说起宇称,不少人知道它与左右对称有关,但到底什么是宇称?大多数人不清楚。至于李政道(Tsung Dao Lee,1926-2024)与杨振宁(Chen Ning Yang,1922-)提出的“弱作用中的宇称不守恒”背后的奥秘,一般人更是觉得云里雾里不明所以。既然它与左右对称有关,那我们就从左与右入手来理解吧。你想过没有,左和右是什么?
你可能会说:“左手边的是左,右手边的是右”,但这显然陷入了循环逻辑的错误——你得先说清楚左手和右手是怎么定义的。所以,到底什么是左和右?有人想到了:“人的心脏不在人体中线,偏向一方,相对人的正面来说,这一方就是左,反方就是右!” 但问题是,如果这样算是对左和右约定的话,只能适用于地球范围,如果人类要与外星人通讯,左和右这件事无法说清。
之所以出现这样的难题,是因为左和右本质上镜像对称的两边,而镜像两边是对等的。换言之,左和右无法被绝对地定义和区分。正是因为左与右的不可区分性,人们相信,镜像对称的事物必然具有相同的“命运”——过程一样,结果也一样,即对称。那还有没有其他的不可区分性,导致其他类型的对称?它们的一般规律又是什么呢?这些问题涉及对称性、不可观测量及守恒量等基础概念。首先,什么是对称性?
若物理体系、现象或规律,经过某种变换(平移、转动等)操作之后,与原来没有区别,这就是对称性。既然两边的汽车运动效果一样,镜(左)像(右)无法区分,即不可观测量。在不同时刻,当你检验牛顿第二定律,结果是一样的,都是 ,这说明物理规律具有时间平移对称性。不同时刻不会有区别,所以绝对时间是不可观测量。那么,什么是守恒量呢?下面根据空间平移对称性来讲一讲。
相互作用的粒子A和B,无论它们在空间中什么位置,只要保持他们的相对位置不变,它们之间的相互作用就不变。所以,空间平移对称性会导致动量守恒,换句话说,动量是空间平移对称性的守恒量。你应该听说能量守恒和角动量守恒,那么,它们是不是也分别是某种对称性对应的守恒量呢?是的,能量是时间平移对称性的守恒量,而角动量是空间转动对称性的守恒量。
数学上有一个著名的定理,叫诺特定理,是由德国的女数学家艾米·诺特(Emmy Noether,1882-1935)提出的。针对连续变换下的对称性,该定理给出了严格的证明——对称性导致相应的守恒量。根据诺特定理,可以严格的证明能量守恒定律、动量守恒定律和角动量守恒定律。但上面讲到的镜面反演和时间反演,其变换都不是连续的,所以这些对称性的守恒量不能根据诺特定理来得到。
那么,镜面反演对称背后的守恒量是什么呢?是的,它就是宇称!虽然到这里还没给出宇称的定义,但根据前文所讲,你应该知道——宇称守恒,意味着无法定义绝对的左右;而相反,宇称不守恒,意味着左右可以定义了。换句话说,李政道和杨振宁的发现给出了定义绝对的左和右的依据!现在的问题是,镜面反演只有一个坐标值反号,而空间反演三个坐标都反号,这两种操作之间是什么关系呢?
一种常见的解释是,空间反演与镜面反演和空间旋转的联合等效,而空间旋转下宇称守恒,所以讨论宇称时,镜面反演与空间反演等效。到此,你应该明白了,为什么1956年以前,人们相信宇称守恒?因为所有人都相信,左右不可区分,镜像完美对称,这是多么无容置疑的结论!然而,1956年,两位中国人的发现,粉碎了这一普遍认知。人类开始认识到:左右并非完美对称,它俩是不同的,是可区分的!
这个伟大发现,源于当时一个令人困惑的粒子物理问题。两位年轻的中国物理学家大胆的提出了另一种可能,θ和τ也许就是同一种粒子,只不过在弱作用衰变过程中,宇称不守恒!李-杨二人提出了两种可行的实验方案,1956年,美国华裔物理学家吴建雄(Chien-shiung Wu,1912-1997)根据其中一个方案,领导研究小组完成了实验,他们测量了钴-60的放射性反应 中的产物β射线(即电子流)集中的出射方向。
实验发现,β射线集中向上出射。实验发现,β射线集中出射的方向居然是向下的!!!这使得李-杨二人的“弱相互作用中宇称不守恒”观点得以验证,李政道和杨振宁作为中国人,获得1957年度诺贝尔物理学奖。之后,陆续有很多实验证实弱作用破坏宇称守恒。例如,美国物理学家里查德·加文(Richard Garwin,1928-)证实,π介子的衰变也破坏宇称守恒。
虽然四大基本相互作用中,强相互作用、电磁相互作用和引力相互作用都满足宇称守恒,但谁又能知道,弱作用对宇称守恒的破坏是否会对宏观世界产生某种微妙的累积效应呢?李政道(1926-2024) 美国当地时间2024年8月4日凌晨,本文的主角之一的李政道先生驾鹤西去。在此,对李先生表示深切缅怀,我们永远怀念这位伟大的物理学家。