为什么破镜不能重圆？杨振宁的“宇称不守恒”理论告诉你答案

纯牛马 · 昨天 21:04

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一百岁的杨振宁到底给世界带来了什么？在回答这个问题之前，首先必须肯定的是，杨振宁是当今世界尚在的最伟大的物理学家，没有之一，在人类物理学大厦的丰碑上，他的名字仅次于牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦几位寥寥巨擎。

杨振宁可以达到诺奖级别的成就有13项，其中最著名的有两项，一个就是获得诺贝尔奖的“宇称不守恒理论”，另一个就是大名鼎鼎的“杨——米尔斯方程”。

“宇称不守恒”是什么意思？
我们先来说说“宇称不守恒理论”，这里有一个关键词“宇称”，用科学家的话说，宇称是内禀宇称的简称。，它是表征粒子或粒子组成的系统在空间反射下变换性质的物理量。在空间反射变换下，粒子的场量只改变一个相因子，这相因子就称为该粒子的宇称。我们也可以简单地理解为，宇称就是粒子照镜子时，镜子里的影像是不对称的。

这里所说的粒子又是什么呢？就是“以自由状态存在的最小物质组成部分”，是比原子更小的单位，现代物理学中的粒子有数百种，包括电子、介子、夸克、轻子等。
了解了粒子和宇称的概念，再来看“宇称不守恒”的定义：在弱相互作用力中，互为镜像的物质的运动不对称。翻译成通俗的语言就是：在原子核内部的粒子，在弱相互作用力中照镜子，运动轨迹是不对称的，是不是有点奇怪？毕竟常识告诉我们，镜子里的镜像和镜子外的物体，应该是完全对称才对，就像你照镜子，镜子中的你不仅和你长的一样，动作也完全一致。
注意这里的不对称还有一个前提，就是在“弱相互作用下的微观粒子”，粒子我们已经说过了，弱相互作用力又是什么呢？
我们目前发现的宇宙中存在四大基本力，分别是引力，电磁力，强核力，弱核力；引力我们都知道，就是牛顿小时候被苹果砸了脑袋之后发现的那个，电磁力包括电力和磁力两部分，它是指基本粒子在电荷、电流和磁场的相互作用下产生的力。在我们日常生活中最常见的摩擦力、支撑力、弹力之类的，归根结底都是电磁力的作用。电磁力也好理解，你拿一把梳子梳一下头发，梳子就能吸起小纸屑，这就是电磁力。

有点难理解的是强力和弱力，因为它是发生在原子层面的，我们都知道，原子是由原子核和核外电子组成的，而原子核又是由质子和中子组成的，这个强核力就是把质子和中子hold住，不让原子核散架的力，与强力相对应的就是弱力，弱力就是主导核裂变的力，如果说强力是搞团结的力，弱力就是搞分裂的，当质子和中子越来越多，强力也就hold不住弱力了，这个时候核裂变就发生了，比如原子弹就是利用铀235发生核裂变释放出巨大能量的原理制成的。
明白了什么叫弱相互作用力，我们再来看看“宇称不守恒”的定义，就是在善于搞分裂的弱核力作用力下，粒子在照镜子时，发现镜子里的那个影像，竟然跟自己的动作不对称。这实在是太不可思议了！

在“宇称不守恒”理论出现之前三十年里，物理学界一直认为在微观世界里，基本粒子有三种基本的对称方式，一个是粒子和反粒子的互相对称，这里解释一下什么叫反粒子，就是所有的粒子都有与其质量、寿命、自旋、磁矩大小相同，带电量相等且符号相反、磁矩和自旋的取向关系也相反的反粒子，比如电子e-的反粒子就是正电子e+，质子的反粒子就是反质子，粒子和反粒子相遇就会发生湮灭从而转变成别的粒子。
第二种对称就是空间反射对称，就是同一种粒子之间互为镜像，它们的运动规律是相同的，这就是宇称，也即是杨振宁公关的那个；第三种是时间反演对称，就是说如果我们颠倒粒子的运动方向，粒子的运动也是相同的，也就是时间对称。

“宇称不对称”是怎么被发现的？
以上所说的微观世界的三种对称，因为符合常识所以看起来无懈可击，那么杨振宁又是怎么发现“宇称不对称”的呢？时间回到1956年，当时的科学家发现θ（西塔）和τ（套）两种介子的自旋、质量、寿命、电荷等完全相同，多数人认为它们是同一种粒子，但θ介子衰变时产生两个π介子，τ子衰变时产生3个，这又说明它们是不同种粒子。

1956年，李政道和杨振宁在深入研究之后大胆断言：τ和θ是完全相同的同一种粒子(后来被称为K介子)，但在弱相互作用的环境中，它们的运动规律却不一定完全相同，通俗地说，这两个相同的粒子如果互相照镜子的话，它们的衰变方式在镜子里和镜子外居然不一样！用科学语言来说就是，“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的。
一开始，科学家们认为，“θ-τ”粒子只是一个特殊例外，可没多久，同为华裔的实验物理学家吴健雄用一个巧妙的实验验证了“宇称不守恒”，这时“宇称不守恒”才真正被承认为一条具有普遍意义的基础科学原理。

“宇称不对称”是怎么被证明的？
吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变，她在0.01K的极低温，也就是摄氏0下273点14度下，用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明，这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异，而且电子放射的方向也不能互相对称。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。

东方“居里夫人”吴健雄
自从宇称守恒定律被李政道和杨振宁打破后，科学家很快又发现，粒子和反粒子的行为并不是完全一样的！一些科学家进而提出，可能正是由于物理定律存在轻微的不对称，才导致宇宙大爆炸之初生成的物质比反物质略多了一点点，大部分物质与反物质湮灭了，剩余的物质才形成了我们今天所认识的世界。如果物理定律严格对称，那么宇宙大爆炸之后应当诞生了数量相同的物质和反物质，但正反物质相遇后就会立即湮灭，那么，星系、地球乃至人类就都没有机会形成了。
再后来，科学家发现连时间本身也不再具有对称性了！
日常生活中，时间之箭永远只有一个朝向，就像老人不能变年轻，打碎的花瓶无法复原，过去与未来的界限泾渭分明。不过，在物理学家眼中，时间却一直被视为是可逆转的。比如说一对光子碰撞产生一个负电子和一个正电子，而正负电子相遇则同样产生一对光子，这两个过程都符合基本物理学定律，在时间上是对称的。但是如果用摄像机拍下其中一个过程然后播放，观看者将不能判断录像带是在正向还是逆向播放——从这个意义上说，时间没有了方向。
1998年，物理学家们首次在微观世界中发现了违背时间对称性的事件。欧洲原子能研究中心的科研人员发现，正负K介子在转换过程中存在时间上的不对称性：反K介子转换为K介子的速率要比其逆转过程——即K介子转变为反K介子来得要快。
至此，粒子世界的三种对称性理论全部被打破了，世界从本质上被证明了是不完美的、有缺陷的，粒子的本质是电磁相互作用。也许正是这种粒子的相互作用影响差异，使得粒子能量运动状态发生改变而导致宇称不守恒。

宇称不守恒有什么实际意义？
说了这么多，宇称不守恒到底有什么实际意义呢？还是再回到日常照镜子的场景，由于粒子层面不存在绝对的守恒，所以镜像也并非完全对称，不仅我们在镜子中看到的一切是不真实的，就连时间也不具备对称性，也就是说不仅现实生活破镜无法重圆，就连看似可能的穿越时空回到过去也成为不可能。
不过，宇称不守恒理论的意义并不至于这些，最大的意义还是在于，它定义了绝对的左和右，在现实生活中，当我们照镜子的时候，你伸出的左手，镜子中的你就会伸出右手，所以说左和右实际上和我们所处的空间位置有关，当一个人和你面对面或者并排的时候，左和右实际上是相反的，这是因为你会认为镜子中的一切都是对称守恒的，所以没有绝对的左和右，也就是说，当你挥动左手，镜子中的你挥动右手，如果给别人看这两段录像，他能不能分辨哪个是镜子外的，哪个是镜子内的？在日常经验的范围内，答案显然是：无法分辨。

可现在杨振宁的宇称不守恒理论颠覆了这个常识，所谓的左和右是绝对的！
我们来假设一个场景，当我们遇到一个外星人，只能通话不能见面，怎样才能介绍自己呢？外星人问你，地球人有多高啊？你回答说，我有1米7，外星人又问，请问1米又是多高呢？外星人不会懂得地球人的度量衡，所以你必须用一种外星人能够理解的语言来描述，你可以说，你们知道氢原子吧？就是一个质子和一个电子组成的最小的原子。
按照我们的单位制，1米大约是氢原子半径的200亿倍。这时候外星人就知道了，原来你的身高就是氢原子半径的340亿倍啊！外星人接着问，你们的心脏在哪边啊？你会说心脏在左边啊？外星人又蒙了，什么是左啊？这时候你一定也蒙了，怎么跟外星人解释左是什么呢？这个时候你就可以这样回答，只要在极低温下给大量的钴-60原子核加一个磁场，让它们的自旋整齐地排列起来，然后观察它们发射出的电子的角度分布。
假如宇称守恒，这个角度分布就是均匀的，从中不能提取出任何信息。但这里宇称不守恒，所以这个分布并不均匀。事实上，大多数电子是从与磁场相反的方向发射出去的。由此就可以把大多数电子的发射方向称为“上”，把磁场方向称为“下”。而在确定磁场方向时，用到了左手定则所以，把这种磁场方向定义为“下”的那只手就叫做左手！至于使用左手法则来判断磁力线方向，这是高中物理课本的知识，这里就不赘述了。

在1956年杨振宁和李政道提出“宇称不守恒”理论，到1957年获得诺贝尔奖，仅仅过了一年多时间，创下诺奖颁发最快时间记录，这要从一个侧面证明了这一理论的伟大意义。

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