聊粒子-宇称不守恒

6 3月

粒子的属性除了自旋,作用力,质量等,还有很多人为定义的属性,目的都是便于研究粒子间的共性,例如奇异数。

二战后随着实验设备的升级,加速器和对撞机的出现,人们一下子发现了200多种新粒子。

开始还用各种符号命名,什么λ,Σ,δ,ξ,Ω等,随着新粒子越来越多,连符号都不够用了。人们将这些粒子统一命名为“奇异粒子”

为何叫奇异?因为人们发现这些粒子有个共性:都是协同产生,但独立衰变的。

即这些奇异粒子只要产生,就至少是两个一起产生,但各自独立衰变,衰变成非奇异粒子,寿命不一样长。就好像双胞胎,出生时一起出生,但出生后就各安天命,死亡(衰变)的时间各自不同。

例如带负电的π介子加上质子,可以生成奇异粒子λ0超子和K0介子,它俩是一起产生的。

1953年美国物理学家盖尔曼(1929-至今)就为粒子定义了一个新的量子数,叫“奇异数”。奇异数是人为规定的一种便于研究粒子的方式。

他规定普通粒子的奇异数是0,λ0超子的奇异数是-1,K0介子的奇异数是+1。

人们研究发现在强力中奇异数是严格守恒的,但在弱力中就不一定守恒了。

例如研究K介子时发现,K介子有两种。一种能衰变成两个π介子,临时起名为θ。另一种能衰变成三个π介子,临时起名为τ。

θ和τ的质量,寿命等属性都一样,唯一的区别就是衰变后的产物不同,一个生成2个π,一个生产3个π。

而且θ和τ的宇称值不一样。

π介子的宇称值是-1,根据宇称守恒,θ的宇称值就是-1的平方为+1,τ的宇称值就是-1的立方还是-1。

所以当时物理学家们认为θ和τ一定是两种不同的粒子。

但如果真是两种不同的粒子,为何θ和τ的质量,寿命等属性啥啥都一样呢?不科学。

这个问题困扰着物理学家,越来越多的数据证明θ和τ其实就是同一种粒子,只不过有两种衰变方式而已。

如果它俩真是同一种粒子,它俩的宇称值又不一样,说明宇称不守恒了,这是无论如何都无法被接受的。泡利就坚持认为θ和τ一定不是同一个粒子,只是长的像,因为守恒定律是一定不会被打破的。

为何守恒定律不能被打破呢?深入研究后,科学家们发现守恒定律的背后都有一种对称性支撑。

例如能量守恒对应的就是“时间平移对称性”,反应前多少能量,反应中也是这么多能量,反应后能量还是这么多,只不过展现的形式变了,在时间轴上是对称的。(因为质能等价,质量守恒已经被能量守恒取代了)

动量守恒对应的就是“空间平移对称性”,我在这里做个实验发现一个规律,在那里做同样实验也能得到相同规律。

角动量守恒对应的就是“空间转动对称性”,空间具有各向同性,空间转一下,物理规律应该也不变。

量子力学中的宇称守恒对应的就是“镜像对称”,物理术语叫镜像反演,或者镜像变换的不变性。就像你照镜子,和镜子里的你,除了左右相反外,其他都一样。粒子与它的镜像粒子,除自旋方向外,具有完全相同的性质,这就是宇称守恒。

可以说对称性就是自然界的基本规律,所以守恒定律才如此深入人心,就没人想过还能不守恒。

现在知道物理学家面对θ和τ为何这么纠结了吧。它俩啥啥都一样,怎么看都是同一种粒子,但如果它俩是同一种粒子,为何宇称值不一样呢?宇称还能不守恒吗?

结果杨振宁,李政道真就发现在弱相互作用下宇称不守恒。

杨振宁先生(1922-至今)实在太著名了,对这样的大师来说,头衔什么的都是虚名,根本毫无意义。

杨振宁先生出生于安徽合肥的一个小康家庭,父亲也是美国海归。1942年毕业于西南联合大学,1944年获得清华大学硕士学位,次年留学美国芝加哥大学读博。

开始学的是实验物理,但显然杨老并不擅长实验物理。在芝加哥大学读博时流传着一个笑话:有杨振宁的地方就有爆炸。他的导师氢弹之父泰勒就劝杨振宁还是改行学理论物理吧,至此走向了理论物理的道路,毕业后在普林斯顿高级研究院工作。

李政道先生(1926-至今)出生在上海的一个小康家庭。

1943年考入浙江大学物理系,后经吴大猷教授推荐赴美进入芝加哥大学,和杨老是同学,导师就是费米。毕业后同样在普林斯顿高级研究院,杨李二人开始了长期的合作。

1956年两人开始关注θ和τ问题,当时人们不愿意承认θ和τ是同一种粒子的原因就是:它俩宇称值不同。

杨李二人就想,在衰变时,宇称能不守恒吗?发现还真没有专门的实验来验证宇称是否守恒。大家都默认这是真理,不需要实验证明。

两人在1956年10月1日的《物理评论》上发表了论文,叫《弱相互作用中的宇称守恒质疑》。

一发表就引起群嘲。例如泡利就坚决不信,当年泡利的导师玻尔说β衰变的能量不守恒,被泡利预言了一个中微子给解决了。

1965年诺奖得主费曼(1918-1988)也不信,打赌50美元宇称肯定守恒。结果这50美元被裱了起来,现在还挂在费曼当时的办公室里。

口说无凭,杨李二人就开始设计实验来验证一下弱力下宇称究竟守不守恒。

但当时几乎所有的实验物理学家都拒绝做这个实验,虽然实验本身条件比较严苛,但也不是不能做。最主要的原因是大家都认为守恒定律是不会错的,做这个实验纯属浪费时间,浪费钱。

出门在外靠老乡。杨李就找到了他们的学姐吴健雄女士(1912-1997)。

吴健雄女士出生在江苏苏州的一个小康家庭,从小文武双全,文采特别好,胡适就预言吴健雄将来能成为文坛巨星。但最终选择了实验物理这条路,从国立中央大学物理系毕业后,1936年去美国加州大学伯克利分校读博。

导师就是1939年诺奖得主,发明回旋加速器的劳伦斯,美国曼哈顿计划的主导者之一。另一位导师是1959年诺奖得主,发现反质子的塞格雷,同样是美国曼哈顿计划的主导者之一。

杨振宁的导师氢弹之父泰勒,李政道导师费米,吴健雄导师劳伦斯和塞格雷,这都是别人家的导师。

吴健雄的丈夫是袁家骝(1912-2003),袁世凯次子袁克文的儿子,也是物理学家。

杨李二人找到了学姐吴健雄女士,让她帮忙做这个实验,验证弱力下宇称究竟是否守恒。

实验主要有两个难点,首先是低温要几乎绝对零度。其次是需要大晶体,需要观察恒稳磁场中极低温度的钴60的原子衰变。钴60就是钴的同位素,不稳定会衰变成镍60。大部分时间都花在如何制造大晶体上了。

最终在1957年1月9号凌晨两点实验结果出来了:弱力下宇称不守恒。

实验是这样做的:在极低温(0.01K)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。除了自旋方向左右不同外,两套装置中的钴60互为镜像。

实验中钴60晶体发生β衰变放出β粒子,两个镜像放射出的β粒子居然是反方向,证明宇称不守恒。

杨振宁,李政道因此获得1957年的诺贝尔物理学奖。当时纽约时报也是标题党,头版头条就是《物理学的基本观念已经被推翻了》。

重大物理发现都与违背常识有关,爱因斯坦假设高速情况下牛顿定律不适用,所以才有了相对论。普朗克假设能量是不连续的,所以才有了量子力学。杨李二人假设宇称不守恒,所以才有了后来的弱电统一。

杨振宁先生因为宇称不守恒得到诺奖,但宇称不守恒并不是他最伟大的成就。他最伟大的成就是杨米尔斯规范场,直接打开了物理学场论的大门。神一般的人物。

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