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2009-12-17
杨振宁教授1951年与李政道教授合作,并于1956年共同提出“弱相互作用中宇称不守恒”定律。
              这个道理其实很简单。对称性反映不同物质形态在运动中的共性,而对称性的破坏才使得它们显示出各自的特性。如同建筑和图案一样,只有对称而没有它的破坏,看上去虽然很规则,但同时显得单调和呆板。只有基本上对称而又不完全对称才构成美的建筑和图案。大自然正是这样的建筑师。当大自然构造像DNA这样的大分子时,总是遵循复制的原则,将分子按照对称的螺旋结构联接在一起,而构成螺旋形结构的空间排列是全同的。但是在复制过程中,对精确对称性的细微的偏离就会在大分子单位的排列次序上产生新的可能性,从而使得那些更便于复制的样式更快地发展,形成了发育的过程。因此,对称性的破坏是事物不断发展进化,变得丰富多彩的原因。

              现代宇宙理论曾认为,宇宙大爆炸之初应该产生等量物质和反物质,但当今的宇宙却主要为物质世界所主宰,这一现象一直让人困惑。欧洲核子中心新实验证明,反物质转化为物质的速度要快于其相反过程,因此它为宇宙中物质量为何远远超过反物质量提供了部分答案。另外,新成果对物理学基本对称定律研究也有重要意义。物理学家们一直认为,除了基本物理定律不受时间方向性影响外,物体在空间物理反射的过程以及粒子与反粒子的变换过程也应遵循对称性。时间、宇称和电荷守恒定律被认为是支撑现代物理学的基础之一。
              
            时间、宇称和电荷作为一个整体被认为应该守恒,物理学家们曾猜想说,时间在特定情况下会违背对称性。欧洲核子中心的成果首次证实了这一猜想。
              
              目前普遍接受的物理学理论认为,每一种基本粒子都有其对应的反粒子。譬如说与带负电的电子相对应,就存在质量相同、携带电荷正好相反的正电子。在反物质理论提出后,科学家们一直认为,粒子和反粒子之间在特性上存在对称,就象人们通过镜子看自己一样。这些对称特性主要包括基本物理定律不受时间方向性影响,以及空间反射下的物理过程以及粒子与反粒子的变换过程遵循对称,它们分别被称为时间、宇称和电荷守恒定律。
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2009-12-17 10:19:35
直接证明了宇称和电荷守恒定律确实有局限性:
             
            如果你想知道世界为什么会是现在这个样子,答案完全就在于左右之间的差异―――你只要看看镜子就行了
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2009-12-17 10:20:37
什么是宇称守恒?
            让我们先来了解一下“宇称守恒”的含义。“宇称”,就是指一个基本粒子与它的“镜像”粒子完全对称。人在照镜子时,镜中的影像和真实的自己总是具有完全相同的性质——包括容貌、装扮、表情和动作。同样,一个基本粒子与它的“镜像”粒子的所有性质也完全相同,它们的运动规律也完全一致,这就是“宇称守恒”。假如一个粒子顺时针旋转,它的镜像粒子从镜中看起来就是逆时针旋转,但是这个旋转的所有定律都是相同的,因此,镜内境外的粒子是宇称守恒的。按照诺特定理,与空间反射不变性(所谓空间反射,一般指的是镜像)对应的就是宇称守恒。

            在某种意义上,我们可以把同一种粒子下的个体粒子理解成彼此互为镜像的,例如,假设一个电子顺时针方向自旋,另一个电子逆时针方向自旋,一个电子就可以把另一个电子当成镜像中的自己,就像人通过镜子看自己一样。由此推断,根据宇称守恒理论,所有电子自身环境和镜像环境中都应该遵循同样的物理定律,其他粒子的情况也是如此。

            听起来,所谓的“宇称守恒”似乎并没有什么特别之处,至少在1926年之前,早已有人提出了牛顿定律具有镜像对称性。不过,以前科学家们提出的那些具有镜像对称的物理定律大多是宏观的,而宇称守恒则是针对组成宇宙间所有物质的最基本的粒子。如果这种物质最基本层面的对称能够成立,那么对称就成为宇宙物质的根本属性。

            事实上,宇称守恒理论的确在几乎所有的领域都得到了验证——只除了弱力。我们知道,现代物理将物质间的相互作用力分为四种:引力、电磁力、强力和弱力。在强力、电磁力和引力作用的环境中,宇称守恒理论都得到了很好的验证:正如我们通常认为的那样,粒子在这三种环境下表现出了绝对的、无条件的对称。

            在普通人眼中,对称是完美世界的保证;在物理学家眼中,宇称守恒如此合乎科学理想。于是,弱力环境中的宇称守恒虽然未经验证,也理所当然地被认为遵循宇称守恒规律。
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2009-12-17 10:21:06
李、杨的真知灼见
            然而,真理终究要自己站出来说话。1956年,两位美籍华裔物理学家——李政道和杨振宁——大胆地对“完美的对称世界”提出了挑战,矛头直指宇称守恒定律,这成为上世纪物理学界最震撼的事件之一。引发这次震撼事件的最直接原因,是已让学者们困惑良久的“θ-τ之谜”,它是宇称守恒定律绕不过去的坎。

            20世纪50年代初,科学家们从宇宙射线里观察到两种新的介子(即质量介于质子和电子之间的粒子):θ和τ。这两种介子的自旋、质量、寿命电荷等完全相同,很多人都认为它们是同一种粒子。但是,它们却具有不同的衰变模式,θ衰变时会产生两个π介子,τ则衰变成三个π介子,这说明它们遵循着不同的运动规律。

            假使τ和θ是不同的粒子,它们怎么会具有一模一样的质量和寿命呢?而如果承认它们是同一种粒子,二者又怎么会具有完全不一样的运动规律呢?
            为了解决这一问题,物理学界曾提出过各种不同的想法,但都没有成功。物理学家们都小心翼翼地绕开了“宇称不守恒”这个可能。你能想像,一个电子和另一个电子的运动规律不一样吗?或者一个介子和另一个介子的运动规律不一样吗?当时的物理学家们可没这胆量。

            1956年,李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后,大胆地断言: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,“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的。

            李政道和杨振宁的观点震动了当时的物理学界,他们在完美的物理学对称世界撕出了一个缺口!
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2009-12-17 10:21:21
呵呵,看不懂·1···
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2009-12-17 10:21:28
吴健雄的卓越实验
            在最初,“θ-τ”粒子只是被作为一个特殊例外,人们还是不愿意放弃整体微观粒子世界的宇称守恒。此后不久,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”,从此,“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。

            吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变,她在极低温(0.01K)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。

            我们可以用一个类似的例子来说明问题。假设有两辆互为镜像的汽车,汽车A的司机坐在左前方座位上,油门踏板在他的右脚附近;而汽车B的司机则坐在右前方座位上,油门踏板在他的左脚附近。现在,汽车A的司机顺时针方向开动点火钥匙,把汽车发动起来,并用右脚踩油门踏板,使得汽车以一定的速度向前驶去;汽车B的司机也做完全一样的动作,只是左右交换一下——他反时针方向开动点火钥匙,用左脚踩油门踏板,并且使踏板的倾斜程度与A保持一致。现在,汽车B将会如何运动呢?

            也许大多数人会认为,两辆汽车应该以完全一样的速度向前行驶。遗憾的是,他们犯了想当然的毛病。吴健雄的实验证明了,在粒子世界里,汽车B将以完全不同的速度行驶,方向也未必一致!——粒子世界就是这样不可思议地展现了宇称不守恒。

            三位华裔物理学家用他们的智慧赢得了巨大的声誉,1957年,李政道和杨振宁获得诺贝尔物理学奖,一项科学理论,在发表的第二年就获得诺贝尔奖是史无前例的。很遗憾的是,用精妙绝伦的实验证实了宇称不守恒的吴健雄一直没能获奖。
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