| 所謂“宇稱”，粗略的說，可理解為“左右對稱”或“左右交換”，按照這個解釋，所謂“宇稱不變性”就是“左右交換不變”?；蛘摺扮R象與原物對稱”。對稱的現(xiàn)象普遍存在于自然界的事物中，事物運(yùn)動變化的規(guī)律左右對稱也是人們的普遍認(rèn)識。在物理學(xué)中，對稱性具有更為深刻的含義，指的是物理規(guī)律在某種變換下的不變性。在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，物理學(xué)家們相信，所有自然規(guī)律在這樣的鏡象反演下都保持不變。例如進(jìn)行牛頓運(yùn)動定律實(shí)驗時，前面放一面鏡子，如果我們看鏡內(nèi)的物理規(guī)律性，則同鏡外完全相同。比如一個小球A向右運(yùn)動，我們在鏡內(nèi)看到有一個小球A′ 向左運(yùn)動，雖然A′與A運(yùn)動方向相反，但它們都遵從的規(guī)律，也就是說力學(xué)規(guī)律對于鏡象反演不變，具有空間反演不變性。同樣對于麥克斯韋方程組和薛定諤方程都具有空間反演不變性。 不變性原理通常與守恒定律聯(lián)系在一起，比如動量守恒定律是物理定律在空間平移下的不變性的體現(xiàn)；能量守恒定律與時間平移不變性相聯(lián)系；角動量守恒定律是物理定律空間旋轉(zhuǎn)對稱性的體現(xiàn)等。在微觀世界中微觀粒子的狀態(tài)用波函數(shù)ψ描寫 即表示波函數(shù)的數(shù)值隨坐標(biāo)而變。為了描述這種與空間反演對稱性相聯(lián)系的物理量，引入了“宇稱”的概念。因為連續(xù)兩空間反演（鏡象反射）就等于本身，第一次反射，第二次反射。因此宇稱這個量同能量、動量等連續(xù)變化的物理量不同，它只能取兩個分立的值（+1）或（-1），也就是說波函數(shù)在鏡象對稱時有兩種可能： 。 第一種情形宇稱為正（+1），第二種情形宇稱為負(fù)（-1），對于一個多粒子系統(tǒng)來說，此系統(tǒng)的總宇稱為各該系統(tǒng)粒子的宇稱之乘積。 有了以上概念后，根據(jù)左右對稱性就可引伸出“宇稱守恒定律”，表述如下：由許多粒子組成的體系，不論經(jīng)過相互作用發(fā)生什么變化（包括可能會使粒子數(shù)發(fā)生變化），它的總宇稱保持不變，則原來為正，相互作用后仍為正；原來為負(fù)，相互作用后仍為負(fù)。這一定律對于許多情況都是正確的，象強(qiáng)相互作用和電磁相互作用就是如此。因而便認(rèn)為對于弱相互作用也不言而喻，同樣如此。 弱相互作用下的宇稱守恒的這一看法一直維持了三十年。但在1954~1956年間人們在粒子物理研究中遇到了一個難題，即所謂的“τ-θ之謎”，就是荷電的κ介子有兩種衰變方式，一種記為τ介子，一種記為θ介子。這兩種粒子的質(zhì)量、電荷、壽命、自旋等幾乎完全相同，以致于人們不能不懷疑它們是同一粒子。然而另一方面，它們的衰變情形卻不相同，表現(xiàn)為宇稱不相同，當(dāng)τ粒子衰變時，產(chǎn)生三個π介子，它們的宇稱為負(fù)（根椐已確定了的π介子的宇稱為-1和宇稱守恒定律），而θ粒子衰變時產(chǎn)生兩個π介子，它們的宇稱為正，也就是說，τ粒子與θ粒子衰變時具有完全相反的宇稱。 如何解釋這個現(xiàn)象？可供選擇的答案只有兩種：一種承認(rèn)宇稱守恒定律，則τ粒子與θ粒子是兩種不同的粒子，因為它們的宇稱不同，相互作用過程宇稱應(yīng)不變，但無法解釋為什么θ、τ粒子性質(zhì)如此相同。另一種確認(rèn)τ和θ是同一種粒，則宇稱守恒定律不成立。 1956年李政道、楊振寧在研究這個問題時，仔細(xì)地分析了關(guān)于宇稱守恒的各種實(shí)驗資料，發(fā)現(xiàn)至少在弱相互作用領(lǐng)域，宇稱守恒定律從未得到過實(shí)驗的驗證，而只不過是一個理論上的推論而已。因此根據(jù)“τ-θ之謎”的啟示，他們提出在弱相互作用過程前后，宇稱可能不守恒，并且還指出可以用β衰變（也是一種弱相互作用）的實(shí)驗來證實(shí)或否定他們的推測。人們對于弱作用的研究已經(jīng)有了相當(dāng)長的歷史，從發(fā)現(xiàn)β放射性算起，已經(jīng)歷了半個多世紀(jì);即使從費(fèi)米提出β衰變理論算起，也已有二十多個年頭。在這漫長歲月中，人們對于弱作用，尤其對于β衰變，已經(jīng)作過大量實(shí)驗，然而卻沒有一個實(shí)驗曾經(jīng)證明過宇稱是否守恒。這是因為左右對稱性從未有人懷疑過，人們一直相信它，應(yīng)用它，從未想去檢驗它。當(dāng)然，要懷疑這樣一條基本定律，必須持非常慎重的嚴(yán)肅態(tài)度，李政道和楊振寧正是在徹底研究了所有已經(jīng)作過的弱作用實(shí)驗，并發(fā)現(xiàn)還沒有一個實(shí)驗曾證明過宇稱是否守恒后，才提出弱作用中宇稱可能不守恒的猜測。 但是，畢竟左右對稱原理太明顯，太自然了，以致人們很難相信宇稱真的會守恒。著名物理學(xué)家泡利就曾俏皮地說過：“我就不相信上帝竟然會是一個左撇子?”究竟宇稱是否守恒，只有讓實(shí)驗來作出判斷，為此，李政道和楊振寧設(shè)計了一系列可用來檢驗宇稱是否守恒的實(shí)驗方案，設(shè)計的原則 是要安排兩套實(shí)驗裝置，它們嚴(yán)格地互為鏡象，然后在這兩套裝置中觀測弱作用過程，看看兩套裝置中出現(xiàn)的是不是互為鏡象的現(xiàn)象。 幾個月之后，以上設(shè)想被另一位美籍華裔物理學(xué)家吳健雄教授與美國華盛頓國家標(biāo)準(zhǔn)局的幾位物理工作者一起用出色的實(shí)驗所證實(shí)，這是一個關(guān)于極化60CO原子核β蛻變的實(shí)驗。在這個實(shí)驗中，他們以確鑿無疑的證據(jù)表明，在弱相互作用過程中宇稱守恒定律不成立，弱相互作用下宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗驗證，可以說是第二次世界大戰(zhàn)以來最偉大的發(fā)現(xiàn)。正是由于這一震驚物理學(xué)界的杰出貢獻(xiàn)，李政道和楊振寧共同獲得了1957年諾貝爾物理獎，這時距他們發(fā)表宇稱不守恒的研究成果還不到兩年，速度之快在諾貝爾獎金史上是罕見的。 這是很了不起的貢獻(xiàn)，雖然楊先生的人品一般，但他絕對是二十世紀(jì)最好的科學(xué)家之一。 |
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