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        物理學(xué)史中的十二月

        2022-03-21 04:03:32蕭如珀楊信男
        現(xiàn)代物理知識 2022年6期
        關(guān)鍵詞:宇稱標(biāo)準(zhǔn)局李政道

        蕭如珀 楊信男 譯

        (1.自由業(yè);2.臺灣大學(xué)物理系 10617)

        1956年12月27日:宇稱守恒的推翻(譯自APS News,2001年12月)

        在物理學(xué)中,“對稱性”長久以來都扮演著關(guān)鍵性的角色。自從1925 年以來,科學(xué)家就一直認為我們的世界和鏡子內(nèi)的影像是無法區(qū)別的——即為人所知的宇稱守恒的觀念,而主要的理論也印證了此假設(shè)。宇稱守恒和能量、動量與電荷守恒等最基本的物理法則一樣,在物理方面都享有極高的地位,一直到1956 年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(現(xiàn)在的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與科技研究院)進行了一系列重要的試驗后才改觀。正如相對論一般,大自然再一次證明了它并不總是遵循著“常識”的法則。

        宇稱守恒意味著大自然是對稱的,所以向左、向右旋轉(zhuǎn)或是任何亞原子粒子的另一對半(鏡像粒子)都沒有差別。例如,兩個相似的放射粒子繞著一個垂直的軸朝相反的方向旋轉(zhuǎn)衰變,所放射出向上與向下質(zhì)點的強度應(yīng)該是相同的。雖然在強作用中有許多實驗證明宇稱守恒的成立,但在弱作用中卻從未有實驗證明其也成立。事實上,當(dāng)弱作用力首度提出來解釋基本粒子的分裂時,若在當(dāng)時說宇稱守恒不成立的話,似乎是令人難以置信的。

        圖1 吳建雄領(lǐng)導(dǎo)的團隊在美國國家標(biāo)準(zhǔn)局做實驗時所攝(圖片來源:http://physics.nist.

        20世紀(jì)50年代,當(dāng)高能物理學(xué)家開始觀察無法由既有理論解釋的現(xiàn)象時,一切都改觀了,其中最著名的是高能質(zhì)子和原子核碰撞時所放射出K 介子的衰變。K 介子出現(xiàn)在兩個完全不同的情況,可以衰變成二或三個π介子,(它們必須有相反的宇稱),但在其他的特性上,K介子似乎完全相同。1956年6月,理論物理學(xué)家楊振寧1和李政道2寫了一短篇論文,寄到《物理評論》(Physical Review),提出宇稱在弱作用中是否能守恒的問題,還建議了幾個可以解答此問題的實驗。

        當(dāng)李政道和楊振寧的論文在1956 年刊登出來時,物理學(xué)家除了好奇外,并未有任何立即的回響。戴森(Freeman Dyson,著名的理論物理學(xué)家,任職于普林斯敦高等研究院)后來承認說,他當(dāng)時認為這篇論文很有趣,“我并無足夠的想象力說:‘天??!假如這是真的,它將為物理開啟一個全新的領(lǐng)域!’我認為當(dāng)時的物理學(xué)家,幾乎沒有例外,都和我一樣不夠有想象力?!崩聿榈隆べM曼(Richard Feynman,譯者注:1965 年獲得諾貝爾物理獎)宣稱違反宇稱的想法“不太可能,也許可能性很小,是很令人興奮但可能性微乎其微,”但他后來還是和一位朋友打賭50 美元,說宇稱守恒不會被推翻。

        圖2 圖左的橢圓球體表示大量朝同一方向旋轉(zhuǎn)的鈷60原子核所放射出的β射線;圖右是鏡中所見的相同過程,旋轉(zhuǎn)的方向相反,但所放射出來的大多數(shù)β射線方向是相同的,因此鏡中的世界和真實的世界可區(qū)別出來,空間倒置后的世界和真實的世界并不完全相同;宇稱不守恒

        在所建議的實驗中,最簡單的方法之一是,以強磁場將鈷60原子核的自旋排在同一方向,然后測量它在衰變時各方向所射出β射線的強度。宇稱守恒成立的話,所放射出來的β射線在兩極之間的分布必須相同,假如有一極的β粒子比另一極多的話,就可能區(qū)別出鏡中影像的原子核與其相對物的不同,那就等于推翻了宇稱的守恒性。

        在1956年的圣誕節(jié)與新年期間,美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的科學(xué)家開始著手進行β粒子衰變的試驗,整個研究團隊由哥倫比亞大學(xué)的吳健雄教授所領(lǐng)導(dǎo)。吳教授于1912年誕生在中國,1940年獲得加州大學(xué)的博士學(xué)位,第二次世界大戰(zhàn)期間曾參與曼哈頓計劃。1975年,她出任美國物理學(xué)會第一位女性會長。

        實驗的結(jié)果出爐后,美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的研究團隊得到了令人驚奇的結(jié)論:β粒子在原子核旋轉(zhuǎn)的反方向所放射出的數(shù)目比較多。因此,由于β放射線的分布與旋轉(zhuǎn)的鈷60原子核的鏡中影像不一致,明確地證實了宇稱不守恒。萊德曼(Leon Lederman)當(dāng)時在哥倫比亞大學(xué)的回旋加速器做研究,他獨立以此設(shè)備做了宇稱的測試,透過π和μ介子的衰變,亦得到了違反宇稱的確切證據(jù)。

        簡而言之,大自然是一個半靈巧的左撇子,而費曼賭輸了。此結(jié)果粉碎了30 年來全球所接受的核物理的基本概念,促使人們重新思考物理的理論,也因此有了全新,更深遠的發(fā)現(xiàn)——最顯著的是對基本粒子特性有進一步的了解,并對基本作用力有更完整的理論。

        圖3

        延伸閱讀:

        S.Weinberg,Review of Modern Physics,52,515(1980);

        A.Salam,p.525;S.L.Glashow,p.539.

        補充資料:

        ?http://physics.nist.gov/GenInt/Parity/cover.html

        ?http://ccreweb.org/documents/parity/parity.html

        注1:楊振寧,1922年出生于中國,1946年1月考取清華留美公費生赴美,1948年獲得芝加哥大學(xué)的博士學(xué)位,1957年因推翻宇稱守恒的研究與李政道同獲諾貝爾物理獎。

        注2:李政道,1926年出生于中國,1946年9月考取中國公費生到美國芝加哥大學(xué)進修,畢業(yè)后和楊振寧合作研究宇稱守恒,于1957年和楊振寧同獲諾貝爾物理獎,他當(dāng)年31歲,是最年輕的諾貝爾獎得主之一。

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