粒子照镜子，里外不一样——宇称不守恒

随风飘，飘

　

　　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。以前人们根据物理界公认的对称性认为，宇称一定是守恒的。这就像有正电子，就一定有负电子一样。杨振宁教授1951年与李政道教授合作，并于1956年共同提出"弱相互作用中宇称不守恒"定律。

　　这个道理其实很简单。对称性反映不同物质形态在运动中的共性，而对称性的破坏才使得它们显示出各自的特性。如同建筑和图案一样，只有对称而没有它的破坏，看上去虽然很规则，但同时显得单调和呆板。只有基本上对称而又不完全对称才构成美的建筑和图案。大自然正是这样的建筑师。当大自然构造像ＤＮＡ这样的大分子时，总是遵循复制的原则，将分子按照对称的螺旋结构联接在一起，而构成螺旋形结构的空间排列是全同的。但是在复制过程中，对精确对称性的细微的偏离就会在大分子单位的排列次序上产生新的可能性，从而使得那些更便于复制的样式更快地发展，形成了发育的过程。因此，对称性的破坏是事物不断发展进化，变得丰富多彩的原因。
杨振宁和李政道从理论上怀疑宇称律作用于基本粒子弱相互作的正确性后提出，如果在弱交换作用下，奇偶性不守恒，那么一群有向原子核的贝塔射线应呈轴向的不对称分布。两位科学家为了证明他们预言的正确性，找到了吴健雄博士。吴健雄有许多新巧的物理实验技术广泛为其他物理学家所采用，许多物理学家在实验上遭遇到困难，也会寻求她的协助。在杨李提出请求后不久，吴健雄博士就与华盛顿的美国国家标准局的阿贝尔博士商讨合作这一实验的可能性，实际工作在3个月后开始。她在极低温度（绝对零度以上0.01摄氏度）的磁场中，观测钴60衰变为镍60，及电子和反微子的弱交换作用，果然电子及反微子均不遵守宇称守恒原理。

　　实验成功了，吴博士证明了杨振宁和李政道的理论，推翻了物理学上屹立不移三十年之久的宇称守恒定律。这一发现，使瑞典皇家科学院立即将1957年的诺贝尔物理奖，颁发给杨振宁和李政道两位博士，因为他们指正了过去科学家所犯的严重错误，更开启基本粒子"弱交换作用"一些规则的研究，使人类对物质结构内层的认识迈进了一大步。美国作家李·伊得逊说：吴健雄博士经过了不知多少次艰辛而复杂的实验，方使杨、李二位在理论上的突破，获得了实验上的证明。吴健雄在实验中发现了电子倾向于左手旋的现象，不仅改变了物理科学中"宇称守恒"的基本信念，同时也影响到化学、生物、天文和心理学的发展。虽然吴健雄博士没有得到诺贝尔奖，但她所从事工作的重要性并不因此而降低，反而因其他荣推崇和荣誉和纷至沓来，而更显得成就辉煌。普林斯顿大学授予她荣誉哲学博士学学位时，校长郑重地宣布：吴健雄博士已充分获得被称誉为世界上最伟大物理实验学家的权利。宇称不守恒原理彻底改变了人类对对称性的认识，促成了此后几十年物理学界对对称性的关注。

　　　西方科学家称吴博士是中国的居礼夫人，也曾是诺贝尔奖得主的艾米里·肖格莱博士誉她为"垂帘听政的核子物理学女王"。

　　"宇称不守恒原理"的影响是深远的。许多人说："很难想象，假若没有杨和李等的工作，今天的理论物理会是什么样子？！"1998年年末，物理学家发现首例违背时间对称性事件。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。这一发现虽然有助于完善宇宙大爆炸理论，但却动摇了"基本物理定律应在时间上对称"的观点。

　　正如人们经常感叹那样，时光不可倒流。日常生活中，时间之箭永远只有一个朝向。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。但在物理学家眼中，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，这个过程都符合基本物理学定律，在时间上是对称的。如果用摄像机拍下两个过程之一然后播放，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。

　　物理学上这种不辨过去与未来的特性被称为时间对称性。经典物理学定律都假定时间无方向，而且也确实在宏观世界中通过了检验。但近几十年来，物理学家一直在研究时间对称性在微观世界中是否同样适用。欧洲原子能研究中心的一个小组经过长达三年的研究最近终于获得了突破。他们的实验观测首次证明，至少在中性Ｋ介子衰变过程中，时间违背了对称性。

　　由来自九个国家近百名研究人员组成的这一小组在实验中研究了Ｋ介子反Ｋ介子相互转换的过程。介子是一种质量比电子大，但比质子与中子小，自旋为整数，参与强相互作用的粒子，按内部量子数可分为π介子、ρ介子和Ｋ介子等。研究人员在实验中发现，反Ｋ介子转换为Ｋ介子的速率要比其时间逆转过程、即Ｋ介子转变为反Ｋ介子来得要快。这是物理学史上首次直接观测到时间不对称现象。

　　现代宇宙理论曾认为，宇宙大爆炸之初应该产生等量物质和反物质，但当今的宇宙却主要为物质世界所主宰，这一现象一直让人困惑。欧洲核子中心新实验证明，反物质转化为物质的速度要快于其相反过程，因此它为宇宙中物质量为何远远超过反物质量提供了部分答案。另外，新成果对物理学基本对称定律研究也有重要意义。物理学家们一直认为，除了基本物理定律不受时间方向性影响外，物体在空间物理反射的过程以及粒子与反粒子的变换过程也应遵循对称性。时间、宇称和电荷守恒定律被认为是支撑现代物理学的基础之一。

　　本世纪50年代来，物理学家先后发现一些守恒定律有时并不完全满足对称性。美籍华人物理学家杨振宁和李政道曾提出弱相互作用中宇称不守恒理论并经实验证实，之后美国人詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇又发现Ｋ介子衰变过程违背宇称和电荷联合对称法则，他们都因此而获诺贝尔物理学奖。由于时间、宇称和电荷作为一个整体被认为应该守恒，物理学家们曾猜想说，时间在特定情况下会违背对称性。欧洲核子中心的成果首次证实了这一猜想。

　　1999年3月，科学家称直接观测证明电荷宇称定律有误。美国费米实验室宣布说，该实验室以前所未有的精度，基本"确切无疑"地证明中性Ｋ介子在衰变过程中直接违背了电荷宇称联合对称法则。这一结果被认为是物质和反物质研究领域的一项重要进展。

　　目前普遍接受的物理学理论认为，每一种基本粒子都有其对应的反粒子。譬如说与带负电的电子相对应，就存在质量相同、携带电荷正好相反的正电子。在反物质理论提出后，科学家们一直认为，粒子和反粒子之间在特性上存在对称，就象人们通过镜子看自己一样。这些对称特性主要包括基本物理定律不受时间方向性影响，以及空间反射下的物理过程以及粒子与反粒子的变换过程遵循对称，它们分别被称为时间、宇称和电荷守恒定律。

　　1964年，美国物理学家克洛宁和菲奇发现，Ｋ介子与其反物质反Ｋ介子之间违背宇称和电荷联合守恒定律。但两位物理学家主要通过Ｋ介子与反Ｋ介子的量子力学波动效应而观测到其违背电荷宇称守恒现象，因此被认为是一种间接观测。自60年代以来，世界各国物理学家也先后得出一些类似结果，但基本也都属于间接观测范畴。而要想直接证明Ｋ介子违背宇称和电荷联合守恒定律，其主要途径是研究Ｋ介子衰变为其它粒子的过程。Ｋ介子可衰变为两个介子。物理学家们曾从理论上指出，通过实验测量出一定数量Ｋ介子中有多少衰变为介子，这一比值如果不接近零，那么即可被视为直接证明了宇称和电荷联合定律不守恒。

　　据报道，各国科学家们近年来一直在从事Ｋ介子衰变为介子比值的测算，但所获得结果都无法被认为是确切的证明。而费米实验室所获得的最新数值结果（0.00280误差0.00041），由于其精确度比此前实验都有所提高，从而直接证明了宇称和电荷守恒定律确实有局限性。

　　宇称和电荷联合定律不守恒最早发现者之一、曾获1980年诺贝尔物理奖的克洛宁教授在评价费米实验室新成果时称，这是自发现违背宇称和电荷守恒定律的现象35年来，人们首次获得的有关该问题真正新的认识。普林斯顿大学教授瓦尔·菲奇说："这个结果让人极其诧异，这是完全没有预料到的，它非常、非常有意思。"

　　科学家计划继续在费米实验室进行实验和计算，以验证这些最新观察结果是否确实。与此同时，如果你想知道世界为什么会是现在这个样子，答案完全就在于左右之间的差异--你只要看看镜子就行了。

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这只是一个例外；；；；；