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為什麼破鏡不能重圓?楊振甯的“宇稱不守恒”理論告訴你答案

作者:譚談小百科

一百歲的楊振甯到底給世界帶來了什麼?在回答這個問題之前,首先必須肯定的是,楊振甯是當今世界尚在的最偉大的實體學家,沒有之一,在人類實體學大廈的豐碑上,他的名字僅次于牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋幾位寥寥巨擎。

為什麼破鏡不能重圓?楊振甯的“宇稱不守恒”理論告訴你答案

楊振甯可以達到諾獎級别的成就有13項,其中最著名的有兩項,一個就是獲得諾貝爾獎的“宇稱不守恒理論”,另一個就是大名鼎鼎的“楊——米爾斯方程”。

我們先來說說“宇稱不守恒理論”,這裡有一個關鍵詞“宇稱”,用科學家的話說,宇稱是内禀宇稱的簡稱。,它是表征粒子或粒子組成的系統在空間反射下變換性質的實體量。在空間反射變換下,粒子的場量隻改變一個相因子,這相因子就稱為該粒子的宇稱。我們也可以簡單地了解為,宇稱就是粒子照鏡子時,鏡子裡的影像是不對稱的。

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這裡所說的粒子又是什麼呢?就是“以自由狀态存在的最小物質組成部分”,是比原子更小的機關,現代實體學中的粒子有數百種,包括電子、介子、誇克、輕子等。

了解了粒子和宇稱的概念,再來看“宇稱不守恒”的定義:在弱互相作用力中,互為鏡像的物質的運動不對稱。翻譯成通俗的語言就是:在原子核内部的粒子,在弱互相作用力中照鏡子,運動軌迹是不對稱的,是不是有點奇怪?畢竟常識告訴我們,鏡子裡的鏡像和鏡子外的物體,應該是完全對稱才對,就像你照鏡子,鏡子中的你不僅和你長的一樣,動作也完全一緻。

注意這裡的不對稱還有一個前提,就是在“弱互相作用下的微觀粒子”,粒子我們已經說過了,弱互相作用力又是什麼呢?

我們目前發現的宇宙中存在四大基本力,分别是引力,電磁力,強核力,弱核力;引力我們都知道,就是牛頓小時候被蘋果砸了腦袋之後發現的那個,電磁力包括電力和磁力兩部分,它是指基本粒子在電荷、電流和磁場的互相作用下産生的力。在我們日常生活中最常見的摩擦力、支撐力、彈力之類的,歸根結底都是電磁力的作用。電磁力也好了解,你拿一把梳子梳一下頭發,梳子就能吸起小紙屑,這就是電磁力。

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有點難了解的是強力和弱力,因為它是發生在原子層面的,我們都知道,原子是由原子核和核外電子組成的,而原子核又是由質子和中子組成的,這個強核力就是把質子和中子hold住,不讓原子核散架的力,與強力相對應的就是弱力,弱力就是主導核裂變的力,如果說強力是搞團結的力,弱力就是搞分裂的,當質子和中子越來越多,強力也就hold不住弱力了,這個時候核裂變就發生了,比如原子彈就是利用鈾235發生核裂變釋放出巨大能量的原理制成的。

明白了什麼叫弱互相作用力,我們再來看看“宇稱不守恒”的定義,就是在善于搞分裂的弱核力作用力下,粒子在照鏡子時,發現鏡子裡的那個影像,竟然跟自己的動作不對稱。這實在是太不可思議了!

為什麼破鏡不能重圓?楊振甯的“宇稱不守恒”理論告訴你答案

在“宇稱不守恒”理論出現之前三十年裡,實體學界一直認為在微觀世界裡,基本粒子由三種基本的對稱方式,一個是粒子和反粒子的互相對稱,這裡解釋一下什麼叫反粒子,就是所有的粒子都有與其品質、壽命、自旋、磁矩大小相同,帶電量相等且符号相反、磁矩和自旋的取向關系也相反的反粒子,比如電子e-的反粒子就是正電子e+,質子的反粒子就是反質子,粒子和反粒子相遇就會發生湮滅進而轉變成别的粒子。

第二種對稱就是空間反射對稱,就是同一種粒子之間互為鏡像,它們的運動規律是相同的,這就是宇稱,也即是楊振甯公關的那個;第三種是時間反演對稱,就是說如果我們颠倒粒子的運動方向,粒子的運動也是相同的,也就是時間對稱。

以上所說的微觀世界的三種對稱,因為符合常識是以看起來無懈可擊,那麼楊振甯又是怎麼發現“宇稱不對稱”的呢?時間回到1956年,當時的科學家發現θ(西塔)和τ(套)兩種介子的自旋、品質、壽命、電荷等完全相同,多數人認為它們是同一種粒子,但θ介子衰變時産生兩個π介子,τ子衰變時産生3個,這又說明它們是不同種粒子。

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1956年,李政道和楊振甯在深入研究之後大膽斷言:τ和θ是完全相同的同一種粒子(後來被稱為K介子),但在弱互相作用的環境中,它們的運動規律卻不一定完全相同,通俗地說,這兩個相同的粒子如果互相照鏡子的話,它們的衰變方式在鏡子裡和鏡子外居然不一樣!用科學語言來說就是,“θ-τ”粒子在弱互相作用下是宇稱不守恒的。

一開始,科學家們認為,“θ-τ”粒子隻是一個特殊例外,可沒多久,同為華裔的實驗實體學家吳健雄用一個巧妙的實驗驗證了“宇稱不守恒”,這時“宇稱不守恒”才真正被承認為一條具有普遍意義的基礎科學原理。

吳健雄用兩套實驗裝置觀測钴60的衰變,她在0.01K的極低溫,也就是攝氏0下273點14度下,用強磁場把一套裝置中的钴60原子核自旋方向轉向左旋,把另一套裝置中的钴60原子核自旋方向轉向右旋,這兩套裝置中的钴60互為鏡像。實驗結果表明,這兩套裝置中的钴60放射出來的電子數有很大差異,而且電子放射的方向也不能互相對稱。實驗結果證明了弱互相作用中的宇稱不守恒。

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東方“居裡夫人”吳健雄

自從宇稱守恒定律被李政道和楊振甯打破後,科學家很快又發現,粒子和反粒子的行為并不是完全一樣的!一些科學家進而提出,可能正是由于實體定律存在輕微的不對稱,才導緻宇宙大爆炸之初生成的物質比反物質略多了一點點,大部分物質與反物質湮滅了,剩餘的物質才形成了我們今天所認識的世界。如果實體定律嚴格對稱,那麼宇宙大爆炸之後應當誕生了數量相同的物質和反物質,但正反物質相遇後就會立即湮滅,那麼,星系、地球乃至人類就都沒有機會形成了。

再後來,科學家發現連時間本身也不再具有對稱性了!

日常生活中,時間之箭永遠隻有一個朝向,就像老人不能變年輕,打碎的花瓶無法複原,過去與未來的界限泾渭分明。不過,在實體學家眼中,時間卻一直被視為是可逆轉的。比如說一對光子碰撞産生一個負電子和一個正電子,而正負電子相遇則同樣産生一對光子,這兩個過程都符合基本實體學定律,在時間上是對稱的。但是如果用錄影機拍下其中一個過程然後播放,觀看者将不能判斷錄像帶是在正向還是逆向播放——從這個意義上說,時間沒有了方向。

1998年,實體學家們首次在微觀世界中發現了違背時間對稱性的事件。歐洲原子能研究中心的科研人員發現,正負K介子在轉換過程中存在時間上的不對稱性:反K介子轉換為K介子的速率要比其逆轉過程——即K介子轉變為反K介子來得要快。

至此,粒子世界的三種對稱性理論全部被打破了,世界從本質上被證明了是不完美的、有缺陷的,粒子的本質是電磁互相作用。也許正是這種粒子的互相作用影響差異,使得粒子能量運動狀态發生改變而導緻宇稱不守恒。

說了這麼多,宇稱不守恒到底有什麼實際意義呢?還是再回到日常照鏡子的場景,由于粒子層面不存在絕對的守恒,是以鏡像也并非完全對稱,不僅我們在鏡子中看到的一切是不真實的,就連時間也不具備對稱性,也就是說不僅現實生活破鏡無法重圓,就連看似可能的穿越時空回到過去也成為不可能。

不過,宇稱不守恒理論的意義并不至于這些,最大的意義還是在于,它定義了絕對的左和右,在現實生活中,當我們照鏡子的時候,你伸出的左手,鏡子中的你就會伸出右手,是以說左和右實際上和我們所處的空間位置有關,當一個人和你面對面或者并排的時候,左和右實際上是相反的,這是因為你會認為鏡子中的一切都是對稱守恒的,是以沒有絕對的左和右,也就是說,當你揮動左手,鏡子中的你揮動右手,如果給别人看這兩段錄像,他能不能分辨哪個是鏡子外的,哪個是鏡子内的?在日常經驗的範圍内,答案顯然是:無法分辨。

為什麼破鏡不能重圓?楊振甯的“宇稱不守恒”理論告訴你答案

可現在楊振甯的宇稱不守恒理論颠覆了這個常識,所謂的左和右是絕對的!

我們來假設一個場景,當我們遇到一個外星人,隻能通話不能見面,怎樣才能介紹自己呢?外星人問你,地球人有多高啊?你回答說,我有1米7,外星人又問,請問1米又是多高呢?外星人不會懂得地球人的度量衡,是以你必須用一種外星人能夠了解的語言來描述,你可以說,你們知道氫原子吧?就是一個質子和一個電子組成的最小的原子。按照我們的機關制,1米大約是氫原子半徑的200億倍。這時候外星人就知道了,原來你的身高就是氫原子半徑的340億倍啊!外星人接着問,你們的心髒在哪邊啊?你會說心髒在左邊啊?外星人又蒙了,什麼是左啊?這時候你一定也蒙了,怎麼跟外星人解釋左是什麼呢?這個時候你就可以這樣回答,隻要在極低溫下給大量的钴-60原子核加一個磁場,讓它們的自旋整齊地排列起來,然後觀察它們發射出的電子的角度分布。假如宇稱守恒,這個角度分布就是均勻的,從中不能提取出任何資訊。但這裡宇稱不守恒,是以這個分布并不均勻。事實上,大多數電子是從與磁場相反的方向發射出去的。由此就可以把大多數電子的發射方向稱為“上”,把磁場方向稱為“下”。而在确定磁場方向時,用到了左手定則是以,把這種磁場方向定義為“下”的那隻手就叫做左手!至于使用左手法則來判斷磁力線方向,這是高中實體課本的知識,這裡就不贅述了。

為什麼破鏡不能重圓?楊振甯的“宇稱不守恒”理論告訴你答案

在1956年楊振甯和李政道提出“宇稱不守恒”理論,到1957年獲得諾貝爾獎,僅僅過了一年多時間,創下諾獎頒發最快時間記錄,這要從一個側面證明了這一理論的偉大意義。

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