我们先回顾上一章的主要内容:
杨振宁和李政道非常敏锐的意识到,在宇称守恒这个问题上,只有把强相互力和弱相互力分开观察,才能破解θ-τ之谜(θ和τ符号读 西塔 和 套)。
他们的目光锁定了弱相互力。
但是θ-τ这种稀奇古怪的粒子太过于狡猾,所以他们把目光盯住弱力里的β衰变,然后由实验女王吴健雄,对弱力里的不守恒进行实验验证。
那宇称不守恒是如何被发现的,又意味着什么呢?
下面继续这一章节的故事:
宇称守恒已深入人心,就好比爱因斯坦没有出现之前的牛顿力学。
但吴健雄通过一个巧妙的实验,证明了宇称不守恒。
当然,这个实验并不是想象中的那么简单,不然也不会全世界那么多高端物理实验室,都不愿意接受杨振宁和李政道的委托。
它主要有两个难点:
一、分子、原子和原子核,它们之间的运动是杂乱无序的,如何让它们安静下来慢慢旋转是一个难点;
二、微观粒子具有不确定性,那么多原子核,我们是不可能一个一个去观察它们发射电子的方向,而只能通过观察一堆原子核衰变,去统计它们发射电子方向的概率。
所以必须用到 原子核的极化 这一项技术,在当时,这可是很牛的高科技了,它所做的就是让原子核按照一定的方向旋转。
当然,这难不倒吴健雄,毕竟“实验核物理的执政女王”,“东方的居里夫人”这一称号不是浪得虚名。
吴健雄先生
通过把温度降到只比绝对零度(-273.15摄氏度)高0.01K,然后测量一束钴60衰变放出电子的方向,通过观测电子方向确定宇称是否守恒。
具体操作就是:
吴健雄用两套实验装置观测钴60>的衰变。
在极低温下,用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋;
把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋,这两套装置中的钴60互为镜像。
实验结果表明,这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异,而且电子放射的方向也不能互相对称。
这一实验证明了宇称在弱相互作用力下是不守恒的。
简单来说就是,钴60具有放射性,它通过β衰变释放出一个电子。
如果宇称是守恒的,那么自旋方向相反的钴60原子会表现出相同的衰变特性。
结果发现:不同自旋方向的钴60原子,在进行β衰变的时候,发射出来的电子数目相差巨大。
这个实验结果刚出来的时候,吴健雄自己都不敢相信,她生怕是实验误差导致的结果,于是又谨慎的进行再次实验。
这就好像我们起床照镜子,你明明是把头发往后梳的,但镜子里的长发却出奇的梳向了前面,遮住了自己的脸一般吃惊。
她也只是把初步的结果跟杨、李二人说了,并让他们暂时不要对外公布。
但是,杨振宁和李政道显然对于自己的理论研究有足够的自信,于是迫不及待的就告诉了别人。
消息一出,震惊了整个物理学界,同行们立刻去做其它实验进行验证。
但实验结果都准确地显示,在弱相互力的作用下,宇称是真的不守恒。
除了之前打赌的那几位大佬悔不当初外,诺贝尔奖也在第二年颁给了杨振宁和李政道。
关于宇称不守恒为何具有如此高的江湖地位,在前面三篇文中有详细展开,这里不再赘述。
那宇称不守恒又意味着什么呢?
宇称不守恒的出现,说明粒子世界的物理规律,它们之间完美的对称性被打破了,世界从本质上被证明了是不完美的、有缺陷的。
但也正是因为宇宙存在着这样的不对称,宇宙大爆炸时才会产生不一样多的正反物质,数量多的一方取得胜利后,才会形成我们今天的正物质宇宙。
在20世纪的物理学中,对称性是很重要的,特别是相对论在时空对称方面取得的巨大成就,还有量子力学里对对称性的极度重视,使得人们对于对称性的信仰和依赖,丝毫不比20世纪之前人们对绝对时空观的依赖弱。
这也是宇称不守恒被验证之后,为什么会震动科学界的原因。
但是,宇称不守恒和相对论一样,虽然颠覆了之前固有的认知,却也不影响宏观世界的正常运行。
相对论的发展,不影响牛顿力学在宏观世界的使用。
而宇称不守恒也同样不会影响到完美的守恒定律。
这4样东西仿佛独立存在,各不相干,默默地作用于自己特有的领域。
就像蚂蚁看到桌子的4条腿,因为高度不够,就以为它们是独立存在的。
不管是这看似不相关的4种理论,还是自然界的4种基本力,又或者是11维的维度空间,它们仿佛都是独立存在,但这只是因为人类所处高度不够,而产生的盲人摸象一般的错觉。
在更高维度里面,这些都是一体的,这也是大一统理论 弦论 所试着要做的事情。
后面会对弦论进行拆分,看弦论是如果去进行大一统。
守称不守恒是由中国人所发现,包括实验物理学家吴健雄也是华人,这和中国文化有什么关联吗?
而宇称不守恒又有什么实际应用呢?
这些下一篇再聊。
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