宇稱不守恒

上期我們說到，到了60年代末期人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了200多種新粒子，這其中有一個(gè)粒子叫做K介子。人們在研究K介子的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，K介子貌似有兩種，一種會(huì)衰變成兩個(gè)π介子，另一種會(huì)衰變成三個(gè)π介子。所以當(dāng)時(shí)物理學(xué)家臨時(shí)給這兩種K介子起了名，衰變成兩個(gè)π的叫做θ，衰變成三個(gè)π的叫做τ。不過隨著實(shí)驗(yàn)越來越精確，人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)θ和τ質(zhì)量相同、壽命相同，啥啥都一樣，唯獨(dú)不同的就是衰變的時(shí)候，可能生成兩個(gè)π可能生成三個(gè)π。于是人們就開始懷疑了，θ和τ能不能就是同一個(gè)粒子呢？這件事在當(dāng)時(shí)被稱作“θ-τ之謎”。

你可能會(huì)覺得，這就是同一種粒子唄，只不過是兩種不同的衰變方式而已。的確可以這么認(rèn)為，而且在粒子的衰變中，衰變產(chǎn)物不一樣這件事也不奇怪。但是物理學(xué)家卻糾結(jié)了，因?yàn)檫@背后牽扯著一個(gè)守恒定律叫做宇稱守恒。什么是宇稱守恒呢？我們聽過能量守恒、動(dòng)量守恒等等。比如說物理反應(yīng)前的能量如果知道了，那反應(yīng)后的能量也是一樣的。其實(shí)早在19世紀(jì)末，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，每一種守恒律都和一種對稱性相關(guān)聯(lián)。比如能量守恒定律對應(yīng)的對稱性是“時(shí)間平移對稱性”。這是因?yàn)槟銦o法測量時(shí)間的絕對值，我們說的每一分每一秒都是相對一個(gè)特定的時(shí)間長度而言的。

對于一個(gè)物理定律來說，昨天、今天和明天，在不同時(shí)間點(diǎn)上，它的表現(xiàn)形式都是一樣的，那么我們就說它滿足能量守恒定律。類似地，動(dòng)量守恒定律對應(yīng)的是“空間平移對稱性”，意味著空間是不存在絕對位置的。比如，我在北京做實(shí)驗(yàn)得到一個(gè)規(guī)律，你在上海用完全相同的實(shí)驗(yàn)條件和方法做實(shí)驗(yàn)，也得到了相同的規(guī)律，那就意味著這個(gè)物理規(guī)律不會(huì)隨著空間位置的改變而改變，那么它就滿足動(dòng)量守恒定律。當(dāng)然，還有“空間轉(zhuǎn)動(dòng)對稱性”就對應(yīng)了角動(dòng)量守恒，這里說的是空間的方向沒有一個(gè)絕對位置，假設(shè)我們把空間轉(zhuǎn)動(dòng)一下，得到的物理規(guī)律不會(huì)因此改變，就滿足角動(dòng)量守恒。還有一種對稱性就是鏡像對稱，比如說照鏡子，我怎么做鏡子里的像就會(huì)怎么做，用物理語言來描述就是，物理規(guī)律的空間反演或者說鏡像變換的不變性。這種對稱性在經(jīng)典物理中不對應(yīng)什么守恒量，不過在量子物理中它對應(yīng)的就是宇稱守恒。通俗理解就是說鏡子外粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)該和鏡子里的粒子的物理規(guī)律是一樣。所以，一個(gè)物理現(xiàn)象滿足什么樣的什么守恒定律，取決于它本質(zhì)的對稱性是什么樣的，這種守恒律和對稱性，可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)。

那我們再來看這個(gè)θ-τ之謎，它倆的衰變產(chǎn)物π介子的宇稱值是-1，根據(jù)宇稱守恒，θ的宇稱值由兩個(gè)π介子組成，就應(yīng)該是-1的平方+1，τ的宇稱值由三個(gè)π介子組成，就應(yīng)該是-1的立方還是-1。這就是物理學(xué)家不愿意承認(rèn)θ和τ是同一種粒子的原因，因?yàn)樗鼈z的宇稱值不一樣！而且宇稱守恒在當(dāng)年人們心中的地位和能量守恒是一樣的，物理學(xué)家就沒懷疑過，然而就是這個(gè)結(jié)論被楊振寧、李政道和吳健雄三位打破了，這也是楊-李二老獲得諾獎(jiǎng)的原因。

1956年楊振寧和李政道開始關(guān)注θ-τ問題，第一個(gè)考慮的事情是，π粒子是θ-τ衰變的產(chǎn)物，而衰變又是由于弱相互作用引起的，所以他們大膽假設(shè)弱相互作用中的宇稱能不能是不守恒的呢？于是二人在1956年10月1號這天，在《物理評論》上發(fā)表了一篇論文，名為《弱相互作用中的宇稱守恒質(zhì)疑》。但幾乎當(dāng)時(shí)所有的物理學(xué)家都不愿意相信宇稱是不守恒的?？磥碇荒芡ㄟ^實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了，楊-李二人設(shè)計(jì)了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)專門來驗(yàn)證弱作用中的宇稱守恒問題，但是這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)都比較困難，找了一圈沒人愿意做，可能也感覺是在浪費(fèi)時(shí)間。這時(shí)他們忽然想起了吳健雄。1956年吳健雄正在哥倫比亞大學(xué)任教，收到楊李的邀請，吳健雄很快就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，一個(gè)是需要低溫條件，于是吳健雄領(lǐng)著幾位助手來到了美國華盛頓國家標(biāo)準(zhǔn)局借用那的實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)閹缀跻_(dá)到接近絕對零度的條件，當(dāng)時(shí)就只有國家標(biāo)準(zhǔn)局能實(shí)現(xiàn)。另外一個(gè)難點(diǎn)是需要長一個(gè)大晶體，這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要觀測穩(wěn)恒磁場中極低溫度的鈷-60原子的衰變情況，鈷-60不穩(wěn)定可以衰變成鎳-60。最終通過努力還是克服了困難，終于在1957年1月9日凌晨兩點(diǎn)鐘，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來了，弱相互作用下的宇稱是不守恒的！就這樣困擾物理學(xué)家多年的θτ之謎由三位華人物理學(xué)家聯(lián)手解決了！當(dāng)時(shí)的《紐約時(shí)報(bào)》頭版頭條報(bào)道了這件事，標(biāo)題就是《物理學(xué)的基本觀念已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)推翻》，雖然今天看起來有點(diǎn)標(biāo)題黨，不過可見當(dāng)時(shí)這件事引起了多大的轟動(dòng)。1957年10月瑞典皇家科學(xué)院宣布本年的物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給中國的楊振寧和李政道先生。這也是我國的第一塊真真正正的諾獎(jiǎng)獎(jiǎng)牌，唯獨(dú)可惜的是，吳健雄先生沒有得獎(jiǎng)，但她的貢獻(xiàn)依舊被物理學(xué)界銘記。再次向他們表示崇高的敬意！

作者：媽咪說科普創(chuàng)作者

審核：羅會(huì)仟中國科學(xué)院物理研究所副研究員

文章由科普中國-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。