百岁杨振宁之宇称不守恒

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1、θ-τ之迷

人们一直认为τ介子和θ介子是同一种粒子，因为它俩的自旋方向、电荷、质量、寿命等等参数都一模一样，直到1953年事情起了变化（注意这个时间点，杨振宁发表宇称不守恒是1956年，获诺奖是1957年），人们发现这两种粒子衰变后的产物居然不同：一个θ介子可以衰变成两个π介子，而一个τ介子可以衰变成三个π介子。

那么问题来了——这两个粒子到底是不是同一个粒子呢？如果是，那么衰变的结果为什么不同？难道是薛定谔的粒子？

2、诺特定理

埃米·诺特，这个被爱因斯坦称之为“数学史上最重要的女人”在物理学史上依然影响深远，她提出的诺特定理，在物理学界几乎是醍醐灌顶般的存在。

她说：物理学里的连续对称性和守恒定律是一一对应的。——诺特定理

埃米·诺特，终生未嫁

微言大义！言简意赅！但是往往字越少代表事情越大。我们来试着拆解下这句话：

“守恒定律”好理解，高中学习了太多守恒，能量守恒、动量守恒、质量守恒。难理解的是对称性。

这里要说明一下，物理学中的对称和我们美学中的对称还不是一个概念。

这是美学中的对称

物理学中的对称往往依托于不变性。举个例子，一个正方形的纸板，你放在地球上看是正方形，放在月球上看它依然是正方形，这个时候我们就说这个正方形具有空间对称性。

再比如，今天看这个图形是正方形，过两天再看依然是正方形，并不随时间而改变，我们就称它具有时间对称性。

可以理解为：一个图形，在某种操作下保持不变，我们就说这个图形具有某种对称性。推而广之，在物理学中，如果一个定律在某种操作下能够保持不变，我们就称这个定律具有某种对称性。

比如，F=ma，在地球上成立，换到月球上也成立，那么这个定律具有空间平移对称性。

物理学家们总结出了如下几种对称性：

时间平移对称性：就是说某个物理定律今天适用，明天依然适用。和时间无关。

空间旋转对称性：比如万有引力定律，苹果会朝地心方向下落，无论我们仰视还是俯视或者通过其他角度看这个落地过程都是符合万有引力定律的。

镜像对称：可以理解为从镜子里看苹果落地，镜子里的苹果和镜子外一样遵守万有引力定律。

到此，对称性解释完了。根据诺特定律，对称性和守恒定律一一对应，到底是怎么对应的呢？物理学家已经研究出来了：

空间平移对称对应动量守恒；时间平移对称对应能量守恒；空间旋转对称对应角动量守恒；镜像对称对应宇称守恒。

我们重点来讲讲宇称守恒。

3、宇称守恒不守恒

宇称守恒可以理解为一个物理定律经过镜面反射之后依然保持不变，比如镜子外F=ma，镜子里依然F=ma，那么它就是宇称守恒的。也就是说镜子里的世界和镜子外的世界都满足同一个物理定律。

而且，经过物理学家的证明，已经确认自然界的四大基本力中三个力（电磁力、万有引力、强力）满足宇称守恒定律，就是说，在镜中世界和镜外世界，这三种力的作用规律是完全一致的。

唯独最后一种弱力没有被证明，但几乎没有人认为弱力不满足宇称守恒，除非他疯了。因为守恒和对称在物理学中实在太重要了，只有守恒和对称的宇宙才完美。（正所谓科学的最高境界是哲学，哲学的最高境界是神学）

问题就出在了θ-τ身上，这两种本该一样的粒子衰变之后产物不一样，这引起了杨振宁和李政道的注意，会不会弱相互作用下宇称就不守恒呢？

杨振宁和李政道不仅提出了质疑，还设计出了一套验证方法。但他们毕竟是理论物理学家，动手能力不如实验物理学家，于是他们找到了有“东方居里夫人”之称的华裔物理学家“吴健雄”。

吴健雄肯帮杨振宁实验其实是顶着巨大压力的，要知道当初诸如费曼、泡利、朗道这种级别的大师都认为吴健雄是在浪费时间，宇称不可能不守恒。费曼甚至愿意赌50美金。但吴健雄顶住了压力。不但接受了邀请，还放弃休假直接开始实验

我们大致说下实验的原理：

弱相互作用主要表现在重核衰变的时候，吴健雄就利用钴60的衰变，为了创造镜中和镜外两个世界，吴健雄选用两个一样的钴核，利用外加磁场，调整两个钴核的旋转方向，让他们互为镜像的旋转。

根据下面的衰变方程式可以看出钴60衰变会放出一个电子（β射线），我们最后要测算的就是这个β射线的强度。

我们先假设镜外世界中钴核向上发出的β射线强度是Ⅰ1，向下的强度是Ⅰ2，镜中世界的强度分别为Ⅰ1’和Ⅰ2’。

那么如果宇称是守恒的，也就是说镜里镜外是镜像对称的，那么就会有Ⅰ1=Ⅰ1’，Ⅰ2=Ⅰ2’。

又由于已经证明了弱力是满足旋转对称性的，左边的钴核通过旋转180°就变成了右边的钴核，根据旋转对称性，Ⅰ1=Ⅰ2’，Ⅰ2=Ⅰ1’。

综上可以得出，Ⅰ1=Ⅰ2，Ⅰ1’=Ⅰ2’。也就是说，钴核应该向上下方向发射相同数量的钴核。

但实验结果却不是这样。

4、上帝是个左撇子

经过吴健雄的测量，Ⅰ2远远大于Ⅰ1，Ⅰ1’远远大于Ⅰ2’，这和我们假设的Ⅰ1=Ⅰ1’，Ⅰ2=Ⅰ2’矛盾。也就是说在弱相互作用下的宇称是不守恒的。

同时根据Ⅰ2远远大于Ⅰ1，Ⅰ1’远远大于Ⅰ2’的结果，说明镜外世界的电子是往下发射的，镜里世界的电子是往上发射的，但都是满足左手定则的。

这个实验做完后好多著名的物理学家都纷纷质疑实验肯定做错了，泡利就说“我不相信上帝是个左撇子”。

其实连吴健雄本人也怀疑实验过程出现了问题，他把实验结果告诉杨振宁时还特意强调先不要外传。但是杨振宁早就预料到了，马上就把结果公之于众。当然，后面许多科学家重复了这个实验，结果都是惊人的一致：

在弱力下，宇称真TM是不守恒的。

和当初普朗克提出量子概念、证明宇宙是不连续的一样，要么极其愚蠢要么就是划时代的发现。1956年杨振宁和李政道发表了《弱相互作用中宇称守恒的问题》的论文，1957年就获得了诺贝尔物理学奖。可谓光速获奖。

宇称不守恒的论文

杨振宁本人曾经说过，他是相信神的存在的，他用麦克风举例，如果麦克风不经人类设计生产，它是不会莫名其妙就成为这个样子的。同样道理，我们人类甚至地球乃至整个宇宙，这么奇妙的存在着，绝对不是自己莫名其妙就发生了的。整个宇宙的产生和规则，不可能不是被设计出来的。

当然，设计出整个宇宙的神并不是宗教意义上神，而且我们知道，这个神是个左撇子，非常喜欢对称，但是她又不喜欢绝对的对称。