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，科學認知從此顛覆。

在1956年之前，物理學家堅信自然定律是左右對稱的，就像照鏡子一樣，鏡子里的世界應該和現(xiàn)實世界遵循相同的物理規(guī)律。然而，這項被稱為"宇稱守恒"的基本原理，卻被兩位中國物理學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微觀世界的認識。

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)實世界遵循相同物理規(guī)律的概念。

在1956年之前，科學界普遍認為宇稱是守恒的，也就是說，一個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)實中的我們一致。

這一信念源于物理學家在強力、電磁力和萬有引力中的反復驗證——在這些相互作用中，宇稱確實守恒。物理學家們將這一原理推廣到了所有物理過程中，認為它放之四海而皆準。

θ-τ之謎：宇稱不守恒的導火索

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

20世紀50年代中期，科學家發(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)人認為它們是同一種粒子。但令人困惑的是，θ介子衰變時產(chǎn)生兩個π介子，而τ介子衰變時產(chǎn)生三個π介子。根據(jù)當時的宇稱守恒理論，奇數(shù)個π介子的總宇稱是負的，而偶數(shù)個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。

這個矛盾讓物理學家陷入了兩難境地：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，李政道和楊振寧對這一問題進行了深入研究。他們系統(tǒng)分析了當時已有的實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一個關鍵事實：雖然在強相互作用和電磁相互作用中，宇稱守恒有堅實的實驗基礎，但在弱相互作用中，宇稱守恒實際上從未被實驗驗證過。

基于這一發(fā)現(xiàn)，李政道和楊振寧提出了一個革命性的假設：τ和θ實際上是同一種粒子（后來被稱為K介子），但在弱相互作用的環(huán)境中，它們的運動規(guī)律并不完全對稱。用通俗的話說，這兩個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，他們在美國《物理評論》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。這一理論當時被物理學界稱為"李-楊假說"。

吳健雄的實驗驗證

李政道和楊振寧的理論提出后，需要實驗驗證。這項重任落在了華裔物理學家吳健雄身上。

吳健雄

吳健雄設計的實驗極其精巧。她使用鈷60原子核的β衰變作為研究系統(tǒng)。實驗的核心思路是：制備兩套互為鏡像的實驗裝置，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。

吳氏實驗的實驗裝置示意圖

實驗面臨巨大技術挑戰(zhàn)：需要在極低溫（接近絕對零度）環(huán)境下控制原子核的自旋方向。吳健雄以其卓越的實驗技能，在1957年初成功完成了這一實驗。

實驗結果震驚了物理學界：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稱。這直接證明了在弱相互作用中，宇稱確實不守恒。

有趣的是，當時許多著名物理學家對李政道和楊振寧的理論表示懷疑。諾貝爾獎得主沃爾夫?qū)づ堇踔琳f："我不相信上帝是個弱的左撇子"，并打賭實驗會證實宇稱守恒。結果，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？我們可以用一個生動的比喻來理解：

假設有兩輛互為鏡像的汽車，汽車A的司機坐在左前方，用右腳踩油門；汽車B的司機坐在右前方，用左腳踩油門。兩輛車同時啟動。如果宇稱守恒，兩輛車應以相同速度前進；但如果宇稱不守恒，汽車B會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稱的。弱相互作用（負責放射性衰變等過程）中，自然似乎對"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)的運動規(guī)律并不總是相同。這意味著宇宙并不是完全對稱的，自然界的基本規(guī)律在鏡像反射下并不是不變的。

宇稱不守恒的深遠影響

宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)對物理學產(chǎn)生了深遠影響，其重要性遠遠超出了解決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)獲得諾貝爾物理學獎，成為最早獲得諾貝爾獎的華人科學家。李政道當時僅31歲，是史上第二年輕的諾貝爾物理學獎得主。

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

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)代宇宙學理論，宇宙大爆炸應該產(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)相遇后會湮滅，宇宙中將不會有物質(zhì)存在，星系、地球乃至人類都不會形成。

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稱性，可能導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。

對現(xiàn)代物理學的意義

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

這一發(fā)現(xiàn)促進了粒子物理學的快速發(fā)展，為后來標準模型的建立奠定了基礎。楊振寧的另一項偉大貢獻——楊-米爾斯規(guī)范場理論，與宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)一起，構筑了現(xiàn)代粒子物理學的核心框架。

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

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

結語

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

這項發(fā)現(xiàn)提醒我們，科學進步往往需要打破根深蒂固的舊觀念，勇于挑戰(zhàn)權威。李政道和楊振寧的成功也彰顯了中國科學家在國際科學舞臺上的卓越才華和重要貢獻。

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