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  • 1 # 藍風24

    宇稱不守恆定律是指在弱相互作用中,互為映象的物質的運動不對稱.由吳健雄用鈷60驗證。

    科學界在1956年前一直認為宇稱守恆,也就是說一個粒子的映象與其本身性質完全相同.1956年,科學家發現θ和γ兩種介子的自旋,質量,壽命,電荷等完全相同,多數人認為它們是同一種粒子,但θ衰變時產生兩個π介子,γ衰變時產生3個,這又說明它們是不同種粒子.

    1956年,李政道和楊振寧在深入細緻地研究了各種因素之後,大膽地斷言:τ和θ是完全相同的同一種粒子(後來被稱為K介子),但在弱相互作用的環境中,它們的運動規律卻不一定完全相同,通俗地說,這兩個相同的粒子如果互相照鏡子的話,它們的衰變方式在鏡子裡和鏡子外居然不一樣!用科學語言來說,“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇稱不守恆的.

    在最初,“θ-τ”粒子只是被作為一個特殊例外,人們還是不願意放棄整體微觀粒子世界的宇稱守恆。此後不久,同為華裔的實驗物理學家吳健雄用一個巧妙的實驗驗證了“宇稱不守恆”,從此,“宇稱不守恆”才真正被承認為一條具有普遍意義的基礎科學原理。

    吳健雄用兩套實驗裝置觀測鈷60的衰變,她在極低溫(0.01K)下用強磁場把一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向左旋,把另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向右旋,這兩套裝置中的鈷60互為映象。實驗結果表明,這兩套裝置中的鈷60放射出來的電子數有很大差異,而且電子放射的方向也不能互相對稱。實驗結果證實了弱相互作用中的宇稱不守恆。

    我們可以用一個類似的例子來說明問題。假設有兩輛互為映象的汽車,汽車A的司機坐在左前方座位上,油門踏板在他的右腳附近;而汽車B的司機則坐在右前方座位上,油門踏板在他的左腳附近。現在,汽車A的司機順時針方向開動點火鑰匙,把汽車發動起來,並用右腳踩油門踏板,使得汽車以一定的速度向前駛去;汽車B的司機也做完全一樣的動作,只是左右交換一下——他反時針方向開動點火鑰匙,用左腳踩油門踏板,並且使踏板的傾斜程度與A保持一致。現在,汽車B將會如何運動呢?

    也許大多數人會認為,兩輛汽車應該以完全一樣的速度向前行駛。遺憾的是,他們犯了想當然的毛病。吳健雄的實驗證明了,在粒子世界裡,汽車B將以完全不同的速度行駛,方向也未必一致!——粒子世界就是這樣不可思議地展現了宇稱不守恆。

    宇宙源於不守恆

    宇稱不守恆的發現並不是孤立的。

    在微觀世界裡,基本粒子有三個基本的對稱方式:一個是粒子和反粒子互相對稱,即對於粒子和反粒子,定律是相同的,這被稱為電荷(C)對稱;一個是空間反射對稱,即同一種粒子之間互為映象,它們的運動規律是相同的,這叫宇稱(P);一個是時間反演對稱,即如果我們顛倒粒子的運動方向,粒子的運動是相同的,這被稱為時間(T)對稱。

    這就是說,如果用反粒子代替粒子、把左換成右,以及顛倒時間的流向,那麼變換後的物理過程仍遵循同樣的物理定律。

    但是,自從宇稱守恆定律被李政道和楊振寧打破後,科學家很快又發現,粒子和反粒子的行為並不是完全一樣的!一些科學家進而提出,可能正是由於物理定律存在輕微的不對稱,使粒子的電荷(C)不對稱,導致宇宙大爆炸之初生成的物質比反物質略多了一點點,大部分物質與反物質湮滅了,剩餘的物質才形成了我們今天所認識的世界。如果物理定律嚴格對稱,宇宙連同我們自身就都不會存在了——宇宙大爆炸之後應當誕生了數量相同的物質和反物質,但正反物質相遇後就會立即湮滅,那麼,星系、地球乃至人類就都沒有機會形成了。

    接下來,科學家發現連時間本身也不再具有對稱性了!

    可能大多數人原本就認為時光是不可倒流的。日常生活中,時間之箭永遠只有一個朝向,“逝者如斯”,老人不能變年輕,打碎的花瓶無法復原,過去與未來的界限涇渭分明。不過,在物理學家眼中,時間卻一直被視為是可逆轉的。比如說一對光子碰撞產生一個電子和一個正電子,而正負電子相遇則同樣產生一對光子,這兩個過程都符合基本物理學定律,在時間上是對稱的。如果用攝像機拍下其中一個過程然後播放,觀看者將不能判斷錄影帶是在正向還是逆向播放——從這個意義上說,時間沒有了方向。

    然而,1998年年末,物理學家們卻首次在微觀世界中發現了違背時間對稱性的事件。歐洲原子能研究中心的科研人員發現,正負K介子在轉換過程中存在時間上的不對稱性:反K介子轉換為K介子的速率要比其逆轉過程——即K介子轉變為反K介子來得要快。

    至此,粒子世界的物理規律的對稱性全部破碎了,世界從本質上被證明了是不完美的、有缺陷的。

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