02 发布于湖南

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原创 Linvo Linvo说宇宙发表于湖南

- 文字版 -上回说到，杨振宁和米尔斯通过构造非阿贝尔规范场模型，建立了奠基粒子物理的统一框架——杨-米尔斯规范场。但是由于当时的条件不成熟，这一理论的重要性在很长一段时间都没有被发觉。虽然杨振宁最终也没能靠杨-米尔斯理论拿到诺奖，但是此后他却凭借另一项举世瞩目的发现光速拿奖，那就是“宇称不守恒”。

杨振宁被授予诺贝尔物理学奖

说到宇称不守恒，很多人是既熟悉又陌生。说熟悉，因为这个词我们经常听到，知道它是杨振宁和李政道的一个诺奖级，甚至可以说是超越诺奖级的发现；但是这个宇称不守恒到底是什么意思，很多人就不清楚了。也就是网上经常说的：字都认识，连起来看就看不懂了。好，那我们就先来解释下相关概念。和能量、电荷一样，宇称它其实也是一个物理量，它代表了空间反射对称性，就是通常我们说的镜像对称。

空间反射对称性（镜像对称）

不过对称性并不是宇称特有的，很多物理量都有与之对应的对称性，而且这些物理量都还遵循着特定的守恒定律，这就涉及理论物理中的一个核心结论——诺特定理。诺特定理说的是：在一个物理系统中，如果该系统具有某种对称性，那么系统中一定存在一个与之对应的物理守恒量。比如说，如果一个系统具有空间平移对称性，那么系统中的力学属性不会受位置因素影响，也就是不同位置的动量守恒。而如果一个系统具有时间平移对称性，那么该系统中的时间不同也不影响系统的力学属性，它对应的就是不同时间的能量守恒。作为现代理论物理的核心，诺特定理因为在数学上有着严格的证明，所以物理上就可以通过它来寻找守恒量。如果我们发现在某个物理系统中存在一种新的对称性，那么意味着这里面也存在着一种新的守恒量。比如空间旋转对称性对应着角动量守恒、粒子相位角旋转对称性对应着电荷守恒，此外还有像是重子数守恒、轻子数守恒、同位旋守恒等等，宇称守恒就是其中之一。宇称的意思前面我们说过，它是一种空间上的镜像对称，实验上表现为“左”和“右”的区别，所以这个物理量只有﹢1和﹣1两个值。比如如果我们做两个互为镜像的实验，按理来说两个实验的结果也应该是镜像的，就像是对着镜子只做了一个实验一样，这就是宇称守恒。在1956年以前，物理学界对于宇称守恒，那简直是像大自然的铁律一般，毋庸置疑。但是杨振宁和李政道在整理先前的研究工作时发现，宇称守恒在引力、电磁力和强力方面都有实验验证，唯独在弱相互作用中没有找到类似的实验证据。如果仅就这个，那还不足以得出“弱相互作用下宇称不守恒”这个结论，毕竟可能实验只是暂时没人去做而已。那么什么促使了杨振宁和李政道他们对宇称守恒提出质疑了呢？那就是当时物理界的一个谜团——θ-τ之谜。上次说过，通过大型粒子加速器，当时的物理学家撞出了一堆稀奇古怪的粒子，其中θ粒子和τ粒子尤为怪异。首先，这俩种粒子的质量、电荷和自旋属性都一模一样，所以它俩明显是同一种粒子。可是作为同一种粒子，它们的衰变结果却不一样：θ衰变会产生2个π介子，而τ衰变会产生3个π介子，这么看来它们应该又是不同的粒子。对于这种矛盾的情况，物理学家们完全是一头雾水。

θ-τ之谜

后来发现，θ衰变产生偶数个π介子，总宇称是正的；而τ衰变产生了奇数个π介子，它的总宇称是负的，两种粒子的宇称值不一样。那这不是都已经怀疑到宇称头上了吗，怎么还找不到问题原因呢？首先，对于宇称守恒这个“铁律”，当时没有任何人敢去怀疑。而且越是像泡利、费曼这些物理学权威，他们的信念越是坚定。其次，对于导致粒子衰变的弱力来说，它和强力一样属于原子核级别的力，因此人们总是习惯把这俩搁一块儿处理，这就会导致一个问题：如果弱力的宇称不守恒，人们自然会想当然地认为强力也会不守恒，但是这又与已有的实验相冲突。杨振宁和李政道正是因为意识到这个问题，他们想：或许我们应该把强力和弱力分开来看，毕竟它们一个是把原子核聚集起来，一个是把原子核拆开。所以他们猜想：如果宇称在弱相互作用中不守恒的话，那么对于同一种粒子拥有着不同的衰变结果，那就不足为奇了。

李政道和杨振宁当时物理实验中最常见的衰变是β衰变，于是杨李二人翻遍了过去所有和β衰变有关的实验，结果无一例外，这些实验都没有涉及到宇称是否守恒这一问题。也就是说，以前那些人做的所有实验，不管宇称守不守恒，都不会影响最终的实验结果。这时他们才意识到，原来弱相互作用下的宇称守恒一直是人们的想当然。

杨振宁和李政道

话虽如此，可是一旦想到要颠覆宇称守恒这一“铁律”，他们内心仍然感到十分不安。但是就像福尔摩斯里的那句话：“排除了一切的不可能，剩下的不管多么难以置信，那也是真相。”于是杨振宁和李政道重新设计了能够检验弱相互作用下宇称是否守恒的具体实验，并在1956年把论文发表在了《物理评论》上。

杨振宁和李政道合著的论文《弱相互作用中的宇称守恒问题》

面对这样一篇“大逆不道”的论文，几乎所有的物理学家都认为：这个实验完全没必要去做。即使有个别人也对宇称守恒产生了怀疑，但都没有继续深究下去。因为他们要么是没有把强相互作用刨除，要么是得不到上面的批准和实验室的支持。而这恰好给杨李二人带来了机遇，他们立马找到了被誉为“东方居里夫人”的吴健雄。听了杨振宁和李政道的想法，吴健雄当即表示全力支持，并随即取消了接下来的一系列行程安排。

吴健雄

这个实验没人做其实还有另外一个原因，就是难度大。你想啊，要观察原子核衰变时释放出的电子方向，你得先让那些杂乱无章的粒子安静下来吧。所以吴健雄通过把原子核冷却到0.01K，成功制备了两组具有稳定自旋方向的原子核。为什么是两组？前面我们说了，宇称守恒就是说如果做两个互为镜像的实验，这两个实验的结果也应该是镜像对称的。吴健雄他们就是要比较这两组自旋方向相反的原子核，它们衰变释放出的电子方向是否是镜像对称。如果两组电子释放的方向一致（比如都是向上），那么说明宇称是守恒的；反之，如果两组电子释放方向不一致（一个朝上一个朝下），那么则说明宇称是不守恒的。

吴健雄关于宇称不守恒的实验原理

实验结果是：两组原子核释放电子的方向确实不一致！β衰变确实违反了宇称守恒。

宇称守恒下的镜像粒子（左）& 实验结果（右）

不过实验结果还需要进一步复核，此时吴健雄一边继续复核实验，一边将实验的初步结果告知了杨李二人。之后李政道将这一结果透露给了哥伦比亚的同事，随后他们马上修改了现有的实验，并验证了类似的违反宇称守恒的现象。不过鉴于吴健雄的实验结果还未最终公布，他们推迟了自己实验结果的发表。最后，两个实验小组的两篇论文，同时出现在了同一个物理期刊上。对于这样的实验结果起初大家并不相信，觉得一定是哪里搞错了。泡利甚至还自信地说到：“我不相信上帝是个左撇子，我愿意拿一大笔钱打赌，最终结果一定是对称的！”之后，随着其他实验室结果陆续出来，弱相互作用下宇称不守恒这件事终于被大家承认。就这样，当年的诺贝尔物理学奖毫不意外地颁给了最先提出该想法的杨振宁和李政道，同时他们也创下了诺奖史上最快的获奖记录：上一年发文，第二年就得奖。可惜的是，吴健雄最后并未因此获奖。