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1 # 科學探秘頻道
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2 # 使用者6229153531
這句話是出自上帝之鞭泡利之口,說的是宇稱不守恆。也就是楊振寧和李政道先生髮現的弱作用力下宇稱不守恆。等到吳健雄女士實驗證明後,好像是用的鈷60。泡利也算是打臉了。因為左面比右面強一點,所以說不相信上帝是左撇子。
既然提了就再說幾句,對稱性對於物理來講非常重要和普適。可能根本就沒有人考慮過不對稱,引力,電磁力都是對稱的,沒有人在這方面證明,因為這太顯而易見了。所以不對稱是物理學家所不能容忍的,就美感而言,這樣的東西太醜了。宇稱是一種空間反演對稱,也就是將粒子或粒子組成的系統進行空間反演對稱,可以用一個相因子把兩面連起來,如果不對稱就沒有辦法用一個相因子聯絡起來,簡單的說可能左右的作用式不同了。這種情況在物理裡非常讓人不舒服。
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3 # 艾伯史密斯
答:這句話指的是物理學中的宇稱不守恆定律,出自物理學家泡利之口。
τ-θ之謎上世紀中葉,物理學家發現K介子衰變中存在異常,被稱為τ-θ之謎。
因為那時候的物理學家,認為基本物理規律具有美妙的對稱性;比如牛頓力學對空間和時間,都具有平移對稱性,也就是說牛頓力學的基本描述,不會隨著空間和時間的變化而變化。
宇稱在物理學中,有一個物理量描述這種對稱性——宇稱。
科學家把基本粒子分為兩類宇稱,一類為正(+1),一類為負(-1),然後一個系統的總宇稱,就等於系統內所有粒子宇稱的乘積。
宇稱守恆描述:一個獨立的系統,無論發生什麼變化,系統變化前後的總宇稱,都將保持不變。該守恆定律的物理影象,就是物理定律在映象中保持不變,也可以說物理定律具有左右對稱性。
K介子衰變中,存在六種方式,其中一些就不滿足宇稱守恆。
宇稱不守恆為了解釋這種現象,在1956年,科學家楊振寧和李政道相互合作,描述了弱相互作用中,宇稱不守恆的機制,成功解釋了“τ-θ之謎”。
當時,有一位大名鼎鼎的物理學家泡利,泡利是出了名的聰明,也是出了名尖刻和愛挑刺,批評人毫不留情,然而對於泡利的批評,幾乎每次都是他正確(當然電子自旋和宇稱不守恆除外)。
上帝是左撇子對於楊振寧和李政道提出的宇稱不守恆,泡利是堅決反對的,他不相信“上帝”會偏好左或右,因為這嚴重破壞了物理定律的美妙性。
然而,就在楊-李提出宇稱不守恆的當年,華裔女物理學家吳健雄,在鈷60衰變中,以漂亮且嚴謹的實驗,驗證了楊-李的理論。
於是弱相互作用中宇稱不守恆被驗證,楊-李也因此共享1957年諾貝爾物理學獎。
當泡利得知吳健雄的實驗後,道出了“上帝竟然是左撇子”這句名言。
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4 # 星辰大海路上的種花家
“上帝竟然是左撇子”,這句話在物理學中是什麼意思?
這句話出自以愛挑刺出了名的物理學家泡利,無往不利的各種尖銳批評中,在面對楊振寧和李政道的宇稱不守恆現象面前終於敗下陣來....但真正打敗他的並非楊李!!
這幅畫簡明扼要的“描述”了“弱相互作用下宇稱不守恆”以及背後華裔科學家吳建雄絕妙科學實驗的故事
如圖,在1956年時,楊振寧和李政道認為當時科學界發現的兩種質量、電荷以及自旋與壽命完全一致的K介子在衰變時卻分別衰變成2個和3個π介子,然後物理界將之一樣的粒子取了兩個名稱是完全錯誤的,而是非常肯定的認為這兩種k介子應該就是完全相同的一種粒子,只是在衰變過程的弱力不對稱導致的!
這讓當時的物理界炸了鍋,因為物理學家們認為宇宙是完美和對稱的,這突然跑出一個微觀世界的弱力不對稱,這不是毀了物理界的三觀麼......因此這種科學界的口水事件中怎麼能少了愛湊熱鬧的“上帝鞭子”-泡利的身影呢,立刻就此提出了毫不留情的批評....結果如何呢?
上圖就是物理女王華裔科學家吳建雄的實驗示意圖,在真實的實驗設計中,“本身”和“映象”中的兩個實驗同時開始,並且將宇稱守恆中描述的兩個b射線方向左右對稱安置。換句話說,假如宇稱守恆成真的話,實驗的結果應該有左右方向完全相等的角分佈,否則就是違反了宇稱守恆。最後的實驗結果準確無誤的顯示角分佈的明顯不對稱,從而證名了弱相互作用下的宇稱不守恆!!
這裡有一個不算題外話的軼聞,倒黴的泡利在吳建雄的實驗結果釋出2天后還向他的好友VictorWeisskopf寫信說明他不相信宇稱不守恆,並且打算重金打賭......其實並非泡利不相信他的得意門生吳建雄的實驗結果,而是當時不像現在的網際網路訊息快速傳播,他根本就不知道實驗已經證明宇稱不守恆的正確性!!因此倍感懊悔的泡利留下了上圖中的"訃文",並且極為無奈的道出了一句“上帝竟然是個左撇子”這句名言!
楊振寧和李政道因此獲得了1957年的的諾貝爾物理獎,這在諾貝爾獎上是極為罕見的!非常可惜的是倒黴的泡利繼續走黴運,他於1958年12月15日因病去世,享年58歲,不得不說這是物理界一個巨大的損失.....!!
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5 # 科學史評話吳京平
先說結論:“上帝竟然是左撇子,指的是在弱相互作用下,宇稱不守恆。”
這個世界上有一些似乎是司空見慣或者天經地義的事情都會在科學家們的拷問下變得極為有意思,人類的樸素自然觀總是伴隨著一個又一個的科學發現而不得不重塑。
今天,我要帶大家來一次驚奇之旅。
我們先從一個假想的科幻故事開始。
假如有一天,我們與距離地球極為遙遠的某個外星文明取得了聯絡。我們又假定,由於某些奇怪的原因,我們只能給這個外星文明傳送滴答滴答的長短脈衝訊號,我們無法給它傳送其他東西供他們觀察。
現在,我們想要告訴這個外星文明有關我們人類的一切事情。大家想一想該怎麼辦?在真實的歷史上,尋找外星人的先驅德雷克先生和卡爾薩根先生,在 1974 年給 25000 光年外的武仙座球狀星團傳送過被稱為“阿雷西博資訊”的無線電訊號,他們就面臨著這樣的問題。
稍微動一動腦筋,你就會發現,這個問題似乎並不難解決。
第一步,我們需要先定義數字,數學是全宇宙通行的語言。
我們用脈衝訊號的長短來定義 0 和 1 兩個數字,這就足夠了,因為數學規律與多少進位制沒有關係,不論是幾進位制,得出的數學規律都是一樣的。有了數字,我們就可以告訴外星人更多的資訊,例如,我們可以用數字 3.1415926 來指代一個圓。
再比如,我們如果想要告訴外星人我們的身高,我們就可以用 170 億個元素序號為 1 的原子,也就是氫原子的直徑之和,因為我們堅信外星世界的氫原子與地球世界的氫原子是一樣大的。我想,用這種方法最終能夠成功地把我們的外形描述出來。
但是,現在與我們交流的是外星人。你細想一下就不難發現,我們無法用自然語言準確地告訴外星人地球人對左和右的定義。這是一個不折不扣的難題。
如果這個問題放在 1956 年之前,那麼所有的科學家都會撓頭。
因為究其根本原因,那時的科學家們都有一個共同的信念,他們認為上帝不偏愛任何方向——在宇宙中,所有的物理現象都是鏡面對稱的,你不可能找到一個物理實驗的結果對左右方向有偏好。
這句話也可以反過來這麼說,如果我們觀察一個物理實驗,不論是直接觀察,還是透過一面鏡子來觀察,最終得出的物理規律都是相同的。這個共同的信念在物理學上有一個名詞,叫做“宇稱守恆”。
正是這樣的一個共同信念讓當時的科學家們覺得:想要透過自然語言讓外星人與地球人在左右的定義上達成一致是不可能的。
剛才我們說了,所有的物理現象都是鏡面對稱,這是物理學家們的一個信念,類似的信念還有三個最為通俗易懂。
第一個叫做時間對稱:同樣的一個物理實驗,在所有的前提條件都相同的理想情況下,在不同的時間來做,結果都是一樣的,物理規律不會隨著時間的變化而變化。第二個叫做空間對稱:同樣的物理實驗在宇宙中的任何地方來做都是一樣的結果。第三個叫做方向對稱:物理實驗的結果與實驗室的朝向無關,不管實驗裝置轉動幾度,得出的結果都是相同的。在量子力學中,這種對稱的信念變得更為有趣和令人興奮。在量子力學的研究中,科學家們又發現了這樣一個事實:每一種對稱規律都有一條對應的守恆規律。
時間對稱意味著能量守恆定律,空間對稱意味著動量守恆定律,方向對稱意味著角動量守恆定律。這些關係是非常美妙的,對於物理學家們來說,它們是宇宙中最優美和意義深遠的東西。在物理學上,像這些基於信念而得出的結論叫做定律,我們沒有辦法證明定律,因為它們是建立在信念上的。基於定律進一步推匯出來的結論就叫做定理,所以,定律是皮,定理是毛,如果定律失效了,也就是意味著皮之不存,毛將焉附。這與數學中的公理和定理的含義是異曲同工的。
不過,在物理學史上,也不乏定律變為定理的例子。
大家最熟悉的就是萬有引力定律,牛頓提出的時候,它只是牛頓的信念,無法被證明。但是,當愛因斯坦的廣義相對論出現後,萬有引力定律就是可以在廣義相對論的方程中被自然而然推匯出來的,因此,萬有引力定律準確地說也就變為了萬有引力定理。但是由於歷史原因,大多數時候,我們依然叫它“萬有引力定律”。
基於物理現象都是鏡面對稱的信念,物理學家們得出了宇稱守恆定律。但是,信念只是一種定性的描述,如果只能定性,那麼科學就無法從哲學中分離出來。哲學與科學最大的不同就在於,哲學只研究定性問題,不研究定量問題,只有當哲學與數學結合,定性與定量結合後,才標誌著科學誕生了。牛頓的光輝著作《自然哲學的數學原理》就是這樣的一個標誌性著作。
下面,我們以能量守恆為例談一下什麼是守恆。
有一個事實支配著至今我們所知的一切自然現象,自科學誕生以來,我們從來沒有發現過例外,至少在今天的我們看來,它依然是完全正確的。那就是:在自然界所經歷的種種變化之中,有一個稱為能量的物理量是不變的。
而能量,完全是一個抽象的概念,或者僅僅是一種數學原理,它告訴我們在所有自然現象發生的過程中,有某一個數量是永遠不變的。它並不是對機制或者具體事物的描寫,而只是一件奇怪的事實。
在物理現象發生的任何時刻,我們都可以計算某個數值,不管大自然怎麼耍弄它神奇的表演,我們再次計算這個數值,它的結果永遠是相同的。就好像你給孩子 28 塊積木,無論孩子怎麼擺弄它們,永遠都還是 28 塊,哪怕有一天你發現少了一塊,你也一定能在某個地方找到那丟失的一塊。
能量的形式有很多種,動能、熱能、重力勢能、彈性勢能等等,但我們總能把它們統一成同一個單位,在物理學中,我們把這樣的單位稱為“量綱”,在量綱相同時,它們的總數是恆定的。這就是大自然的奇妙之處,我們不知道為什麼會這樣,我們只知道就是這樣。除了用信念來描述外,我也找不到更好的詞彙了。
每一個守恆規律中都蘊含著一個守恆量,比如能量,這個量是可以被數值化的,也是可以被計算的,它是實實在在地存在於大自然中的一個數量,並不是科學家們在頭腦中憑空創造出來的語言遊戲。很多時候,像費曼這樣的物理學家看不起哲學家的原因就在於哲學家們經常,甚至是隨口就編造出很多名詞,但這些名詞經不起深究,無法做定量分析。
好了,現在回到我一開始談到的鏡面對稱以及它對應的宇稱守恆。
在這種守恆中,當然也有一個可以被量化的守恆量,這個守恆量就被叫做“宇稱”,它是描述基本粒子的一個實實在在的物理量,就好像質量、能量、電荷一樣。在 1956 年以前,宇稱守恆定律與能量守恆定律一樣,被認為是物理學中的基本原理,是金科玉律,是共同信念。
也正是基於這樣的共同信念,科學家們會告訴你:對不起,我們真的沒有辦法用自然語言讓外星人的左右與地球保持一致,不管我們讓他們做什麼樣的實驗,左右都是完全對稱的,沒有任何區別。
好了,既然你聽到我說這是 1956 年前的事情,那麼劇情自然就是在 1956 年發生了反轉。來,我們接著講這個發生在物理學黃金年代的好萊塢懸疑大片。
為了讓你充分感受這個故事的曲折,咱們還得從 1947 年說起。
那一年,實驗物理學家們發現,宇宙射線中有一種被稱為“ θ 粒子 ”的奇異粒子在衰變時,變成了兩個 π 介子。到了 1949 年,實驗物理學家們又發現了一個新的奇異粒子,它衰變後變成了 3 個 π 介子。人們又把這種奇異粒子叫做“ τ 粒子”。為了後面記述方便,我就把這兩種粒子叫做“西子”(θ 粒子)和“桃子”(τ 粒子)。
西子和桃子的發現當然不是什麼令人矚目的大事,不同的粒子有不同的衰變方式,就好像人有不同的死法一樣,這很正常,沒什麼好奇怪的。但是,接下來就是這兩個“子”出了大問題,把物理學江湖攪了個天翻地覆,好不熱鬧。
隨著實驗的進展,人們發現西子和桃子除了它們衰變的方式不一樣以外,其他方面的性質全都一樣。質量和電荷是相等的,蛻變所需的時間也是相同的,再有,無論何時生成這兩種粒子時,它們總是以同樣的比例出現,比如說,14% 是桃子,86% 是西子。這就好像有兩隻鴨子,你無論用任何方式去觀察比對,它們都是完全一樣的,按理說它們就應該是同一種動物。
科學家們不是經常會說一個段子嘛,說有一種動物它叫起來像鴨子,走起來像鴨子,長的也像鴨子,那麼就它就是鴨子。
但問題是,它們偏偏死掉以後會變得不一樣。西子和桃子唯一的不同點,用物理學術語來說,就是在它們蛻變後測量到的宇稱不同。注意啊,我之前說過,宇稱是一個實實在在的物理量,是可以測量的,而且當時幾乎所有的物理學家們都秉持著一個信念,那就是宇稱守恆。
既然西子和桃子在死後的宇稱不同,那當然就不可能是同一種粒子。這就好像兩隻鴨子被我們吃掉消化後,經過精確無比的測量,證實我們得到的能量不同,那麼這兩隻鴨子生前也肯定是不同的,因為能量守恆嘛。
於是,物理學家們都在盡力改進實驗裝置和方法,尋找西子和桃子的不同點,因為他們都堅信,既然它們是兩種不同的粒子,那就一定能找到不同點。
然而一切努力全都徒勞無功,除了它們蛻變後的宇稱不同,它們實在無法區分。物理學家們陷入了迷惘和思索之中。這種困境,在當時被物理學界稱為“ θ-τ ”之謎。
就在此時,距離美國東海岸不遠的紐澤西州,有一處學術聖地,偉大的愛因斯坦不久前在那兒與世長辭,這就是著名的普林斯頓高等研究院。34 歲的楊振寧和 30 歲的李政道此時正形影不離地走在校園中,熱烈地討論著“西桃之謎”,這對來自中國的青年才俊此時根本想不到,一年之後,他們將因為此時此刻討論的問題而同時獲得諾貝爾獎。這也是華人對人類的科學事業做出的重大貢獻之一。
那時的楊振寧和李政道都是中國國籍。而且楊振寧先生雖然中途加入過美國國籍,但是現在又已經是標標準準的中國公民。所以,我們可以毫不心虛地說,物理黃金時代的大師有我們華人。
那麼,楊李二人又是如何解開西桃之謎,而這又與我們和外星人交流左右有什麼關係呢?
時間走到了 1956 年春暖花開的季節。4 月,一年一度的羅徹斯特會議在位於美國紐約州的羅徹斯特大學召開,這是當時國際高能物理界最重要的會議。全世界最優秀的粒子物理學家們齊聚一堂。楊振寧和李政道受邀參加了這次會議,而本次會議最重要的議題就是西桃之謎。在會議的最後一天,楊振寧作了一小時的發言。在發言的結尾,他鼓足勇氣,再次提出:
“會不會是我們的信念出了問題?宇稱是不守恆的呢?”說實話,對於講故事來說,我很希望此時能對你們說,楊振寧丟擲了一個離經叛道的觀點,舉座皆驚。這樣的描述充滿了戲劇的張力,就好像邁克爾遜- 莫雷實驗之後,愛因斯坦大聲宣佈以太並不存在,光速是不變的一樣。然而,對於西桃之謎來說,宇稱不守恆的觀點並不是什麼驚世駭俗的觀點,很多初次接觸西桃之謎的物理學家都會想到如果宇稱不守恆,這個西桃之謎也就不攻自破了。
但問題是,過去已經有太多的實驗符合宇稱守恆的信念。宇稱守恆不僅僅是物理學家們的一種執念,它確實是有大量實驗基礎的。科學家們都認同實驗是檢驗理論的唯一標準,沒有實驗基礎的理論都是空中樓閣。所以,在羅徹斯特的會議上,楊振寧再次提出宇稱是否守恆時,既沒有舉座皆驚,也幾乎沒有人同意,楊振寧自己也是心虛得很。
重大轉機是在羅徹斯特會議結束後沒多久到來的。在紐約的一家餐館中,楊振寧和李政道突然想到:似乎之前所有的所謂證明宇稱守恆的實驗都沒有仔細地按照不同的相互作用來分類,會不會宇稱僅僅是在弱相互作用時不守恆,而在其他相互作用時是守恆的呢?
咱們稍微解釋一下什麼是弱相互作用。
牛頓把“力”定義為物質之間的相互作用,萬有引力是人類發現的第一種相互作用。
電磁力是第二種。
進入到量子時代後,人們又發現了弱力和強力。
只是在粒子物理學中,人們習慣性地使用“相互作用”,而不是“力”這個詞。而強相互作用是把質子和中子結合在原子核中的一種“力”。
有一種弱相互作用叫做 β 衰變。什麼是 β 衰變?
1896 年,德國物理學家貝克勒爾發現了鈾原子的放射性現象,92 號元素鈾能夠自發衰變成 82 號元素鉛。接著,盧瑟福和湯姆孫在一年後發現,鈾在衰變過程中會產生三種不同的放射線,準確地說,大自然中沒有線,所有的線都是由粒子組成的。
你可能想問:他們怎麼知道是三種不同的粒子呢?
這個原理其實很簡單,就是讓放射線透過一個磁場,然後他們就發現,在磁場中放射線的偏轉方向會不同,根據異性相吸的原理,也就知道了鈾在衰變過程中,釋放出帶正電、負電和不帶電的三種粒子。他們就把:
帶正電的叫做 α 射線,
帶負電的叫做 β 射線,
不帶電的叫 γ 射線,
那麼發出 β 射線的衰變過程就叫做 β 衰變。
之後兩週,楊振寧和李政道設法找來了大量的有關 β 衰變的實驗資料,然後開始動手計算,驗證宇稱是否守恆,這一過程涉及到極為枯燥和複雜的數學計算,而且當時還沒有計算機可以作為輔助。
最後,他們算出的結果一致:資料不足,沒有結論。
換句話說,他們驚訝地發現,過去所有 β 衰變的實驗資料都既不能證實也不能證偽宇稱守恆。用楊振寧自己的話來說,就是:長久以來,在毫無實驗證據的情況下,人們都相信,弱相互作用中宇稱守恆,這是十分令人驚愕的。
這是近代物理學史上最重要的論文之一。
在這篇論文中,他們提出,在強相互作用和電磁相互作用中,宇稱在很高的精度上是守恆的,但是在弱相互作用中,宇稱守恆只是一個外推性的假設,甚至可以認為西桃之謎恰恰是弱相互作用中宇稱守恆的反例。
為了毫不含糊地確定在弱相互作用中宇稱是否守恆,我們必須完成一個實驗來確定在弱相互作用中左和右是否不相同。
我必須告訴你,這種諾獎級別的理論絕不是哪天靈機一動,突然想到一個絕妙的點子,丟擲幾個與主流科學界完全不同的觀點,就可以號稱是諾獎級的理論了。一個物理理論必須要有定量化的數學分析,並且能夠提出可供檢驗的預言,對預言的結果也必須是量化的,而不是泛泛而談。
李和楊的論文中提出了五個明確的物理實驗,給出了明確的需要測量的,被稱為“贗標量”的資料,以及預言了可能的結果。他們的工作是極為紮實和細緻的,絕對不是偶然的靈光乍現。只是論文發表後卻遭到了絕大多數著名科學家的反對,因為要打破一個信念何其艱難。美國物理學家菲利克斯·布洛赫在看了論文後,決絕地說:如果宇稱真的不守恆了,我把我的帽子吃掉。
但正如我一再強調的,實驗才是檢驗物理理論的唯一標準。對於楊振寧和李政道而言,比科學理論更重要的是科學實驗。不幸的是,他們倆都不是搞實驗的,而且據楊振寧的老師泰勒講,楊振寧的實驗動手能力還不是一般的差。他們迫切地需要有一位實驗物理的大神來幫助他們。
起初,他們找到了著名的實驗物理學家萊德曼,但是遭到了拒絕。萊德曼開玩笑地說:我一旦找到一位絕頂聰明的研究生供我當奴隸使用,那我就會去做這個實驗。這其中還有一個很重要的原因就是:這些實驗的難度極高,值不值得花大量的時間和精力去做一個很可能沒有任何價值、只是證實了一些人們早就相信了的事情的實驗。
這時候,他們生命中最大的一個貴人出現了,這就是他們的中國同胞,足以和居里夫人相媲美的女性物理學家——吳健雄。很多科學愛好者都只知道居里夫人,卻不知道吳健雄博士。她沒有獲得諾貝爾獎是多種偶然的原因造成的,但我可以很負責任地告訴你,吳健雄在物理學史上的地位是極高的,她是當時全世界最優秀的幾位實驗物理學家之一,有些書上甚至不加“之一”。
李政道找到了吳健雄,在聽完李楊的說明後,她毅然放棄了和丈夫一起回國探親的計劃。她已經二十年沒有回國,本來連船票都買好了,但是吳健雄卻一頭扎進了實驗室,這一年的物理學界註定要掀起軒然大波。
有一位以毒舌著稱的著名物理學家泡利在得知吳健雄正在做實驗的訊息後對朋友說:“像吳健雄這麼好的實驗物理學家,應該找一些最重要的事去做,不應該在這種顯而易見的事情上浪費時間。誰都知道,宇稱一定是守恆的。”泡利甚至在寫給韋斯科夫的一封信中說:“我不相信上帝是一個沒用的左撇子,我願意打一個大賭,實驗一定會給出一個守恆的結果。”而物理學家費曼也說: “那是一個瘋狂的實驗,不要在那上面浪費時間。”他還建議以 1000:1 來賭這個實驗絕不會成功。
吳健雄選擇了李、楊論文中建議的一個實驗,就是把元素鈷-60 的核冷卻到接近絕對零度,這樣原子的熱震動基本就消除了,然後再用一個磁場使得這束原子核按照同一個方向自旋。
如果宇稱是守恆的,電子就會以相同的數量向兩個方向飛出;如果宇稱不守恆,那麼一個方向上飛出的電子將會比另一個方向飛出的電子多一些。這樣,對稱性就破壞了。這個實驗由於要用到極低溫裝置,哥倫比亞大學的實驗室條件不夠,吳健雄就與美國國家標準局合作,利用他們的實驗室進行實驗。
1957 年 1 月 9 日凌晨 2 點,吳健雄小組最後一次反覆查證實驗終於結束,儘管結果好多天前就已經知道,這次實驗只是出於重大成果的極度謹慎需要。實驗小組一共 5 個人,他們打開了事先準備好的法國葡萄酒,慶祝一項偉大的物理成就誕生了:弱相互作用下,宇稱是不守恆的。
6 天后,哥倫比亞大學做了一件從無先例的事:為這件事情舉行了一次新聞釋出會。
拉比教授在在釋出會上說:在某種意義上,一個相當完整的理論結構已從根本上被打碎,我們不知道這些碎片將來如何能再聚在一起。
沒過多久,包括之前拒絕做實驗、腸子都悔青的萊德曼和其他幾個實驗室的驗證實驗的結果也都相繼出爐,以更加完美的實驗資料驗證了吳健雄的結果。整個物理學界轟動了,西桃之謎終於被解開了,這是一個無可比擬的、重大的革命性的進展。這個實驗也被認為是繼邁克爾遜-莫雷實驗以後最重要的物理實驗。
當年的諾貝爾物理學獎也以火箭般的速度頒給了楊振寧和李政道,創下了諾獎歷史上絕無僅有的當年出成果當年頒獎的傳奇,即便是 2017 年的引力波獲獎,那也是隔了一年。
按理說,吳健雄也完全有資格獲此殊榮,許多大科學家都公開表示了他們的失望和不以為然。例如 1988 年的諾獎得主物理學家史坦伯格就認為,那年諾貝爾獎沒有同時頒給吳健雄,是諾貝爾委員會最大的失誤。由於諾獎的頒獎甄選資料的保密期是 50 年,因此在 2006 年之前,這一直是個謎。
後來檔案都解密了,大家才知道真實的原因。因為吳健雄的實驗也有美國國家標準局的另一位低溫實驗科學家安伯勒的功勞。但是諾獎的規則卻是最多隻能同時頒給三位科學家,這樣一來,諾獎委員會就犯難了,如果只頒給吳健雄而不給安伯勒,也有失偏頗。最後權衡再三,只好將吳健雄的名字劃去了。
到這裡,本章一開始提出的那個問題就有了答案。
現在我們可以對外星人說:聽著,你們先製造一塊磁鐵,然後把線圈繞上去,讓電流透過,隨後取一些 27 號元素鈷,把溫度降低到儘可能接近絕對零度……(此處略去幾百字專業性比較強的實驗描述),好了,現在你們看到的電流流出的方向就是我們地球人所謂的左邊。
上帝他老人家居然真的是一個左撇子,他偏愛左方。
科學再次向我們展現了它強大的自我糾錯能力。
那麼,既然在弱相互作用下,宇稱可以是不守恆的,有沒有可能在電磁相互作用或者強相互作用下,宇稱也不守恆呢?
這是物理學家們自然而然冒出來的想法。一切只能以實驗為最終判斷依據。每一個物理實驗都有精度的概念,這就好像我們平常說自己的身高是 170 釐米,那就表明這是在釐米級別的精度上,如果把精度再往前推一位,到了毫米級別,你就可能是 1703 毫米了。
所以,當科學家們做了某個驗證強相互作用下宇稱守恆的實驗,準確地說,是宇稱守恆在某個精度下得到了驗證,如果精度繼續往前推進,那麼實驗就必須重新做。因此,我們可以宣佈在弱相互作用下,宇稱是百分之百不守恆的,但是我們卻不能宣佈,在強相互作用下,宇稱是百分之一百守恆的,而且從邏輯上來說,永遠不能這樣宣佈,原因就在於對精度的追求沒有止境,至少從現在來看,還遠遠沒有止境。
這就是所有的科學理論一個非常重要的特徵,它是有適用範圍的,任何一個科學理論只能說在某個適用範圍內是正確的。但是這句話可能反過來理解會更加重要和有意義:當我們說推翻了一個現有的理論時,其實並不是說現有的理論錯了,而只是將現有理論的適用範圍框定在了某個精度之下。
如果未來有一天,科學家告訴我們現在的量子理論是錯誤的,能量守恆也是錯誤的,但是,那絕對不會導致我們今天在這些理論指導下發明的手機、電腦突然就不工作了。我想跟某些人說:對不起,在我們當前的適用範圍中,這些理論會一直、永遠正確下去。在相對論推翻牛頓力學的 100 年後,我們所有的航天發射依然只需要用到牛頓力學,科學精神讓我們正確認識科學理論的錯誤。
幾十年以來,一些物理學家認為在夸克和膠子構成的等離子體中,可能存在強相互作用下宇稱不守恆的區域。為了驗證這種猜想,過去十年,美國的相對論重離子對撞機的 STAR 合作組與歐洲核子研究中心的大型強子對撞機的 ALICE 合作組一直在做實驗。
結論是他們在極高的精度下未能觀測到宇稱不守恆,這條上世紀就建立起來的物理學家們的共同信念到今天依然是堅挺的。這個成果將有助於我們研究規範理論在相對論環境中的基本拓撲結構。新研究雖然向前推進了一步,但對強相互作用中宇稱不守恆的搜尋仍將繼續,而物理學的新發現也許就在眼前。
最後我還想說兩句,我們這個社會上對於楊振寧先生的誤解實在是太多了,那些對楊振寧先生亂噴口水的人根本不知道他對人類的科學事業做出了多麼巨大的貢獻。泰勒把楊振寧譽為是繼愛因斯坦和狄拉克之後建立一代風格的物理大師。
今天介紹的只是楊振寧一生中眾多成就中的一項,他還有很多了不起的成就。僅就物理學成就而言,他絕對是所有華人科學家中排名第一的。很多人可能以為霍金非常厲害,但在科學成就上,他與楊振寧先生是不在一個檔次上的,我這麼說,絕對不是出於民族感情。
我自己常說,在談論科學和科學家的時候,最好先把民族感情放在一邊。楊先生今年已經 95 歲了,我前不久還在湖南衛視上看到他露面,精神矍鑠,口齒清晰,他說對自己活到 100 歲非常有信心。
我由衷地為楊先生祝福,希望您能一直活到人類攻克死亡的那一天。
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這句話來自於著名物理學家泡利,他在聽聞吳健雄證明了楊振寧和李政道的宇稱不守恆之後,說出了這句話。
在當時,物理學家都絕對宇宙是完美對稱的,物理學規律也是完美對稱的。就像一面鏡子,鏡子裡的世界和鏡子外面的世界互為對稱,那麼它們的物理規律也應該是對稱的,一模一樣的。比如鏡子外面你向天空拋一個球,鏡子裡也以一模一樣的行為拋一個一模一樣的球,理論上這個球的運動規律應該是完全對稱。可是,在微觀弱力世界,這個球的運動軌跡和境外的不一樣了!對稱破缺了!這就是宇稱不守恆。
在當時,物理學家發現了兩種k介子,這兩種k介子質量、電荷、壽命、自旋完全一樣,本應該認為是同一種粒子。可是,卻發現這兩種k介子在衰變的時候,一種衰變成2個π介子,一種衰變成3個。於是科學家們就捏著鼻子給這種外形性質一模一樣的粒子分別取名你。可是,天才的李政道和楊振寧卻敏銳地絕對,這兩種k介子應該是同一種粒子,只不過是在衰變過程中是弱力不對稱導致的。這種反傳統的思想,就和當時愛因斯坦認為以太不存在,光速不變如出一轍。果然,沒過多久另一個華裔科學家吳健雄利用了一個巧妙實驗確實證明了弱力不對稱性。楊和李因此分享了1957年諾貝爾獎,不過也為吳健雄感到惋惜,引力波發現都可以獲獎,這個就就不行,只要知道當時樣和李提出宇稱不守恆理論時,重視和承認的科學家就幾乎沒有啊。難道真的是諾貝爾獎含金量越來越低了?
當弱力被證明竟然真的是不守恆時,科學界炸開了鍋。原來以為的世界是完美對稱,竟然是錯誤的。一個事件的反演,就是不對稱。這在當時,幾乎不可想象。泡利在知道之後,結合自然界總是出現天然的左旋物質,例如DNA和蛋白質,他不禁感嘆:“上帝有輕微的左撇子”!
當然,後來人們基於弱力的宇稱不守恆,又陸續發現了電荷、時間都不守恆。就是說時間前進後再倒流回去,過程是完全不一樣的!這或許也是為什麼未來沒有人能夠穿越時空回來的原因,因為時間竟然不對稱了。不過,科學家們覺得或許正是宇宙不守恆,才導致宇宙大爆炸時生成的正物質比反物質多一點,從而導致了我們宇宙沒有泯滅掉。