上帝是个左撇子?

2015-06-04 14:30:08 来源: 科学网(北京)
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(文/张天蓉)

我们周围的世界显得如此地变幻无穷丰富多姿,是因为对称中还有不对称。物理世界也是如此,科学奖项颁发给发现对称的人,也颁发给发现不对称的人。至少有7位学者,因为研究“不对称”而获得了诺贝尔物理奖。这其中,我们熟知的华人学者李政道和杨振宁首当其冲。

返回头来看历史,李政道和杨振宁1956年所提出的“宇称不守恒”应该是早在1928年就在R. T. Cox等人的实验中被观察到了1】,但当时未引起人们的注意,因为谁也没想到会有宇称不守恒的情形出现。“宇称”是量子物理中的专业名词,它与公众熟知的“镜像对称”有关。

上帝是个左撇子?

图15-1:镜像反射

每个人都有照镜子的经验,在镜子中,你的左手变成了右手,右手变成左手。因此,对一个具体实物而言,镜像对称就是左右对称,如图15-1所示。如果用数学的语言描述的话,镜中所成之像对原像而言,是将三维空间中的一个坐标轴(图中的x)的方向反过来(x’=-x)的变换,或称之为反射变换。因此,照镜子就是进行了一个反射变换。对二维图案来说(图15-1a),比如字母“A”,镜像对称的意思是说它在左右反射变换下保持其形状不变。但如果考虑三维物体的镜像反射变换,除了“左右”变换之外,还有一个重要的变换特征:手征性。也就是如图15-1b所示的,原像中右旋的螺丝钉,其镜像变成了左旋的螺丝钉。手征性也可以用三维空间笛卡尔坐标系三个坐标轴的相对方向来表示,如图中所示,镜像反射使右手坐标系变成了左手坐标系。

右手坐标系是我们常用的坐标系统,就像日常生活中常见的螺丝钉,大多数都是右旋的。在图15-1b所示的右手坐标系中,如果将右手四个手指从x轴向y轴旋转弯曲,大拇指的指向正好就是z轴的方向。右旋螺钉也有类似的性质,当我们顺着右手四个手指方向,即顺时针方向,旋转右旋螺钉时,螺钉向着拇指所指的方向移动,这叫做右手法则。左手坐标系(或左旋螺钉)的性质则不一样,上面的说法需要反过来,将“右手法则”换成“左手法则”。

物理中与宇称相关的反射变换,便可以定义为将右手坐标系变成左手坐标系的变换。在三维空间中实现反射变换的方法是将空间的奇数个坐标(一个或者三个)反向,为方便起见,我们仅考虑三个空间坐标轴(x,y,z)同时反向的情况,或称“空间反演”,见图15-2。

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图15-2:空间反演变换

根据诺特定理,每一种连续对称变换都将对应一个守恒量。诺特定理也能推广到离散对称群的情况,空间反演所对应的守恒量即为“宇称”。

粒子物理学中,根据每种粒子的波函数的空间反演变换性质,可以赋予它一个内禀的宇称量子数:偶宇称(表示为1)对应于空间反演下不变的波函数,奇宇称(-1)对应于空间反演下符号改变的波函数。多个粒子系统总的宇称,等于其组成粒子宇称之乘积。如果系统总宇称在反应过程前后保持不变,则谓宇称守恒,反之则为宇称不守恒。

因而,实验上可以从两个方面来检验宇称守恒与否,一是直接从反应前后总宇称的变化,另一个方法则是从对称性考虑,检验在空间反演变换下,物理规律是否不变。

刚才说过,空间反演变换不过就是从右手坐标系变换成左手坐标系,而使用右手坐标系还是左手坐标系?螺丝加工成右旋或左旋?这些似乎只是一种人为的约定,应该与大自然遵循的物理规律无关。换言之,物理规律似乎不应该以我们使用的是右手坐标系还是左手坐标系而改变,因此,在1956年之前,物理学家们都坚定地认为宇称是守恒的,亦即一切物理过程都应该遵循“宇称守恒定律”。

不过,世界上的怪事多多,特别是在微观领域,奇怪的量子世界中,更是无奇不有。最开始让人怀疑到宇称守恒的是所谓“q-t之谜”。物理学家们发现,当高能质子和原子核碰撞时产生的K介子有两种完全不同的衰变方式:有时衰变成两个p介子,有时衰变成三个p介子。因为p介子的内禀宇称值为-1,所以,在衰变成两个p介子的情况,总宇称是(-1)2=+1,而衰变成三个p介子的情况,总宇称是(-1)3=-1。对任何物理现象的解释总是从“瞎子摸象”式的猜测开始的。物理学家们分析,如果宇称是守恒的,那么衰变之前的K介子应该是两种宇称相反的粒子:偶宇称的被称为q,奇宇称的被称为t。这两种粒子的其它性质,包括自旋、质量、电荷等等,几乎完全一样,因此,人们总怀疑它们就是一种粒子。K介子的衰变(b)属于弱相互作用,如果把它们(q和t)当成是同一种粒子,就必然要否定宇称守恒,起码要否定弱相互作用中的宇称守恒。

李政道和杨振宁首先深入研究了这个问题,他们查阅了很多有关文献及实验资料,发现在强相互作用及电磁作用中,许多实验结果以很高的精度证明宇称守恒,但对弱相互作用却缺乏强劲的实验证据。并且,在本文一开始提到的1928年R. T. Cox等人提交给美国国家科学院的实验报告中,报告了作者们在b射线的双散射实验中观察到极化方向的不对称性,这可算是弱作用宇称不守恒的最早实验证据。

1956年6月,李政道与杨振宁在美国《物理评论》上共同发表《弱相互作用中的宇称守恒质疑》的论文2】,认为基本粒子弱相互作用内存在“不守恒”,宣称θ和τ是两种完全相同的粒子。文章在物理界引起巨大反响,泡利强烈地表示,绝不相信上帝会是个弱左撇子,并准备投入大赌注与人打赌,不过幸亏只是口说无凭,没真正投赌注。费曼也坚信宇称守恒而与人打赌,一年后只好认输付钱,还好赌金只是50美元而已。另外一位著名的物理学家就更有意思了,研究晶体的布洛赫曾经说,如果宇称不守恒,他就把自己的帽子吃掉!后来宇称不守恒被证实之后,布洛赫便耍赖皮说自己根本没有帽子。

李政道和杨振宁认识到,要大家承认弱作用的宇称不守恒,关键问题是实验。他们设计了几种相关的实验方法,并且自然地想到了他们的华人同胞,实验女王吴健雄。吴健雄与李政道同是哥伦比亚大学物理系的教授,是作b衰变实验的专家。她非常感兴趣做这个关键性的实验,那时正值1956年圣诞假日的前夕,吴健雄本来要和夫婿袁家骝一起去日内瓦参加一个学术会议,再去远东演讲旅行,并回中国家乡探亲。但她实在不愿放弃这个验证如此重要物理定律的机会,最后决定让丈夫单独去旅行,自己留下进行实验。

1957年1月15日,《物理评论》杂志收到了吴健雄等人实验证明宇称不守恒的论文3】。吴健雄实验的目的是检验钴60原子衰变时的物理过程是否具有镜像对称性,如图15-3a所示。实验需要在极低温(0.01K)的条件下进行,使用强磁场把钴60原子核的自旋方向转向左旋或右旋。图15-3a中将右旋原子核的b衰变叫做“原来实验”,左旋原子核的b衰变叫做“镜像实验”。如果b衰变中的宇称守恒的话,预料的b射线方向在图中应该向上。在吴健雄的真实实验设计中,“原来”和“镜像”两个实验同时进行,并将宇称守恒预言的两个b射线方向左右对称安置。也就是说,如果宇称守恒成立的话,实验结果应该有左右方向相等的角分布,否则便违背了宇称守恒。最后的实验结果显示角分布的明显不对称,因而证实了弱相互作用中的宇称不守恒4

在这件事情上,“上帝鞭子”泡利又演绎出了一段有趣的故事。

上帝是个左撇子?

图15-3:(a)吴健雄的实验(b)泡利宣布宇称女士“不幸逝世”的訃文

泡利是吴健雄的朋友加老师,泡利赏识吴健雄的才能,吴也曾经自称是“物理巨擎泡利的得意门生”。当泡利得知吴健雄计划进行实验以证实宇称不守恒时,很是为她遗憾,认为这是一个毫无疑问注定要失败的实验,认为那些实验将一定会显示“对称的角分布”。

可惜那个时代没有互联网,信息来得太不及时,就在吴健雄已经宣布了实验结果的两天之后,泡利还蒙在鼓里,给朋友VictorWeisskopf的信中仍然说“不相信上帝是一个弱左撇子”,还写了些准备要用重金打赌之类的话。倒霉的泡利刚发出这封信,就听到了吴健雄实验证实宇称不守恒的消息,这让泡利感到懊恼,立刻想到了他尚未进行的“重金赌注”,不过暗暗庆幸并没有真赌,幽默地对朋友说,我可输不起钱财,因为我没有,但还输得起名誉,因为我的名誉太多了。最后还给宇称守恒被打破写了几句有趣的訃文(图15-3b),给自己搭了个台阶好下台,泡利写道:

“我们伤心地宣布,我们的朋友宇称女士,在经历了短暂的手术痛苦之后,于1957年1月19日去世了。”

訃文的落款是e,μ,ν,三个弱相互作用主角的符号:电子、μ 子、和中微子。

上帝果然是个弱左撇子,李政道和杨振宁因为打破了这个对称而共同获得1957年的诺贝尔物理学奖。这项成就,从发表文章到得奖不过一年左右,在诺贝尔奖的历史上十分少见,这和吴健雄及时的实验证实非常有关。三位杰出的华人物理学家,在科学史上合作谱写出了一段美妙的旋律。

普林斯顿高等研究院院长奥本海默曾经说,当年李政道和杨振宁坐在普林斯顿高等研究院草地上讨论问题,是一道令人赏心悦目的风景。非常令人遗憾,之后的50多年,却是草地依旧,风景不再。

参考文献:

【1】R. T. Cox, C. G.McIlwraith, and B. Kurrelmeyer,Apparent Evidence ofPolarization in a Beam of β-Rays,Proc Natl Acad Sci U SA. 1928 Jul; 14(7): 544–54

【2】Lee, T. D.; Yang,C. N. (1956). "Question of Parity Conservation in Weak Interactions".Physical Review 104 (1): 254–258.

【3】Wu, C. S.;Ambler, E.; Hayward, R. W.; Hoppes, D. D.; Hudson, R. P. (1957)."Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay". PhysicalReview 105 (4): 1413–1415.

【4】The fall ofparity,Herwig Schopper, University Hamburg and CERN

王真 本文来源:科学网 责任编辑:王晓易_NE0011
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