上帝是个左撇子?

作者: 张天蓉

来源: 科学网张天蓉博客

发布日期: 2015-12-21 10:29:02

本文探讨了物理世界中的对称与不对称现象,特别是宇称不守恒的问题,详细介绍了李政道和杨振宁在1956年提出的宇称不守恒理论及其历史背景和实验验证过程。

我们周围的世界显得如此地变幻无穷丰富多姿,是因为对称中还有不对称。物理世界也是如此,科学奖项颁发给发现对称的人,也颁发给发现不对称的人。至少有7位学者,因为研究“不对称”而获得了诺贝尔物理奖。这其中,我们熟知的华人学者李政道和杨振宁捷足先登。

返回头来看历史,李政道和杨振宁1956年所提出的“宇称不守恒”应该是早在1928年就在R. T. Cox等人的实验中被观察到了,但当时未引起人们的注意,因为谁也没想到会有宇称不守恒的情形出现。“宇称”是量子物理中的专业名词,它与公众熟知的“镜像对称”有关。每个人都有照镜子的经验,在镜子中,你的左手变成了右手,右手变成左手。因此,对一个具体实物而言,镜像对称就是左右对称。

如果用数学的语言描述的话,镜中所成之像对原像而言,是将三维空间中的一个坐标轴(图中的x)的方向反过来(x’=-x)的变换,或称之为反射变换。因此,照镜子就是进行了一个反射变换。对二维图案来说,比如字母“A”,镜像对称的意思是说它在左右反射变换下保持其形状不变。但如果考虑三维物体的镜像反射变换,除了“左右”变换之外,还有一个重要的变换特征:手征性。

也就是如图15-1b所示的,原像中右旋的螺丝钉,其镜像变成了左旋的螺丝钉。手征性也可以用三维空间笛卡尔坐标系三个坐标轴的相对方向来表示,如图中所示,镜像反射使右手坐标系变成了左手坐标系。右手坐标系是我们常用的坐标系统,就像日常生活中常见的螺丝钉,大多数都是右旋的。在图15-1b所示的右手坐标系中,如果将右手四个手指从x轴向y轴旋转弯曲,大拇指的指向正好就是z轴的方向。

右旋螺钉也有类似的性质,当我们顺着右手四个手指方向,即顺时针方向,旋转右旋螺钉时,螺钉向着拇指所指的方向移动,这叫做右手法则。左手坐标系(或左旋螺钉)的性质则不一样,上面的说法需要反过来,将“右手法则”换成“左手法则”。物理中与宇称相关的反射变换,便可以定义为将右手坐标系变成左手坐标系的变换。

在三维空间中实现反射变换的方法是将空间的奇数个坐标(一个或者三个)反向,为方便起见,我们仅考虑三个空间坐标轴(x,y,z)同时反向的情况,或称“空间反演”。根据诺特定理,每一种连续对称变换都将对应一个守恒量。诺特定理也能推广到离散对称群的情况,空间反演所对应的守恒量即为“宇称”。

粒子物理学中,根据每种粒子的波函数的空间反演变换性质,可以赋予它一个内禀的宇称量子数:偶宇称(表示为1)对应于空间反演下不变的波函数,奇宇称(-1)对应于空间反演下符号改变的波函数。多个粒子系统总的宇称,等于其组成粒子宇称之乘积。如果系统总宇称在反应过程前后保持不变,则谓宇称守恒,反之则为宇称不守恒。

因而,实验上可以从两个方面来检验宇称守恒与否,一是直接从反应前后总宇称的变化,另一个方法则是从对称性考虑,检验在空间反演变换下,物理规律是否不变。

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