1956 年12 月27 日:宇称守恆(Parity Con

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  • 2020-06-04
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在物理学,「对称性」长久以来都扮演着关键性的角色,自从 1925 年以来,科学家就一直认为我们的世界和镜子内的影像是无法区别的—即为人所知的宇称守恆的观念,而主要的理论也印证了此假设。

宇称守恆和能量、动量与电荷守恆等最基本的物理法则一样,在物理方面都享有极高的地位,一直到 1956 年美国国家标準局(现在的美国国家标準与科技研究院)进行了一系列重要的试验后才改观。正如相对论一般,大自然再一次证明了它并不总是遵循着「常识」的法则。

宇称守恆意谓着大自然是对称的,所以向左、向右旋转或是任何次原子粒子的另一对半都没有差别。例如,两个相似的放射粒子绕着一个垂直的轴朝相反的方向旋转衰变,所放射出向上与向下质点的强度应该是相同的。虽然在强作用中有许多实验证明宇称守恆的成立,但在弱作用中却从未有实验证明其也成立。事实上,当弱作用力首度提出来解释基本粒子的分裂时,若在当时说宇称守恆不成立的话,似乎是令人难以置信的。

1956 年12 月27 日:宇称守恆(Parity Con

吴建雄领导的团队在美国国家标準局做实验时所摄

1950 年代,当高能物理学家开始观察无法由既有理论解释的现象时,一切都改观了,其中最着名的是高能质子和原子核碰撞时所放射出 $$K$$ 介子的衰变。$$K$$ 介子出现在两个完全不同的情况,可以衰变成二或三个 $$\pi$$ 介子,(它们必需有相反的宇称),但在其他的特性上,它们似乎完全相同。

1956 年 6 月,理论物理学家杨振宁1和李政道2写了一短篇论文,寄到物理评论(Physical Review),提出宇称在弱作用中是否能守恆的问题,还建议了几个可以解答此问题的实验。当李政道和杨振宁的论文在 1956 年刊登出来时,物理学家除了好奇外,并未有任何立即的迴响。

Freeman Dyson〈译者注:着名的理论物理学家,任职于普林斯敦高等研究院〉后来承认说,他当时认为这篇论文很有趣,「我并无足够的想像力说:『天啊!假如这是真的,它将为物理开启一个全新的领域!』我认为当时的物理学家,几乎没有例外,都和我一样不够有想像力。」Richard Feynman(译者注:1965年获得诺贝尔物理奖)宣称违反宇称的想法「不太可能,也许可能性很小,是很令人兴奋但可能性微乎其微,」但他后来还是和一位朋友打赌美金 50 元,说宇称不会被推翻。

图左的椭圆球体表示大量朝同一方向旋转的钴60原子核所放射出的 $$\beta$$ 射线;图右是镜中所见的相同过程,旋转的方向相反,但所放射出来的大多数 $$\beta$$ 射线方向是相同的,因此镜中的世界和真实的世界可区别出来,空间倒置后的世界和真实的世界并不完全相同;宇称不守恆。

1956 年12 月27 日:宇称守恆(Parity Con

在所建议的实验中,最简单的方法之一是,以强磁场将钴60原子核的自旋排在同一方向,然后测量它在衰变时各方向所射出 $$\beta$$ 射线的强度。

宇称守恆成立的话,所放射出来的 $$\beta$$ 射线在两极之间的分布必须相同,假如有一极的 $$\beta$$ 粒子比另一极多的话,就可能区别出镜中影像的原子核与其相对物的不同,那就等于推翻了宇称的守恆性。

在 1956 年的圣诞节与新年期间,美国国家标準局的科学家开始着手进行 $$\beta$$ 粒子衰变的试验,整个研究团队由哥伦比亚大学的吴建雄教授所领导。吴教授于 1912 年诞生于中国,1940 年获得加州大学的博士学位,第二次世界大战期间曾参与曼哈顿计画。1975 年,她出任美国物理学会第一位女性会长。

实验的结果出炉后,美国国家标準局的研究团队得到了令人惊奇的结论:$$\beta$$ 粒子在原子核旋转的反方向所放射出的数目比较多。因此,由于 $$\beta$$ 放射线的分布与旋转的钴60原子核的镜中影像不一致,明确地证实了宇称不守恆。

Leon Lederman 当时在哥伦比亚大学的迴旋加速器做研究,他独立以此设备做了宇称的测试,透过 $$\pi$$ 和 $$\mu$$ 介子的衰变,亦得到了违反宇称的确切证据。简而言之,大自然是一个半灵巧的左撇子,而 Feynman 赌输了。

此结果粉碎了 $$30$$ 年来全球所接受的核子物理的基本概念,促使人们重新思考物理的理论,也因此有了全新,更深远的发现—最显着的是对基本粒子特性有进一步的了解,并对基本作用力有更完整的理论。

进一步的阅读资料:

S. Weinberg, Review of Modern Physics, 52, 515(1980); A. Salam, p. 525; S.L. Glashow, p. 539.

参考资料:

注1:杨振宁,1922 年出生于中国,1946 年 1 月考取清华留美公费生赴美,1948 年获得芝加哥大学的博士学位,1957 年因推翻宇称守恆的研究与李政道同获诺贝尔物理奖。
注2:李政道,1926 年出生于中国,1946 年 9 月考取中国公费生到美国芝加哥大学进修,毕业后和杨振宁合作研究宇称守恆,于1957 年和杨振宁同获诺贝尔物理奖,他当年 31 岁,是最年轻的诺贝尔奖得主。