楊振寧和李政道發(fā)現(xiàn)的宇稱不守恒定律究竟是什么？

鏡像世界不再完美，科學(xué)認(rèn)知從此顛覆。

在1956年之前，物理學(xué)家堅(jiān)信自然定律是左右對(duì)稱的，就像照鏡子一樣，鏡子里的世界應(yīng)該和現(xiàn)實(shí)世界遵循相同的物理規(guī)律。然而，這項(xiàng)被稱為"宇稱守恒"的基本原理，卻被兩位中國物理學(xué)家李政道和楊振寧提出的理論所打破，他們的工作徹底改變了人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)。

什么是宇稱守恒？

要理解宇稱不守恒，我們首先需要了解什么是"宇稱"。在物理學(xué)中，宇稱是描述粒子在空間反射（鏡像變換）下變換性質(zhì)的物理量。通俗地說，就是描述鏡子內(nèi)的世界是否與現(xiàn)實(shí)世界遵循相同物理規(guī)律的概念。

在1956年之前，科學(xué)界普遍認(rèn)為宇稱是守恒的，也就是說，一個(gè)粒子的鏡像與其本身性質(zhì)完全相同。這就像我們照鏡子，鏡中的影像雖然左右顛倒，但其他所有屬性都與現(xiàn)實(shí)中的我們一致。

這一信念源于物理學(xué)家在強(qiáng)力、電磁力和萬有引力中的反復(fù)驗(yàn)證——在這些相互作用中，宇稱確實(shí)守恒。物理學(xué)家們將這一原理推廣到了所有物理過程中，認(rèn)為它放之四海而皆準(zhǔn)。

θ-τ之謎：宇稱不守恒的導(dǎo)火索

宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)，源于一個(gè)讓物理學(xué)家困惑已久的難題——"θ-τ之謎"。

20世紀(jì)50年代中期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)θ和τ兩種介子的自旋、質(zhì)量、壽命、電荷等性質(zhì)完全相同，多數(shù)人認(rèn)為它們是同一種粒子。但令人困惑的是，θ介子衰變時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)π介子，而τ介子衰變時(shí)產(chǎn)生三個(gè)π介子。根據(jù)當(dāng)時(shí)的宇稱守恒理論，奇數(shù)個(gè)π介子的總宇稱是負(fù)的，而偶數(shù)個(gè)π介子的總宇稱是正的，這意味著θ和τ似乎是不同的粒子。

這個(gè)矛盾讓物理學(xué)家陷入了兩難境地：要么θ和τ是兩種不同的粒子（盡管它們其他性質(zhì)完全相同），要么宇稱守恒在弱相互作用中并不成立。

李政道和楊振寧的大膽突破

1956年，李政道和楊振寧對(duì)這一問題進(jìn)行了深入研究。他們系統(tǒng)分析了當(dāng)時(shí)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵事實(shí)：雖然在強(qiáng)相互作用和電磁相互作用中，宇稱守恒有堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，但在弱相互作用中，宇稱守恒實(shí)際上從未被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過。

基于這一發(fā)現(xiàn)，李政道和楊振寧提出了一個(gè)革命性的假設(shè)：τ和θ實(shí)際上是同一種粒子（后來被稱為K介子），但在弱相互作用的環(huán)境中，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并不完全對(duì)稱。用通俗的話說，這兩個(gè)相同的粒子如果互相照鏡子，它們的衰變方式在鏡子里和鏡子外是不一樣的！

楊振寧和李政道

1956年6月，他們?cè)诿绹段锢碓u(píng)論》上發(fā)表了題為《弱相互作用中的宇稱守恒質(zhì)疑》的論文，正式提出了弱相互作用中宇稱可能不守恒的理論。這一理論當(dāng)時(shí)被物理學(xué)界稱為"李-楊假說"。

吳健雄的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

李政道和楊振寧的理論提出后，需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這項(xiàng)重任落在了華裔物理學(xué)家吳健雄身上。

吳健雄

吳健雄設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)極其精巧。她使用鈷60原子核的β衰變作為研究系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)的核心思路是：制備兩套互為鏡像的實(shí)驗(yàn)裝置，一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向左旋，另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向右旋，然后比較這兩套裝置中鈷60放射出的電子方向和數(shù)量。

吳氏實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)面臨巨大技術(shù)挑戰(zhàn)：需要在極低溫（接近絕對(duì)零度）環(huán)境下控制原子核的自旋方向。吳健雄以其卓越的實(shí)驗(yàn)技能，在1957年初成功完成了這一實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果震驚了物理學(xué)界：兩套裝置中的鈷60放射出來的電子數(shù)有巨大差異，電子放射方向也不對(duì)稱。這直接證明了在弱相互作用中，宇稱確實(shí)不守恒。

有趣的是，當(dāng)時(shí)許多著名物理學(xué)家對(duì)李政道和楊振寧的理論表示懷疑。諾貝爾獎(jiǎng)得主沃爾夫?qū)づ堇踔琳f："我不相信上帝是個(gè)弱的左撇子"，并打賭實(shí)驗(yàn)會(huì)證實(shí)宇稱守恒。結(jié)果，他賭輸了。

宇稱不守恒的含義

宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)到底意味著什么？我們可以用一個(gè)生動(dòng)的比喻來理解：

假設(shè)有兩輛互為鏡像的汽車，汽車A的司機(jī)坐在左前方，用右腳踩油門；汽車B的司機(jī)坐在右前方，用左腳踩油門。兩輛車同時(shí)啟動(dòng)。如果宇稱守恒，兩輛車應(yīng)以相同速度前進(jìn)；但如果宇稱不守恒，汽車B會(huì)以完全不同的速度行駛，方向也可能不同。

在微觀世界中，這意味著自然規(guī)律并不是完全左右對(duì)稱的。弱相互作用（負(fù)責(zé)放射性衰變等過程）中，自然似乎對(duì)"左"和"右"有所偏好。

李政道和楊振寧的工作表明，在微觀世界中，互為鏡像的系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并不總是相同。這意味著宇宙并不是完全對(duì)稱的，自然界的基本規(guī)律在鏡像反射下并不是不變的。

宇稱不守恒的深遠(yuǎn)影響

宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，其重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了解決θ-τ之謎的范疇。

首先，這一發(fā)現(xiàn)為粒子物理學(xué)開辟了新方向。1957年，李政道和楊振寧因這一發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，成為最早獲得諾貝爾獎(jiǎng)的華人科學(xué)家。李政道當(dāng)時(shí)僅31歲，是史上第二年輕的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。

其次，宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了對(duì)稱性研究的連鎖反應(yīng)。在微觀世界里，基本粒子有三個(gè)基本的對(duì)稱方式：電荷對(duì)稱（C）、宇稱對(duì)稱（P）和時(shí)間反演對(duì)稱（T）。李政道和楊振寧打破宇稱守恒后，科學(xué)家很快又發(fā)現(xiàn)了電荷和宇稱聯(lián)合對(duì)稱（CP）不守恒，甚至?xí)r間對(duì)稱性也被打破。

最重要的是，宇稱不守恒幫助我們理解宇宙的起源。根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)理論，宇宙大爆炸應(yīng)該產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。但如果這樣，物質(zhì)和反物質(zhì)相遇后會(huì)湮滅，宇宙中將不會(huì)有物質(zhì)存在，星系、地球乃至人類都不會(huì)形成。

宇稱不守恒以及后來發(fā)現(xiàn)的CP不守恒現(xiàn)象表明，物理定律存在輕微的不對(duì)稱性，可能導(dǎo)致宇宙大爆炸之初生成的物質(zhì)比反物質(zhì)略多，剩余的物質(zhì)最終形成了我們今天所見的宇宙。

對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的意義

宇稱不守恒定律的發(fā)現(xiàn)是物理學(xué)史上的一個(gè)里程碑，它不僅解決了θ-τ之謎，更深刻改變了科學(xué)家對(duì)自然界的看法。

這一發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了粒子物理學(xué)的快速發(fā)展，為后來標(biāo)準(zhǔn)模型的建立奠定了基礎(chǔ)。楊振寧的另一項(xiàng)偉大貢獻(xiàn)——楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)理論，與宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)一起，構(gòu)筑了現(xiàn)代粒子物理學(xué)的核心框架。

此外，宇稱不守恒的研究方法也為物理學(xué)研究提供了新范式：通過對(duì)稱性破缺來理解自然界的深層規(guī)律。如今，對(duì)稱性破缺已成為基本物理學(xué)中的核心概念，貫穿從粒子物理到凝聚態(tài)物理的多個(gè)領(lǐng)域。

從更廣闊的視角看，宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)告訴我們，自然界雖然喜歡對(duì)稱，但正是對(duì)稱性的細(xì)微破缺使得世界變得豐富多彩。正如建筑和圖案一樣，只有對(duì)稱而沒有它的破壞，看上去雖然規(guī)則，但同時(shí)顯得單調(diào)和呆板。大自然正是通過巧妙地打破對(duì)稱性，創(chuàng)造了豐富多彩的宇宙。

結(jié)語

李政道和楊振寧發(fā)現(xiàn)的宇稱不守恒定律，是20世紀(jì)物理學(xué)最重大的突破之一。它不僅解決了一個(gè)具體的物理難題，更深刻改變了我們對(duì)自然界基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)提醒我們，科學(xué)進(jìn)步往往需要打破根深蒂固的舊觀念，勇于挑戰(zhàn)權(quán)威。李政道和楊振寧的成功也彰顯了中國科學(xué)家在國際科學(xué)舞臺(tái)上的卓越才華和重要貢獻(xiàn)。

如今，宇稱不守恒已成為粒子物理學(xué)的基石概念，其影響滲透到物理學(xué)的多個(gè)分支，甚至幫助我們理解宇宙的起源和演化。每一位學(xué)習(xí)物理的學(xué)生，都會(huì)在學(xué)習(xí)過程中感受到這一發(fā)現(xiàn)帶來的思想革命。