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1956年之前，物理世界的天空本来一片湛蓝，所有人都以为这个世界是以简单、清晰的的理论所支配，无数物理学家为了这个梦想而努力一生。但是那年飘来了一躲诡异的乌云，彻底摧毁了所有物理学家对世界的完美幻想。 那朵乌云就是——宇称不守恒。  宇称不守恒定律是由当时的两位美籍华人（李政道、杨振宁）提出，由另一位美籍华人（吴健雄）设计实验证实的，不得不说这是个伟大的发现。  年轻时的杨振宁、李政道、吴健雄 这个理论提出经实验证实才不足一年时间，提出此理论的两位美籍华人便获得了诺贝尔奖。由此可以想象，它对于物理学领域的影响到底有多大！毫不夸张地说，它彻底改变了我们对世界的认识与理解 那“宇称”到底是个什么东西呢？ 这个概念最早由物理学家魏格纳在1927年，英文叫做“Parity”，有“对等”之意，魏格纳希望这个物理量表示空间反演的运算。从中文的角度讲，“宇”本意就为空间，所以“宇称”就是空间对称。 物理学中每一个守恒律对对应着一个对称律。能量守恒对应时间平移不变性，动量守恒对应空间平移不变性，角动量守恒对应旋转不变性，宇称守恒则代表空间反射。  用一个描述物体的数学公式的例子。如果一个点的坐标为A，则经过空间反演变换之后，它的坐标变成-A。这种空间反射变换就好像一面镜子，变换之后得到的是自己的镜像，它们除了位置信息不一样，其它的也应该是一模一样的，都应该遵守同样的物理定律，这就是宇称守恒！  坐标变换 所以在1926年，物理学家提出了宇称守恒定律，并且将其进一步推进到微观世界。在微观世界，“宇称守恒”就是指一个基本粒子与它的“镜像”粒子完全对称。就和人照镜子一样，一个基本粒子与它的“镜像”粒子的所有性质也完全相同，除了自旋方向外，它们的运动规律也完全一致，具有完全相同的性质。 当物理研究进入到微观世界后，物理学家发现四大基本相互作用力里，电磁力、引力、强力的物理规律都具有宇称不变性，由它们支配的过程都宇称守恒。 所以，物理学家们也想当然的认为弱力也宇称守恒。 自这一概念提出后，宇称守恒规则迅速在物理共同体中形成了稳定的定势。这一规则使得人们普遍想象，在微观世界，对所有相互作用过程的宇称都是守恒的。 但是，事物的发展往往不循人愿，粒子物理学界飘来了一朵乌云——介子衰变中的“θ - τ疑难” “θ - τ疑难”源于对这两种介子衰变过程的研究。 如果对这两种介子的衰变从衰变方式、质量、平均寿命以及在K介子中所占衰变的百分比进行研究 , 可以得出这两种介子就是同一种，只是衰变方式不一样。  但是，根据对它们宇称数的计算，它们的宇称数又是完全相反，又表明它们不是同一种粒子。 由此“θ - τ疑难”诞生。 杨振宁和李政道于1956年初就对“θ - τ疑难”有了清楚的认识，他们调查和研究当时所有关于“宇称守恒”的研究资料，发现在电磁力和强相互作用力中的宇称守恒有很精确的实验证据作为支持，可关于弱相互作用力下的宇称守恒却是任何证据支持。 他们对已有的关于宇称破缺的数据重新进行了全面计算 。 起初 ,李政道和杨振宁同别的物理学家一样 ,企图在已有的守恒理论框架内解决疑难。为此 ,他们提出了几个换救性假说 ,但都被实验证明不存在。 通过全面的调查和研究，他们认识到 ,也许 ,只有到旧的理论框架之外才能找到解决疑难的办法显然，提出这样的想法是需要胆魄的。 于是 ,李政道和杨振宁大胆地提出了 “相互作用中宇称不守恒“假说 ,并建议可用 “极化核的β衰变“ “Λ—＞μ—＞e 的序列衰变“等实验行检验。 正如他们在《弱相互作用中宇称守恒问题》一文中所说 “明确地判断弱相互作用中宇称是否守恒 ,我们必须通过实验去确定弱相互作用是否有左和右的差别” 我们可以先假设一个定向的或极化的核存在,它的自旋向上。 假设来自这种核的β衰变的电子运动方向与核自旋的方向相反 ,那么电子的动量向下 。如果我们执行一维反演 ,就可以得到 ,核自旋的镜像方向与电子的动量方向相同 。 我们可以用下图进行形象化描述。  吴健雄和她的同事完成了由李政道和杨振宁建议的第一个实验 一一极化核的β衰变。 实验的基本思想是：“一种相对简单的可能 ,是测定来自极化核的β衰变的电子的角度分布。 假设θ是电子的动量与定向母核之间的夹角 ,电子θ与 180 °- θ之间分布的不对称显是β衰变中宇称不守恒的明确证如图所示 ，如果左右对称有效 ，那么真实世界的 A 点与镜像中的 B 点测得的电子数应一样多，B 点对于核自旋的方位相当于真实世界中的 A'点。 所以 ,若对称成立，A 点与 A '点测得的电子数也一样多，而B点（或A'点）又相当于 A 点对其反向磁场方向 ，所以 ，只需在 A 点测两次即可。（当然，这里说的镜像粒子，不是真的观察镜子中的粒子的行为，而是将与粒子做镜像变换，使得该粒子与“真实世界中的粒子”成为镜像对称）  实验数据出来后，吴健雄及同事发现 , 出射角大于 90°的电子比小于 90 °的电子多 40 % ，从而有力地证明了李政道和杨振宁的预测。  当吴健雄的论文发表之后，第二天《纽约时报》就以头版报道了吴健雄实验的结果。 这三位美籍华人的发现彻底震惊了整个物理学界。 那么，宇称不守恒到底有什么实际意义呢？ 相信大家都听说过宇宙大爆炸理论。  宇宙由一个奇点发生爆炸，然后短时间内迅速扩张膨胀，并且诞生了许多物质，其中包含了“正物质”和“反物质”，正反物质如果相互碰撞就会湮灭成虚无。那么，如果在世界诞生之初，由于所有一切完美对称，产生的正反物质数量将会一样多，那这个世界可能就在正反物质的碰撞中湮灭。 可能正是由于弱力下的宇称不守恒，产生的正物质稍多于反物质，这个世界在得以存在。 无数物理学家奉献其一生，所追求的也不过是世界基本运行的规律，对于恒定量的寻找，一旦找到永恒不变的常数或者定律，那对于这个世界的认知将更加清晰。 对称代表着完美、简洁，代表世界基本规律的简单与稳定。可或许因为存在不对称，这个世界才充满了更多可能。 文中图片来源网络，如有侵权请联系作者删除。 |
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