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宇称不守恒定律_宇称不守恒定律的意义
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发布时间:2019-02-08加入收藏来源:互联网点击:
宇称不变跟他的几个兄弟一样,一路帮助物理学家们过关斩将,所向披靡,没有人怀疑宇称守恒的“忠心”。
直到有一天,从战火中的中国走出来了两个天才物理学家:杨振宁和李政道。
首先我们要清楚,向物理世界中这些最基本最基础最“显而易见”的东西开炮是需要极大的勇气和极高的洞察力的,这种最底层的根基一旦被动摇了,物理学的世界接下来肯定就要地动山摇、天翻地覆。
粗算一下,上一次对如此基础的概念开炮还是爱因斯坦对牛顿绝对时间和绝对空间的抨击,以及量子力学的革命。
两朵乌云引发相对论和量子力学革命的故事我们已经很熟悉了,那么,杨振宁和李政道为什么要向宇称守恒这么基本的东西开炮呢?
这个原因还得从弱相互作用,也就是常说的弱力开始说起。
07. 弱相互作用
我们在自然界发现的所有作用力最终都可以归结为这四种:引力、电磁力、强力、弱力。引力和电磁力我们很熟悉,强力和弱力都发生在原子核里面,我们平常接触不到。
强力简单的说就是粘着质子、中子、夸克不让原子核分崩离析的那种力(不然的话,质子都带正电,它们之间同电荷产生的排斥力早就把原子核给拆了),弱力是造成放射原子核衰变的那种力,就是中子变成质子,质子变成中子那个过程中的力。
弱力出现最典型的一个场景就是β衰变。
我们都知道原子核是由质子和中子组成的,元素周期表里的那个元素的排序(所谓的原子序数)就是按照质子数来排的。
然而,原子核内的质子和中子并不是一直固定不变的,在一定条件下,质子可以变成中子,中子也可以变成质子,这个相互变化的过程就β衰变,而在这个过程中发挥作用的就是弱相互作用力,即弱力。
最早描述弱力的是费米的理论,而这个费米,正是杨振宁和李政道的导师。
08. θ-τ之谜
在20世纪四五十年代,科学家们在宇宙射线里探测到了许多新的粒子,这些粒子并没有在理论中被预言,因此被称为“奇异粒子”。
由于宇宙射线有许多人为不可控的因素,为了更好的研究,人们开始自己制造粒子加速器。粒子加速器听起来很高大上,但是大家的使用方法其实很简单粗暴:就是把一些粒子加速到很高的速度(因此具有很高的能量),然后把它们当枪使,让这些高能粒子去撞各种东西,看看能不能撞出一些新东西出来。
不过,虽然手法简单,但是效果却非常显著:科学家们撞出了一堆稀奇古怪的“奇异粒子”,而在这些粒子当中,物理学家们最感兴趣的就是θ和τ粒子。
它们有一些非常奇特难解的特,被当时的物理学家们成为“θ-τ之谜”。
θ和τ这两种粒子的生命非常短,很快会衰变成其他的粒子,物理学家们也是通过观察衰变之后东西才推测它们的存在。
它们奇怪的地方就在于:θ粒子在衰变的时候会产生两个π介子,而τ粒子在衰变的时候会产生三个π介子。
有人会说这有什么奇怪的?一个粒子衰变产生两个那个叫啥π介子的东西,另一个产生三个,这不是很稀松平常的事么,难道粒子衰变生成几个介子还要受法律约束不成?
没错,单纯这有看,确实没什么奇怪的。
但是,随后人们就发现,θ和τ这两种粒子无论是电荷、自旋还是质量都一模一样,这哥俩无论怎么看都像是同样一个粒子,但是它们的衰变结果却不一样,这就尴尬了。
更为尴尬的是,澳大利亚的物理学家达利兹仔细的研究了这两个粒子,利用当时普遍被接受的物理定律去做了一个计算分析,结果表明θ和τ的宇称数不一样,因此不可能是同一种粒子。
当时的局面是,有人认为θ和τ是不同的粒子,有人认为他们是相同的粒子,但是认为它们是相同粒子的人也无法解释为什么它们的衰变结果和宇称数不一样(也就是宇称不守恒)。
其实,当时一些科学已经注意到宇称守恒的成立与否是一个重要的方向,但是由于对称在理论物理里实在太重要了,要去质疑它们要不是极聪明就是极蠢。
另外,关于宇称的定律在之前的粒子物理里一直都用的很好,因此只要提出宇称不守恒的想法,很快就会碰到互相抵触的地方。
如果杨振宁和李政道认为宇称不守恒是解开θ-τ之谜的关键点,那就得先得把那些相互抵触的问题都解决掉,并且还要解释为什么之前的各种相关现象并不违反宇称守恒。
当然,他们做到了!
09. 弱相互作用下的宇称不守恒
在前面我们就提到了,基本相互作用力里的强力和弱力都是在原子核发生的,因此,这两种力很容易搅和在一起。有些物理学家即便感觉宇称可能不守恒,但是一旦他们认为宇称在强力和弱力下都不守恒,接下来肯定会碰到满头包。
杨振宁和李政道敏锐的发现了这一点:把原子核黏在一起的是强力,原子核发生衰变是弱力,如果我们把这两个过程的对称分开来看,也就是说,假如我只认定宇称在强相互用力中守恒,而在弱相互作用力中不守恒,那θ-τ之谜看起来就容易多了。
把强、弱相互作用力区分讨论宇称,这是一个很美妙的想法。
如果弱相互作用下宇称不守恒,那么θ和τ粒子就可以看做同一个粒子不同衰变方式,于是杨振宁和李政道就把目光锁定到弱相互作用去了。
因此,虽然θ和τ粒子的衰变过程也是弱相互作用,但是这种奇异粒子的弱相互作用我们了解有限,既然要研究弱相互作用,那当然是研究我们最熟悉的弱相互作用了。那么,我们最熟悉的弱相互作用是什么呢?大声说出来:
β衰变!β衰变!β衰变!
答案当然是β衰变,所以,杨、李二人立马就对过去已有的各种β衰变进行计算考查,结果他们发现:在过去所有的β衰变实验里,实验结果跟β衰变中宇称是否守恒完全没有关系。
这是一个令人震惊的结果,也就是说,在过去的那些有弱相互作用力参与的β衰变实验里,宇称守恒与否并不会影响他们的实验结果,所以杨振宁和李政道的想法并没有被过去的实验证伪。
当然,也没有被证实。
后来,杨振宁这样描述他们对这个结果的反应:长久以来,在毫无实验根据的情况下,人们都相信弱相互作用下宇称守恒,这是十分令人惊愕的。
但是,更令人惊愕的是,物理学如此熟知的一条时空对称定律面临破产,我们不喜欢这种前景,只是因为试图理解θ-τ之谜的其他各种努力都归于失败,我们才不得不考虑这样一种情景。
现在新的问题来了:既然β衰变是典型的弱相互作用,那么为什么我们之前做的那么多β衰变的实验都刚好跟宇称守恒无关呢?
经过一番苦思冥想之后,杨、李发现了问题的关键:要想用实验检验弱相互作用中宇称是否守恒,必须测量赝标量(这是跟核的自旋和电子的动量相关的一个物理量,有个印象就行),而之前的β衰变实验都没有测量这个,所以实验结果就跟宇称是否守恒完全无关。
认识到这一点之后,杨振宁和李政道就重新设计了几个可以检验宇称是否守恒的实验,并把具体的实验方法和之前的分析都写进那篇非常著名的论文《在弱相互作用中,宇称是否守恒?》中去了,然后投给了《物理评论》。
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