宇称不守恒,这是一个让许多中国人既熟悉又陌生的词语!熟悉,是因为这是全球华人的第一个诺贝尔奖,我们的教科书和媒体会经常提到这个也是很自然的事情;陌生,是因为大多人除了知道杨振宁和李政道发现了它以外,完全不知道这个宇称不守恒到底在说啥。
宇称不守恒,确实是指一种对称性,要想理解宇称不守恒为什么这么重要,就要先理解为什么对称性这么重要。对称性到底有多重要?这么说吧,如果没有对称性作指导,爱因斯坦不可能发现相对论,当代的理论物理学家们会像失去了灯塔一样集体在黑暗里抓瞎。
什么是对称?一提到对称,许多人脑海里会浮现类似天安门这种严格左右对称的建筑,或者六个瓣的雪花,镜子里帅帅的自己,亦或者是纯粹的圆形、正方形、正六边形这样的几何图形。对称性的精确数学定义涉及到不变性的概念:如果一个几何图形在某些操作下保持不变,我们就说这个图形在这些操作之下具有某种不变性。
物理定律的对称要理解物理定律的对称性,我们就要把脑袋里几何图形对称的那个图景忘掉,回到对称更一般的数学定义上来。我们把上面的几何图形换成物理定律,就可以很自然的得到一个物理定律是否对称的判断标准:如果一个物理定律在某些操作下保持不变,我们就说这个物理定律在这些操作下具有某种不变性。
诺特定理物理学家研究对称性绝不是图好玩,是因为对称性里蕴含了巨大的能量。要充分理解对称性的威力,我们必须先了解一个核弹级别的定理:诺特定理。诺特定理的表述非常简单,就一句话,但是内容非常深刻,它说:物理学里的连续对称性和守恒定律一一对应。
宇称不变性做了这么多铺垫,我们文章的主角——宇称,也该出场了。没错,跟镜像反射对称,也就是左右对称相对应的这个守恒量,就是宇称。宇称也跟物体的质量、电荷一样,是描述基本粒子性质的一个物理量。
从宇称守恒到宇称不守恒宇称,也就是镜面反射对称,在我们日常生活里实在是太常见太熟悉了。镜子里的世界跟镜子外的世界比也就是左右互换了一下,镜子外顺时针旋转的东西在镜子里面在逆时针旋转而已。我们的直觉告诉我们上帝应该是公平的,他没有任何理由偏爱左边或者右边,相对论的成功更是极大地加深了这种思想。
弱相互作用我们在自然界发现的所有作用力最终都可以归结为这四种:引力、电磁力、强力、弱力。引力和电磁力我们很熟悉,强力和弱力都发生在原子核里面,我们平常接触不到。
θ-τ之谜在20世纪四五十年代,科学家们在宇宙射线里探测到了许多新的粒子,这些粒子并没有在理论中被预言,因此被称为“奇异粒子”。由于宇宙射线有许多人为不可控的因素,为了更好的研究,人们开始自己制造粒子加速器。
弱相互作用下的宇称不守恒在前面我们就提到了,基本相互作用力里的强力和弱力都是在原子核发生的,因此,这两种力很容易搅和在一起。有些物理学家即便感觉宇称可能不守恒,但是一旦他们认为宇称在强力和弱力下都不守恒,接下来肯定会碰到满头包。
实验女王吴健雄当时想请一位实验物理学家来做验证宇称是否守恒的时候可不是那么简单的事,实验物理学家考虑的是:是否值得去做一个实验来验证宇称是否守恒?杨振宁和李政道虽然提出了几个具体的实验方案,但是这些实验都非常困难,并且,当时物理学家的眼里,宇称守恒是绝对可靠的,做这样的实验几乎就等于白费精力。
宇称不守恒的影响诺贝尔奖只是宇称不守恒一个很小的注脚。杨振宁和李政道在1956年10月发表了《对于弱相互作用中宇称守恒的质疑》的论文,吴健雄随后给了实验验证,诺组委立马把1957年的诺贝尔奖颁给了35岁的杨振宁和31岁的李政道。
原标题:深度:宇称不守恒到底说了啥?杨振宁和李政道的发现究竟有多大意义?