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上帝是個左撇子,楊振寧和李政道發現的宇稱不守恆,到底是何物?

"上帝是個左撇子"——這是大物理學家泡利的名言。

上世紀初,是物理學巨變的時代,量子力學和相對論呼應而出。

幾百年來,人們對物理規律的認知中,總結了一個漂亮規律"物理定律具有對稱性"。

比如牛頓力學就具有空間平移對稱性,還具有時間平移的對稱性。

也就是說,一個物體平移一段距離後,所遵循的力學定律是不變的;同樣隨著時間的流逝,力學定律也是不變的,物理學中的「諾特定理」深刻揭示了這一現象的本質。

基於這種對稱性,引出物理學中一個重要概念——宇稱。宇稱可以簡單地理解為"左右對稱"或者"鏡像對稱"。

為了描述這種對稱性質,物理上把微觀粒子分成兩類,一類宇稱為正(+1),一類宇稱為負(-1),也可稱作奇偶,一個系統的總宇稱,就等於系統內所有粒子宇稱的乘積。

宇稱守恆描述:一個系統無論如何變化,不管是分裂出新粒子,還是結合成新粒子,系統變化前後的總宇稱保持不變。

該守恆的物理圖像,就是物理定律在鏡像中保持不變。

比如一個物體,它在鏡子中的圖像雖然左右互換了,但是鏡子中的物體,所遵循的物理學規律和鏡子外是一樣的。

宇稱守恆一直被物理學家認為是宇宙的基本規律,上帝不可能偏愛"左"或者"右",在電磁力和強相互作用力中都是守恆的。

直到1954年,實驗物理學家發現一個奇怪現象,被稱作""τ-θ之謎"。

原因是K介子(電子質量的1000倍,壽命約一億分之一秒),存在六種不同的分裂方式,讓科學家感到驚訝的是,分裂後的總宇稱不守恆,一種衰變成奇宇稱態,一種衰變成偶宇稱態。

1956年,李政道和楊振寧合作,闡述了弱相互作用中,宇稱不守恆的機制,並設計了幾種驗證方案。

當年,另外一位美籍華裔女物理學家吳健雄,就以漂亮且嚴謹的實驗,證實了楊-李的理論。

次年1957年,楊振寧和李政道因此獲得了諾貝爾物理學獎,從論文發表到獲獎,只過了一年的時間,這在諾貝爾獎歷史上是絕無僅有的。

宇稱不守恆的發現意義重大,在物理學中,時間T、宇稱P和電荷C,被認為是現代物理學的基礎,三者的守恆一直是物理學關注的對象,宇稱不守恆讓物理學家開始思考,我們理解世界的方式或許出了問題。

在20世紀末,物理學家詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇,再次發現宇稱和電荷的聯合對稱不守恆(CP破壞),獲得1980年的物理學諾貝爾獎。

後來人們還發現,電荷對稱性(C)和時間反演對稱性(T)也非嚴格守恆,可是三者的結合CPT,卻是嚴格守恆的,這在大型強子對撞機中已經得到了證實。


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