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为什么破镜不能重圆(杨振宁的“宇称不守恒”理论告诉你答案)

时间:2023-09-22

杨振宁可以达到诺奖级别的成就有13项,其中最著名的有两项,一个就是获得诺贝尔奖的宇称不守恒理论,另一个就是大名鼎鼎的杨米尔斯方程

TIPS:本文共有 3691 个字,阅读大概需要 8 分钟。

一百岁的杨振宁到底给世界带来了什么?在回答这个问题之前,首先必须肯定的是,杨振宁是当今世界尚在的最伟大的物理学家,没有之一,在人类物理学大厦的丰碑上,他的名字仅次于牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦几位寥寥巨擎。

杨振宁可以达到诺奖级别的成就有13项,其中最著名的有两项,一个就是获得诺贝尔奖的“宇称不守恒理论”,另一个就是大名鼎鼎的“杨——米尔斯方程”。

“宇称不守恒”是什么意思?

我们先来说说“宇称不守恒理论”,这里有一个关键词“宇称”,用科学家的话说,宇称是内禀宇称的简称。,它是表征粒子或粒子组成的系统在空间反射下变换性质的物理量。在空间反射变换下,粒子的场量只改变一个相因子,这相因子就称为该粒子的宇称。我们也可以简单地理解为,宇称就是粒子照镜子时,镜子里的影像是不对称的。

这里所说的粒子又是什么呢?就是“以自由状态存在的最小物质组成部分”,是比原子更小的单位,现代物理学中的粒子有数百种,包括电子、介子、夸克、轻子等。

了解了粒子和宇称的概念,再来看“宇称不守恒”的定义:在弱相互作用力中,互为镜像的物质的运动不对称。翻译成通俗的语言就是:在原子核内部的粒子,在弱相互作用力中照镜子,运动轨迹是不对称的,是不是有点奇怪?毕竟常识告诉我们,镜子里的镜像和镜子外的物体,应该是完全对称才对,就像你照镜子,镜子中的你不仅和你长的一样,动作也完全一致。

注意这里的不对称还有一个前提,就是在“弱相互作用下的微观粒子”,粒子我们已经说过了,弱相互作用力又是什么呢?

我们目前发现的宇宙中存在四大基本力,分别是引力,电磁力,强核力,弱核力;引力我们都知道,就是牛顿小时候被苹果砸了脑袋之后发现的那个,电磁力包括电力和磁力两部分,它是指基本粒子在电荷、电流和磁场的相互作用下产生的力。在我们日常生活中最常见的摩擦力、支撑力、弹力之类的,归根结底都是电磁力的作用。电磁力也好理解,你拿一把梳子梳一下头发,梳子就能吸起小纸屑,这就是电磁力。

有点难理解的是强力和弱力,因为它是发生在原子层面的,我们都知道,原子是由原子核和核外电子组成的,而原子核又是由质子和中子组成的,这个强核力就是把质子和中子hold住,不让原子核散架的力,与强力相对应的就是弱力,弱力就是主导核裂变的力,如果说强力是搞团结的力,弱力就是搞分裂的,当质子和中子越来越多,强力也就hold不住弱力了,这个时候核裂变就发生了,比如原子弹就是利用铀235发生核裂变释放出巨大能量的原理制成的。

明白了什么叫弱相互作用力,我们再来看看“宇称不守恒”的定义,就是在善于搞分裂的弱核力作用力下,粒子在照镜子时,发现镜子里的那个影像,竟然跟自己的动作不对称。这实在是太不可思议了!

在“宇称不守恒”理论出现之前三十年里,物理学界一直认为在微观世界里,基本粒子有三种基本的对称方式,一个是粒子和反粒子的互相对称,这里解释一下什么叫反粒子,就是所有的粒子都有与其质量、寿命、自旋、磁矩大小相同,带电量相等且符号相反、磁矩和自旋的取向关系也相反的反粒子,比如电子e-的反粒子就是正电子e+,质子的反粒子就是反质子,粒子和反粒子相遇就会发生湮灭从而转变成别的粒子。

第二种对称就是空间反射对称,就是同一种粒子之间互为镜像,它们的运动规律是相同的,这就是宇称,也即是杨振宁公关的那个;第三种是时间反演对称,就是说如果我们颠倒粒子的运动方向,粒子的运动也是相同的,也就是时间对称。

“宇称不对称”是怎么被发现的?

以上所说的微观世界的三种对称,因为符合常识所以看起来无懈可击,那么杨振宁又是怎么发现“宇称不对称”的呢?时间回到1956年,当时的科学家发现θ(西塔)和τ(套)两种介子的自旋、质量、寿命、电荷等完全相同,多数人认为它们是同一种粒子,但θ介子衰变时产生两个π介子,τ子衰变时产生3个,这又说明它们是不同种粒子。

1956年,李政道和杨振宁在深入研究之后大胆断言:τ和θ是完全相同的同一种粒子(后来被称为K介子),但在弱相互作用的环境中,它们的运动规律却不一定完全相同,通俗地说,这两个相同的粒子如果互相照镜子的话,它们的衰变方式在镜子里和镜子外居然不一样!用科学语言来说就是,“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的。

一开始,科学家们认为,“θ-τ”粒子只是一个特殊例外,可没多久,同为华裔的实验物理学家吴健雄用一个巧妙的实验验证了“宇称不守恒”,这时“宇称不守恒”才真正被承认为一条具有普遍意义的基础科学原理。

“宇称不对称”是怎么被证明的?

吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变,她在0.01K的极低温,也就是摄氏0下273点14度下,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。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。

东方“居里夫人”吴健雄

自从宇称守恒定律被李政道和杨振宁打破后,科学家很快又发现,粒子和反粒子的行为并不是完全一样的!一些科学家进而提出,可能正是由于物理定律存在轻微的不对称,才导致宇宙大爆炸之初生成的物质比反物质略多了一点点,大部分物质与反物质湮灭了,剩余的物质才形成了我们今天所认识的世界。如果物理定律严格对称,那么宇宙大爆炸之后应当诞生了数量相同的物质和反物质,但正反物质相遇后就会立即湮灭,那么,星系、地球乃至人类就都没有机会形成了。

再后来,科学家发现连时间本身也不再具有对称性了!

日常生活中,时间之箭永远只有一个朝向,就像老人不能变年轻,打碎的花瓶无法复原,过去与未来的界限泾渭分明。不过,在物理学家眼中,时间却一直被视为是可逆转的。比如说一对光子碰撞产生一个负电子和一个正电子,而正负电子相遇则同样产生一对光子,这两个过程都符合基本物理学定律,在时间上是对称的。但是如果用摄像机拍下其中一个过程然后播放,观看者将不能判断录像带是在正向还是逆向播放——从这个意义上说,时间没有了方向。

1998年,物理学家们首次在微观世界中发现了违背时间对称性的事件。欧洲原子能研究中心的科研人员发现,正负K介子在转换过程中存在时间上的不对称性:反K介子转换为K介子的速率要比其逆转过程——即K介子转变为反K介子来得要快。

至此,粒子世界的三种对称性理论全部被打破了,世界从本质上被证明了是不完美的、有缺陷的,粒子的本质是电磁相互作用。也许正是这种粒子的相互作用影响差异,使得粒子能量运动状态发生改变而导致宇称不守恒。

宇称不守恒有什么实际意义?

说了这么多,宇称不守恒到底有什么实际意义呢?还是再回到日常照镜子的场景,由于粒子层面不存在绝对的守恒,所以镜像也并非完全对称,不仅我们在镜子中看到的一切是不真实的,就连时间也不具备对称性,也就是说不仅现实生活破镜无法重圆,就连看似可能的穿越时空回到过去也成为不可能。

不过,宇称不守恒理论的意义并不至于这些,最大的意义还是在于,它定义了绝对的左和右,在现实生活中,当我们照镜子的时候,你伸出的左手,镜子中的你就会伸出右手,所以说左和右实际上和我们所处的空间位置有关,当一个人和你面对面或者并排的时候,左和右实际上是相反的,这是因为你会认为镜子中的一切都是对称守恒的,所以没有绝对的左和右,也就是说,当你挥动左手,镜子中的你挥动右手,如果给别人看这两段录像,他能不能分辨哪个是镜子外的,哪个是镜子内的?在日常经验的范围内,答案显然是:无法分辨。

可现在杨振宁的宇称不守恒理论颠覆了这个常识,所谓的左和右是绝对的!

我们来假设一个场景,当我们遇到一个外星人,只能通话不能见面,怎样才能介绍自己呢?外星人问你,地球人有多高啊?你回答说,我有1米7,外星人又问,请问1米又是多高呢?外星人不会懂得地球人的度量衡,所以你必须用一种外星人能够理解的语言来描述,你可以说,你们知道氢原子吧?就是一个质子和一个电子组成的最小的原子。

按照我们的单位制,1米大约是氢原子半径的200亿倍。这时候外星人就知道了,原来你的身高就是氢原子半径的340亿倍啊!外星人接着问,你们的心脏在哪边啊?你会说心脏在左边啊?外星人又蒙了,什么是左啊?这时候你一定也蒙了,怎么跟外星人解释左是什么呢?这个时候你就可以这样回答,只要在极低温下给大量的钴-60原子核加一个磁场,让它们的自旋整齐地排列起来,然后观察它们发射出的电子的角度分布。

假如宇称守恒,这个角度分布就是均匀的,从中不能提取出任何信息。但这里宇称不守恒,所以这个分布并不均匀。事实上,大多数电子是从与磁场相反的方向发射出去的。由此就可以把大多数电子的发射方向称为“上”,把磁场方向称为“下”。而在确定磁场方向时,用到了左手定则所以,把这种磁场方向定义为“下”的那只手就叫做左手!至于使用左手法则来判断磁力线方向,这是高中物理课本的知识,这里就不赘述了。

在1956年杨振宁和李政道提出“宇称不守恒”理论,到1957年获得诺贝尔奖,仅仅过了一年多时间,创下诺奖颁发最快时间记录,这要从一个侧面证明了这一理论的伟大意义。

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网友评论
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显示评论内容(9)
  1. 时代光华2023-12-22 19:17时代光华[网友]1.2.2.4
    @左手.墨迹杨老师的理论总是能让人对世界有更深入的思考。
    顶9踩0
  2. 左手.墨迹2023-12-12 15:13左手.墨迹[网友]103.25.157.249
    @普韵添香看来破镜不能重圆不仅仅是因为迷信,还有科学依据啊。
    顶0踩0
  3. 普韵添香2023-12-02 11:10普韵添香[网友]139.221.238.110
    好厉害哦,科学家们的研究领域真的很有意思。
    顶8踩0
  4. 木兆2023-11-22 07:07木兆[网友]116.63.236.232
    这个话题看似轻松,其实蕴含了很多深刻的道理呢。
    顶4踩0
  5. 我非柠檬为何心酸_eox2023-11-12 03:03我非柠檬为何心酸_eox[网友]203.29.2.40
    @红尘花落真的有点震惊,没想到破镜不能重圆还可以和科学挂钩。
    顶7踩0
  6. 红尘花落2023-11-01 23:00红尘花落[网友]202.62.252.2
    @泡沫断弦杨老师的理论总是这么奇妙,真的让人大开眼界。
    顶8踩0
  7. 泡沫断弦2023-10-22 18:57泡沫断弦[网友]202.62.114.153
    怪不得破镜不能重圆,原来这么有深意啊。
    顶0踩0
  8. 天下无双2023-10-12 14:53天下无双[网友]139.176.251.152
    原来杨振宁的理论还能解释这个现象,学到了学到了。
    顶0踩0
  9. 宫敬文2023-10-02 10:50宫敬文[网友]45.117.43.29
    哇,原来破镜不重圆还有科学理论支持啊,真的超有意思!
    顶4踩0
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