原創(chuàng) Linvo Linvo說宇宙 發(fā)表于湖南

- 文字版 -上回說到，楊振寧和米爾斯通過構(gòu)造非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)模型，建立了奠基粒子物理的統(tǒng)一框架——楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)。但是由于當(dāng)時(shí)的條件不成熟，這一理論的重要性在很長一段時(shí)間都沒有被發(fā)覺。雖然楊振寧最終也沒能靠楊-米爾斯理論拿到諾獎(jiǎng)，但是此后他卻憑借另一項(xiàng)舉世矚目的發(fā)現(xiàn)光速拿獎(jiǎng)，那就是“宇稱不守恒”。

楊振寧被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

說到宇稱不守恒，很多人是既熟悉又陌生。說熟悉，因?yàn)檫@個(gè)詞我們經(jīng)常聽到，知道它是楊振寧和李政道的一個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)，甚至可以說是超越諾獎(jiǎng)級(jí)的發(fā)現(xiàn)；但是這個(gè)宇稱不守恒到底是什么意思，很多人就不清楚了。也就是網(wǎng)上經(jīng)常說的：字都認(rèn)識(shí)，連起來看就看不懂了。好，那我們就先來解釋下相關(guān)概念。和能量、電荷一樣，宇稱它其實(shí)也是一個(gè)物理量，它代表了空間反射對(duì)稱性，就是通常我們說的鏡像對(duì)稱。

空間反射對(duì)稱性（鏡像對(duì)稱）

不過對(duì)稱性并不是宇稱特有的，很多物理量都有與之對(duì)應(yīng)的對(duì)稱性，而且這些物理量都還遵循著特定的守恒定律，這就涉及理論物理中的一個(gè)核心結(jié)論——諾特定理。諾特定理說的是：在一個(gè)物理系統(tǒng)中，如果該系統(tǒng)具有某種對(duì)稱性，那么系統(tǒng)中一定存在一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的物理守恒量。比如說，如果一個(gè)系統(tǒng)具有空間平移對(duì)稱性，那么系統(tǒng)中的力學(xué)屬性不會(huì)受位置因素影響，也就是不同位置的動(dòng)量守恒。而如果一個(gè)系統(tǒng)具有時(shí)間平移對(duì)稱性，那么該系統(tǒng)中的時(shí)間不同也不影響系統(tǒng)的力學(xué)屬性，它對(duì)應(yīng)的就是不同時(shí)間的能量守恒。作為現(xiàn)代理論物理的核心，諾特定理因?yàn)樵跀?shù)學(xué)上有著嚴(yán)格的證明，所以物理上就可以通過它來尋找守恒量。如果我們發(fā)現(xiàn)在某個(gè)物理系統(tǒng)中存在一種新的對(duì)稱性，那么意味著這里面也存在著一種新的守恒量。比如空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性對(duì)應(yīng)著角動(dòng)量守恒、粒子相位角旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性對(duì)應(yīng)著電荷守恒，此外還有像是重子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒、同位旋守恒等等，宇稱守恒就是其中之一。宇稱的意思前面我們說過，它是一種空間上的鏡像對(duì)稱，實(shí)驗(yàn)上表現(xiàn)為“左”和“右”的區(qū)別，所以這個(gè)物理量只有﹢1和﹣1兩個(gè)值。比如如果我們做兩個(gè)互為鏡像的實(shí)驗(yàn)，按理來說兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也應(yīng)該是鏡像的，就像是對(duì)著鏡子只做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)一樣，這就是宇稱守恒。在1956年以前，物理學(xué)界對(duì)于宇稱守恒，那簡(jiǎn)直是像大自然的鐵律一般，毋庸置疑。但是楊振寧和李政道在整理先前的研究工作時(shí)發(fā)現(xiàn)，宇稱守恒在引力、電磁力和強(qiáng)力方面都有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，唯獨(dú)在弱相互作用中沒有找到類似的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。 如果僅就這個(gè)，那還不足以得出“弱相互作用下宇稱不守恒”這個(gè)結(jié)論，畢竟可能實(shí)驗(yàn)只是暫時(shí)沒人去做而已。那么什么促使了楊振寧和李政道他們對(duì)宇稱守恒提出質(zhì)疑了呢？那就是當(dāng)時(shí)物理界的一個(gè)謎團(tuán)——θ-τ之謎。上次說過，通過大型粒子加速器，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家撞出了一堆稀奇古怪的粒子，其中θ粒子和τ粒子尤為怪異。首先，這倆種粒子的質(zhì)量、電荷和自旋屬性都一模一樣，所以它倆明顯是同一種粒子。可是作為同一種粒子，它們的衰變結(jié)果卻不一樣：θ衰變會(huì)產(chǎn)生2個(gè)π介子，而τ衰變會(huì)產(chǎn)生3個(gè)π介子，這么看來它們應(yīng)該又是不同的粒子。對(duì)于這種矛盾的情況，物理學(xué)家們完全是一頭霧水。

θ-τ之謎

后來發(fā)現(xiàn)，θ衰變產(chǎn)生偶數(shù)個(gè)π介子，總宇稱是正的；而τ衰變產(chǎn)生了奇數(shù)個(gè)π介子，它的總宇稱是負(fù)的，兩種粒子的宇稱值不一樣。那這不是都已經(jīng)懷疑到宇稱頭上了嗎，怎么還找不到問題原因呢？首先，對(duì)于宇稱守恒這個(gè)“鐵律”，當(dāng)時(shí)沒有任何人敢去懷疑。而且越是像泡利、費(fèi)曼這些物理學(xué)權(quán)威，他們的信念越是堅(jiān)定。其次，對(duì)于導(dǎo)致粒子衰變的弱力來說，它和強(qiáng)力一樣屬于原子核級(jí)別的力，因此人們總是習(xí)慣把這倆擱一塊兒處理，這就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問題：如果弱力的宇稱不守恒，人們自然會(huì)想當(dāng)然地認(rèn)為強(qiáng)力也會(huì)不守恒，但是這又與已有的實(shí)驗(yàn)相沖突。楊振寧和李政道正是因?yàn)橐庾R(shí)到這個(gè)問題，他們想：或許我們應(yīng)該把強(qiáng)力和弱力分開來看，畢竟它們一個(gè)是把原子核聚集起來，一個(gè)是把原子核拆開。所以他們猜想：如果宇稱在弱相互作用中不守恒的話，那么對(duì)于同一種粒子擁有著不同的衰變結(jié)果，那就不足為奇了。

李政道和楊振寧當(dāng)時(shí)物理實(shí)驗(yàn)中最常見的衰變是β衰變，于是楊李二人翻遍了過去所有和β衰變有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果無一例外，這些實(shí)驗(yàn)都沒有涉及到宇稱是否守恒這一問題。也就是說，以前那些人做的所有實(shí)驗(yàn)，不管宇稱守不守恒，都不會(huì)影響最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這時(shí)他們才意識(shí)到，原來弱相互作用下的宇稱守恒一直是人們的想當(dāng)然。

楊振寧和李政道

話雖如此，可是一旦想到要顛覆宇稱守恒這一“鐵律”，他們內(nèi)心仍然感到十分不安。但是就像福爾摩斯里的那句話：“排除了一切的不可能，剩下的不管多么難以置信，那也是真相?！庇谑菞钫駥幒屠钫乐匦略O(shè)計(jì)了能夠檢驗(yàn)弱相互作用下宇稱是否守恒的具體實(shí)驗(yàn)，并在1956年把論文發(fā)表在了《物理評(píng)論》上。

楊振寧和李政道合著的論文《弱相互作用中的宇稱守恒問題》

面對(duì)這樣一篇“大逆不道”的論文，幾乎所有的物理學(xué)家都認(rèn)為：這個(gè)實(shí)驗(yàn)完全沒必要去做。即使有個(gè)別人也對(duì)宇稱守恒產(chǎn)生了懷疑，但都沒有繼續(xù)深究下去。因?yàn)樗麄円词菦]有把強(qiáng)相互作用刨除，要么是得不到上面的批準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)室的支持。而這恰好給楊李二人帶來了機(jī)遇，他們立馬找到了被譽(yù)為“東方居里夫人”的吳健雄。聽了楊振寧和李政道的想法，吳健雄當(dāng)即表示全力支持，并隨即取消了接下來的一系列行程安排。

吳健雄

這個(gè)實(shí)驗(yàn)沒人做其實(shí)還有另外一個(gè)原因，就是難度大。你想啊，要觀察原子核衰變時(shí)釋放出的電子方向，你得先讓那些雜亂無章的粒子安靜下來吧。所以吳健雄通過把原子核冷卻到0.01K，成功制備了兩組具有穩(wěn)定自旋方向的原子核。為什么是兩組？前面我們說了，宇稱守恒就是說如果做兩個(gè)互為鏡像的實(shí)驗(yàn)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也應(yīng)該是鏡像對(duì)稱的。吳健雄他們就是要比較這兩組自旋方向相反的原子核，它們衰變釋放出的電子方向是否是鏡像對(duì)稱。如果兩組電子釋放的方向一致（比如都是向上），那么說明宇稱是守恒的；反之，如果兩組電子釋放方向不一致（一個(gè)朝上一個(gè)朝下），那么則說明宇稱是不守恒的。

吳健雄關(guān)于宇稱不守恒的實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：兩組原子核釋放電子的方向確實(shí)不一致！β衰變確實(shí)違反了宇稱守恒。

宇稱守恒下的鏡像粒子（左）& 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（右）

不過實(shí)驗(yàn)結(jié)果還需要進(jìn)一步復(fù)核，此時(shí)吳健雄一邊繼續(xù)復(fù)核實(shí)驗(yàn)，一邊將實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果告知了楊李二人。之后李政道將這一結(jié)果透露給了哥倫比亞的同事，隨后他們馬上修改了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)，并驗(yàn)證了類似的違反宇稱守恒的現(xiàn)象。不過鑒于吳健雄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還未最終公布，他們推遲了自己實(shí)驗(yàn)結(jié)果的發(fā)表。最后，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的兩篇論文，同時(shí)出現(xiàn)在了同一個(gè)物理期刊上。對(duì)于這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果起初大家并不相信，覺得一定是哪里搞錯(cuò)了。泡利甚至還自信地說到：“我不相信上帝是個(gè)左撇子，我愿意拿一大筆錢打賭，最終結(jié)果一定是對(duì)稱的！”之后，隨著其他實(shí)驗(yàn)室結(jié)果陸續(xù)出來，弱相互作用下宇稱不守恒這件事終于被大家承認(rèn)。就這樣，當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)毫不意外地頒給了最先提出該想法的楊振寧和李政道，同時(shí)他們也創(chuàng)下了諾獎(jiǎng)史上最快的獲獎(jiǎng)記錄：上一年發(fā)文，第二年就得獎(jiǎng)?？上У氖?，吳健雄最后并未因此獲獎(jiǎng)。

1957年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予李政道和楊振寧

說實(shí)話，在宇稱守恒被打破這件事上，諾獎(jiǎng)的光芒已經(jīng)顯得沒那么耀眼了。因?yàn)檫@是人們第一次把對(duì)稱性這個(gè)看似完美的物理學(xué)基本定律，從神壇上拉了下來。從此以后，面對(duì)棘手問題時(shí)物理學(xué)家又多了一個(gè)可以懷疑的方向，而且這個(gè)方向是以前想都不敢去想的。

楊振寧及他的關(guān)于弱相互作用下宇稱不守恒的論文和諾貝爾獎(jiǎng)牌之后的現(xiàn)實(shí)也確實(shí)如此，那些不滿足對(duì)稱性的現(xiàn)象（比如時(shí)間反演對(duì)稱性、電荷共軛對(duì)稱性），這些都被物理學(xué)家們一一發(fā)現(xiàn)。隨著宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)，人們開始為弱相互作用重新建立理論，于是當(dāng)年那個(gè)未被重視的楊-米爾斯理論，即將大放異彩。

說明：

1. 諾特定理沒錯(cuò)，問題在于它只針對(duì)連續(xù)對(duì)稱性，而宇稱屬于離散對(duì)稱性。

2. 準(zhǔn)確來說宇稱不是“鏡像反射對(duì)稱”，而是一種“中心對(duì)稱”（空間反演對(duì)稱性），一般是對(duì)于微觀粒子來說的。由于粒子自旋只表現(xiàn)為一種內(nèi)秉屬性而非自轉(zhuǎn)，所以可以簡(jiǎn)單看做鏡像對(duì)稱。To Be Continue...