一提起杨振宁,许多人想到的可能是他的黄昏恋情,还有他没有回国奉献的经历,这也成为了他在网上被吐槽的点。但是,很多人不知道的是,杨振宁被评价为能和爱因斯坦比肩的伟大物理学家,其学术地位远远超过世人皆知的霍金。他一生中发现了很多理论,其中还因为弱相互作用的宇称不守恒而获得诺贝尔物理学奖。今天,我们就来谈谈他的宇称不守恒!

为了了解这一原理,我们首先要了解反射和反演。在日常生活中,照镜子看到的镜像就是物体在前后方向这个维度的反射,而反演则可以看作是多个维度的同时反射。从生活经验我们可以知道,镜子的像和物体本身是左右相反的,也就是说左手在镜子里面会显示成右手。如果我们再进行一次反射,那么左手在镜像里面也会显示成左手。再进行一次反射,那么它又会变成右手。

杨振宁能和爱因斯坦并列吗(杨振宁为什么能和爱因斯坦相提并论)(1)

从上面我们可以知道,奇数次的反射会改变手性,而偶数次的反射则不会改变手性,也就是说空间的二维反演具有不变性。但是不管你经过多少次反射,它都会出现相同的或者对称的手,而不会出现“不左不右”的手。

在经典物理学中,左和右是完全对称的,也就是说物理学的规律是空间反演不变的。然而,进到微观物理学中,我们就会看到左右对称性或空间反演不变性不再成立的情况,这就是著名的弱相互作用宇称不守恒问题。所谓宇称,指的是量子力学波函数ψ(x,y,z)在空间反演变换中的性质。如果通过变换波函数不改变,那么就称它为具有正宇称;如果仅仅只是多了个符号,那么就称它为具有负宇称。

对强相互作用和电磁相互作用的研究中发现,它们是遵循宇称守恒定律的。也就是说,在这两种相互作用下,正宇称只能演化成正宇称,负宇称只能演化成负宇称。当时,物理学家想当然地认为,弱相互作用也遵守宇称守恒定律。后来,李政道和杨振宁最早于1956年提出,弱相互作用的宇称不守恒定律。

杨振宁能和爱因斯坦并列吗(杨振宁为什么能和爱因斯坦相提并论)(2)

当时,物理学界出现了“θ-τ疑难”。在实验中观察到两种奇异粒子,它们的各方面性质都非常相似,于是物理学家怀疑它们是同一个粒子,但它们具有不同的衰变方式:一种衰变到2π末态的称为θ粒子,另一种衰变到3π模态的称为τ粒子。对这些π介子进行分析并应用宇称守恒定律,θ粒子的宇称是正的,τ粒子的宇称是负的,它们不可能是同一粒子。现在情况很明确了,有两种可能性,一种是它们确实是不同粒子,另一种情况是宇称不守恒。

李政道和杨振宁提出,可以应用原子核的β衰变来检验弱相互作用是否守恒。原子核的β衰变是最先认识到的弱相互作用过程,但是在前期中子衰变成质子和电子的实验中发现了能量不守恒的情况。玻尔等人认为能量守恒只在宏观下成立,但是泡利为了捍卫能量守恒的权威,提出了中微子假设。后来证明泡利是正确的,中子在衰变成质子和电子的时候,还会生成中微子带走能量。

杨振宁能和爱因斯坦并列吗(杨振宁为什么能和爱因斯坦相提并论)(3)

有了这些基础,吴健雄在杨振宁的建议下,使用钴60核在1K的环境下进行了β衰变实验,首次验证了弱相互作用下宇称不守恒。

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