李政道和杨振宁提出宇称不守恒,吴健雄证明宇称不守恒
宇宙万物从何而来?
目前,大多数科学家比较认同,宇宙诞生于一次量子真空涨落引起的大爆炸。星系红移现象和宇宙微波背景辐射的发现,验证了“大爆炸”假说的合理性。
“大爆炸”假说也面临着很多难题。例如,宇宙在诞生之初,应当产生了数量相同的物质和反物质。正物质与反物质相遇,瞬间就会湮灭,成为纯粹的能量形态。如果是这样,宇宙诞生之后,在很短的时间内,物质就会消失殆尽,就不可能存在氢元素、氦元素之类基本物质。没有氢元素、氦元素之类基本物质,就不会有星系,也不会有地球,更不会有人类了。
事实上,我们就在这里,就在地球上生生不息。
科学家说:万物来源于宇宙自身的不完美。
宇宙自身的不完美,叫做宇称不守恒。
什么叫做宇称?
宇,就是四方上下所有的空间。
宇称,就是给微观粒子照镜子,看看镜里和镜外的粒子是否对称。如果对称,就叫宇称守恒;如果不对称,就叫做宇称不守恒。
给微观粒子照镜子,用科学术语表达,叫做空间反演,也叫空间反射,就是空间同时进行上下、左右、前后的反转,即将3个坐标轴的方向反转,坐标(x,y,z)变为坐标(-x,-y,-z)。在量子力学中,原子中电子的运动状态用在空间某一位置、某一时刻的波函数描写,常用希腊字母ψ表示,并写为ψ(x,y,z,t),它的绝对值的平方
|ψ(x,y,z,t)|²就是在t时间、空间坐标(x,y,z)处电子出现的概率。可以看出,电子的波函数是对称的。
在一些人看来,对称就是美。
对称给人类一种平稳安定的感觉。
对称性产生不变性,不变性导致守恒定律。例如,动量守恒定律,是物理定律在空间平移下的不变性的体现。遵循守恒定律,自然界的变化就呈现出一种简单、和谐、对称的关系。一个没有对称性的世界,物理定律变动不定,世界将混乱不堪。
对称的现象,普遍存在于自然界的事物中。人们普遍认为,宏观物体的运动和微观物体的运动,都遵循守恒定律。1926年,有人提出了宇称守恒定律,把对称和守恒定律的关系进一步推广到微观世界。
“宇称守恒”看起来似乎并没有什么特别之处。但是,科学层层分解的定量分析,总会在看似平常的现象之中发现奇特之处。
科学家通过实验计算,粒子在强力、电磁力和引力作用的环境中,都表现出了绝对的、无条件的对称,宇称守恒定律都得到了完美的验证。但是,在弱力环境中,粒子是否遵循宇称守恒规律,还未得到验证。
20世纪50年代初,科学家们从宇宙射线里发现了θ介子和τ介子。由于θ介子和τ介子的自旋、质量、寿命电荷等完全相同,很多科学家认为它们就是同一种粒子。通过仔细的实验观察,科学家发现:θ衰变时会产生两个π介子;τ衰变会产生三个π介子。
科学家感到困惑:如果τ和θ是两种不同的粒子,它们怎么会具有一模一样的质量和寿命呢?如果τ和θ是一种相同的粒子,它们又怎么会具有完全不一样的衰变规律呢?
科学家提出了很多不同的解释,都没有成功。他们都不敢越“宇称守恒”这个雷池一步。在当时,认为一个电子和另一个电子的运动规律不一样,是一件不可思议的事情。同样,认为一个介子和另一个介子的运动规律不一样,也是不可想象的事情。
1956年,李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后,大胆地预言:τ和θ是一种完全相同的粒子,后来被科学家称为“K介子”。在弱相互作用的环境中,“K介子”的运动规律,不遵循宇称守恒定律。形象地说,如果给两个相同“K介子”相互照镜子的话,它们的衰变方式,在镜子里和镜子外不一样。
不久,实验物理学家吴健雄用一个巧妙的实验验证了“宇称不守恒”。吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变:在极低温(0.01K)下,用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋,把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋,这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明,这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异,而且电子放射的方向也不能互相对称。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。在吴健雄实验之前,著名的理论物理学家泡利打赌说:“我不相信上帝是一个软弱的左撇子,我已经准备好一笔大赌注,我敢打赌实验将获得对称的结论。”在严谨的实验面前,泡利承认自己输了。
紧接着,科学家又发现:粒子和反粒子的行为并不是完全一样的。科学家推测,正是由于物理定律存在轻微的不对称,粒子的电荷不对称,导致宇宙大爆炸之初,生成的物质比反物质略多了一点点,大部分物质与反物质湮灭之后,还有一点点物质没有湮灭。那一点点没有湮灭的物质,就演化成了现在的宇宙。
近代微生物学之父巴斯德曾经说过:“生命向我们显示的乃是宇宙不对称的功能。宇宙是不对称的,生命受不对称作用支配。”当大自然在构造像DNA这样的大分子时,总是遵循复制的原则,将分子按照对称的螺旋结构联接在一起。但是,在复制过程中,精确的对称性也会发生细微的偏离。如果宇宙万物的运行,时时处处都要达到绝对的平衡对称,那么生命就不可能产生。世界上没有两片完全相同的树叶,生命运行的不对称是绝对的,而对称却是相对的。不对称性对生命的进化有着重要的意义。
粒子在弱相互作用下,为什么会出现宇称不守恒呢?没人知道,至今仍然是个谜。诸多实验证明,世界是不完美的、有缺陷的世界。但是,从某种意义上来说,正是不对称创造了世界。
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