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宇称不守恒,杨振宁为物理对称性划上终点,或是相对论终结的起点

一直有同学问我,杨振宁先生在物理学界什么地位?他有什么理论发表,他的研究有什么实际应用?

一言难尽啊,同学!物理学界相传有一牛二爱三麦之说,杨振宁先生大概是坐五望四的存在,如果只算活着的,则是当之无愧的第一人。单凭一个宇称不守恒的发现,就创造了当时拿诺贝尔奖的最快纪录,比爱因斯坦还快16年。

杨振宁先生

通过这篇小文章,我抛个砖,希望能引出大家的玉来。

物理学家最喜欢的第二句话

物理学大师费曼曾经说过,如果只用一句话来概括现代科学最重要的发现,他会选“世界是原子组成的”。果然是高手!但如果还可以再添一句补充的话,本猫认为 “对称性是宇宙规律的基础”将是绝大部分物理学家的心声。

对称的雪花晶体

此话怎讲?大至美国的白宫,小到纸上的一个圆形,甚至镜子中咱们的左手和右手,它们首先是原子构成的;但同时,它们也都是对称的。

白宫建筑物是以中轴对称,圆形图案是以中心点旋转对称,至于咱们镜中的双手则是镜像对称。这些就是在日常生活中,最常见的几何对称,小学数学老师表示很赞同。

搞物理起码得大学本科起步,几何对称还是留给小学回忆吧;物理学家给各位圈重点的是——物理定律的对称性

来点干货让你们看看我的手段。我们把几何图形换成物理定律,看看用旋转对称,来操作一下牛顿运动定律会如何?

物理学定律的对称性

答案显而易见,正如绕着圆心任意一个点,圆形必然对称一样,无论你如何调整变换观测角度,牛顿表示情绪稳定,物体的运动仍将严格遵守牛顿运动定律。

其实不仅牛顿定律,同学们手中的麦克斯韦的电磁学、爱因斯坦的相对论,都拥有旋转对称性。旋转不变性本质上就是空间的各向同性。试想,我们若处在不同宇宙空间,将面对迥异的麦克斯韦方程组、相对论质能方程,那还用个锤子电磁理论和相对论?

科学的最初,上帝偏爱对称性

物理学家坚定的信仰着对称性,正是发现了在对称性里面隐藏的巨大力量。诺特定理告诉我们——物理学里的连续对称性和守恒定律一一对应。诺特定理,就是物理定律普适性的坚实保障。

简单的说,对称性和守恒定律一一对应,就是每一个对称性都有一个守恒定律跟它对应。

继续举个例子,在牛顿经典力学里,最常见的能量守恒,与之对应的对称性是——时间平移不变性

对术语感到绝望的同学莫慌,举个保证你能秒懂的例子——1969年美国登月,预计2024年美国将再次登月,在此时间段内,应用其中的物理定律不变——这就是时间平移不变性。否则,物理定律随着时间而改变,美国靠什么锤子理论来登月球。

美国登月剧照

物理学家再努努力,又研究发现,动量守恒对应的是——空间平移不变性,角动量守恒对应的是——旋转不变性。这样不同的对称性构建起整个物理学的框架,使得物理定律可以在宇宙中普适使用,并且在自身体系中自洽。

这就是为什么物理学家如此坚信上帝喜爱对称性的由来,因为它们是物理定律自洽的基石啊。

爱因斯坦:听说你又提到我

简单的说,现代科学的两大支柱,强大稳固如相对论和量子论,它们的成立都必须依赖对称性

宇称登场,旧世界崩塌的序曲

我们刚刚解释了对称性对于物理学有多重要,物理学家对此甚至是坚信不疑的。如果科学家们发现了有什么现象似乎违反了守恒定律,大家第一反应绝对不是守恒出了问题,而是去检验还有没有其他没有考虑进来的因素。例如时间平移不变性对应的能量守恒,实验中发现某个物理过程不满足能量守恒,以此为契机寻找新粒子或者新物理现象,从而获得诺贝尔奖的同学,可不在少数。

诺贝尔奖

人生若只如初见,何事悲风秋画扇!

同学们还记得自己镜子中的左手和右手吗?这种对称叫做——镜面的反射对称,也称左右对称,换个熟悉点的说法就是——宇称。

宇称守恒吗?——莫怕,当然守恒,这是必须的!

举个简单的例子,你对着墙上的镜子用左腿踢毽子,虽然我们将看到镜子里面的你用右边的腿把毽子朝另一个方向踢起,但是毽子的运动轨迹一样严格遵守牛顿运动定律,划出一道抛物线,而不是突然不受控制飞出天际。

哪吒,我最红,我来踢毽子

这也就是说,牛顿运动定律同样具有宇称不变性,遵守宇称守恒。按照标准粒子模型的划分,在四大基本相互作用力里,科学家们证明了电磁力、引力、强力的物理规律都具有宇称不变性,都遵守宇称守恒

四种相互作用

可是,三缺一啊!弱力呢?而且同学们不要忘记,宇称的特点比较特别,在物理学中,它也是描述基本粒子性质的一个物理量——微观粒子

微观粒子世界中,弱力起主导作用时,会遵守宇称守恒吗?

杨振宁引发的物理学界大震撼

在宇宙中的大多数过程都是可逆的,也就是对称的。换句话说,就是正向和反向的物理过程是相同的。量子力学打开了微观的大门,在粒子物理学中,我们同样希望能有总保持相同的三种主要对称性:电荷、宇称和时间。我们用每一种对称的首字母C(CHARGE)电荷、P(PARITY)宇称、T(TIME)时间来称呼他们。

时间对称意味着相互作用在时间上,正反方向是一样的;电荷对称意味着如果交换所有的正负电荷,不会影响相互作用;宇称守恒意味着物理定律对左手或右手一视同仁,定律在镜像世界中,应该与普通世界中完全相同,不偏向左手性或右手性。

镜像世界

在20世纪50年代,科学家们认为所有的基本粒子都遵从这些对称性。甚至利用偶然出现的不对称行为,发现了不少新粒子或者物理新现象,为此获得诺贝尔奖的同学也不在少数。

但杨振宁和李政道,在1956年,有了惊人的发现。简单的讲,他们对当时的“θ-τ之谜”有了一些深刻而大胆的理解,足以引发一场物理学界的大地震。

杨振宁和李政道一反常规,把强、弱相互作用力区分开之后,再分别讨论各自的宇称性。他们发现一个惊人的事实,在过去科学界所有的β衰变实验中,都忽略了赝标量的测量,而这个测量值,正是用实验检验弱相互作用中宇称守恒的标志。所以至今为止,所有的实验结果跟β衰变中宇称是否守恒,完全没有关系

杨振宁和李政道

简单的说,宇称守恒实际上从未在涉及弱相互作用的实验中,得到验证。即是说,宇称不守恒是极度可能存在的。

好比爱因斯坦抛弃了绝对时空观,从而创立了伟大的相对论一样;打破宇称守恒的物理学常识,杨振宁和李政道凭借极大的勇气和魄力,拉开了物理新世界的一扇窗。

杨振宁和李政道一起编写了著名的论文《在弱相互作用中,宇称是否守恒?》,在论文中,他们提到了那个被忽略的赝标量,创造性的设计了几个可以检验宇称是否守恒的实验。1956年,论文在《物理评论》上发表,不过名字被修改为《对于弱相互作用中宇称守恒的质疑》。

就是这篇伟大的论文

这是一道将划破物理天际的闪电,物理世界将迎来天翻地覆的变革,但不是马上。

因为当时这篇论文,如同一颗投入泥潭的小石子,大家被巨大的惯性拉扯住脚步,波澜不惊面无表情。

毫无反应的当时

好在还有一个吴健雄。

来自东方物理女王吴健雄的雷霆一击

杨振宁和李政道虽然已经燃起了烽火,但是大家却只认为他们在哗众取宠。加上杨振宁和李政道提出的几个具体的实验方案,实现起来都非常困难,当时物理学界,并没有人愿意做这样吃力不讨好的“无谓实验”。

好在还有一个吴健雄。

1956年的圣诞节假期,哥伦比亚大学的物理学教授吴健雄女士,全力支持了杨振宁和李政道的想法。

惊艳的吴健雄女士

她为此取消了去日内瓦的高能物理会议,也取消了原本计划和她的物理学丈夫一起的东南亚度假。她天才的触觉意识到,弱相互作用很有可能是宇称不守恒的,她决定成为第一个验证它的人。

实验非常复杂,我只讲个近似,大家品个味道即可。为了验证粒子级别的宇称不守恒,我们当然不能在电子前面,树面镜子直接观测。实验的精髓就在于,必须判断出我们是否身处于镜像世界之中

她和几位低温科学家,将钴60原子冷却到绝对零度以上三千分之一开尔文。然后加上强磁场,使所有的原子核自旋方向相同。

因为钴60具有放射性,它通过β衰变释放出β粒子,也就是一个电子。实验测量的就是这些电子相对于钴60核的自旋的发射方向。

我们仅仅凭借自己的双眼,无法区分自己到底处于真实的世界还是镜像世界,但这些电子,充当了《盗梦空间》里面道姆·柯布的陀螺。如果钴60发射的电子朝向这个方向,那你是在镜像世界里;如果朝向另一个方向,你就知道你处于正常世界中。

我就是那颗陀螺

来吧,宇宙最大奥秘与我们人类的距离,不过是一个电子发射方向的距离。

虽然看起来很疯狂,但这确实是吴健雄教授所看到的。电子偏向一个方向发射,而且不止偏了一点,它们几乎都朝背向自旋方向。道姆·柯布的陀螺最终倒下,发出清脆的声响;弱相互作用不仅宇称不守恒,还在最大程度上破坏了守恒。

实验的结果摧毁了理论物理学几十年来的基本假设。在弱相互作用范畴内,宇宙是在乎左手或者右手的。上帝并不喜欢绝对的对称。

吴健雄自己一开始都不太相信这个结果,但杨振宁和李政道两人,显然对自己充满了信心,他们马上公布了这个消息,当然,这一次,再没有波澜不惊的情况出现了,他们震惊了整个物理学界。著名物理学家和诺贝尔奖获得者泡利在得知实验结果后说“这完全是胡扯”,并坚持认为结果是错误的。

物理学的良心-泡利和吴健雄

但在强大的事实面前,特别是当实验被独立重复之后,物理学界不得不接受,我们生活的宇宙开始改变了。

1957年的诺贝尔物理学奖授予了宇称不守恒的发现,也就是结果公布的同一年。与爱因斯坦在1905年提出来光量子说和狭义相对论到1921年才获奖相比,足足快了16年。

宇称不守恒之后

大家还记得微观粒子世界的三个主要基本对称吗?

它们分别是电荷、宇称和时间。我们用每一种对称的首字母C(CHARGE)电荷、P(PARITY)宇称、T(TIME)时间来称呼他们。

杨振宁终结了宇称,那么剩下的两个的命运又将如何呢?

对于物理学界来说,物理学家们不愿意放弃宇称守恒,因为这些大师们太清楚对称性在物理学的重要程度了,而且基于他们的理性认知,他们绝不愿意相信上帝会是一个左撇子!

物理学家们提出过一个折中的解释,弱力宇称不守恒没有什么大不了的,它只电荷宇称或CP对称的一部分。

可惜该来的挡不住,1964年,就有实验发现了一些粒子也可能违反CP对称,物理学家曾经认为是自然界基本定律的两条定律都被打破了。

脆弱的对称性

物理学只好撤退到了最后一道理论防线后面——“CPT对称”。

是的,目前只剩下“时间”在坚守了。

结语

我们可以确定的是,如果CPT对称最终也难逃倒下的命运,那这一天,也将是量子场论和狭义相对论的终点。人类的科学认知,将再一次面临推到重来的命运。

这就是由宇称不守恒引发的物理学思维的改变。杨振宁先生开启的这一场打破对称性的革命,到底将给予物理学一个怎样的未来,我们仍远远未曾看到尽头。

杨振宁先生一生最大的成就,并未止步于宇称不守恒的发现,而是堪比麦克斯韦方程组以及爱因斯坦相对论的杨-米尔斯理论。它是现代粒子标准模型的集大成者,好比相对论,虽未获诺贝尔奖,其实诺贝尔奖已经不足以说明它的伟大。

伟大的握手说明一切

杨振宁先生早年旅居美国,就一直充当两国科研交流的桥梁,创办国际研究所数十家;晚年归国,仍心系祖国科研未来,为大型粒子对撞机项目的上马与否,顶住压力,仗义执言

虽引来巨大的诋毁仍未放弃正直无私的初衷,高山仰止,令本猫拜服。

最后,谨以此文,祝杨振宁先生身体健康!

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