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上帝是个左撇子,杨振宁和李政道发现的宇称不守恒,到底是何物?

'上帝是个左撇子'——这是大物理学家泡利的名言。


上世纪初,是物理学巨变的时代,量子力学和相对论呼应而出。

几百年来,人们对物理规律的认知中,总结了一个漂亮规律'物理定律具有对称性'。

比如牛顿力学就具有空间平移对称性,还具有时间平移的对称性。

也就是说,一个物体平移一段距离后,所遵循的力学定律是不变的;同样随着时间的流逝,力学定律也是不变的,物理学中的“诺特定理”深刻揭示了这一现象的本质。


基于这种对称性,引出物理学中一个重要概念——宇称。宇称可以简单地理解为'左右对称'或者'镜像对称'。

为了描述这种对称性质,物理上把微观粒子分成两类,一类宇称为正(+1),一类宇称为负(-1),也可称作奇偶,一个系统的总宇称,就等于系统内所有粒子宇称的乘积。


宇称守恒描述:一个系统无论如何变化,不管是分裂出新粒子,还是结合成新粒子,系统变化前后的总宇称保持不变。


该守恒的物理图像,就是物理定律在镜像中保持不变。

比如一个物体,它在镜子中的图像虽然左右互换了,但是镜子中的物体,所遵循的物理学规律和镜子外是一样的。

宇称守恒一直被物理学家认为是宇宙的基本规律,上帝不可能偏爱'左'或者'右',在电磁力和强相互作用力中都是守恒的。

直到1954年,实验物理学家发现一个奇怪现象,被称作''τ-θ之谜'。

原因是K介子(电子质量的1000倍,寿命约一亿分之一秒),存在六种不同的分裂方式,让科学家感到惊讶的是,分裂后的总宇称不守恒,一种衰变成奇宇称态,一种衰变成偶宇称态。


1956年,李政道和杨振宁合作,阐述了弱相互作用中,宇称不守恒的机制,并设计了几种验证方案。

当年,另外一位美籍华裔女物理学家吴健雄,就以漂亮且严谨的实验,证实了杨-李的理论。

次年1957年,杨振宁和李政道因此获得了诺贝尔物理学奖,从论文发表到获奖,只过了一年的时间,这在诺贝尔奖历史上是绝无仅有的。


宇称不守恒的发现意义重大,在物理学中,时间T、宇称P和电荷C,被认为是现代物理学的基础,三者的守恒一直是物理学关注的对象,宇称不守恒让物理学家开始思考,我们理解世界的方式或许出了问题。

在20世纪末,物理学家詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇,再次发现宇称和电荷的联合对称不守恒(CP破坏),获得1980年的物理学诺贝尔奖。

后来人们还发现,电荷对称性(C)和时间反演对称性(T)也非严格守恒,可是三者的结合CPT,却是严格守恒的,这在大型强子对撞机中已经得到了证实。


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上帝是个左撇子?
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