15、杨振宁、李政道提出弱相互作用中宇称不守恒在线免费阅读

今天来介绍一下杨振宁和李政道先生的贡献，就是弱相互作用下与称不守恒，啥意思呢？上期咱们介绍了一些奇异粒子，第一个奇异粒子是1947年罗彻斯特和巴特勒发现的，后来又发现了更多种奇异粒子，哎，你像k阶子、拉姆达超子、，可西超子等等啊。到了60年代末期，新发现的例子已经超过200种了，这些奇异粒子啊，奇异在哪儿呢？还为啥叫做奇异粒子呢？人们发现啊，他们都是协同产生独立衰变的，啥意思呢？就是说这些奇异粒子他只要产生就至少是两个一起产生的，然后呢每个奇异粒子又自己衰变自己的，也就是寿命又不一样长了。最后都摔变成非奇异粒子。你比如说一个带负电的π戒子加上一个质子，它可以生成Λ0超子和k0介子，

Λ0超子和k0介子都是奇异粒子，你看这两个一起产生的啊，所以在1953年啊，美国物理学家盖尔曼为了研究这些奇异粒子的共同点，

这位盖尔曼您先留个印象，咱们之后还会聊到他一个重要的贡献啊，他呢就定义了一个新的量子数啊，就叫做奇异数。他规定，Λ0的奇数就是-1,K0奇异数是+1，

普通粒子的奇数就是0啊，然后就会发现在强相互作用当中奇异粒子是严格守恒的，但是在弱相互作用当中就不一定守恒。不过还好啊，因为本身这个奇异数就是人为规定的一个量子数嘛，这就只是研究的一种手段。你当然一些基础的性质也得研究啊，什么质量啊，寿命啊等等，人们在研究这个K介子的时候呢，就发现一个事儿啊，发现这K介子应该有两种啊，一种它会衰变两个π介子，另外一种会衰变成三个π介子。

所以当时这个物理学家临时给这两种K介子起了个名，衰变成两个π的，就叫做θ，衰变成三个π的就叫做τ，就都是希腊字母啊，不过随着实验越来越精确啊，人们发现呢这θ和π质量相同，寿命相同，啥啥都一样，唯独就是衰变的时候可能生成两个π，可能生成三个π。于是人们就开始怀疑了，说这θ和τ能不能就是同一个粒子？这件事儿在当时被称作是θ和τ之谜。你可能要问了，这就是同一个粒子呗，然后只不过是两种不同的衰变方式而已呀，的确可以这么认为啊，而且在粒子的衰变当中，这衰变产物不一样，这事儿啊也不奇怪啊。但是物理学家为啥纠结了呢？因为这背后牵扯着一个守恒定律叫做宇称守恒，啥是宇称守恒呢？你看啊，我们听说过能量守恒，动量守恒，角动量守恒等等，物理学家对于守恒定律啊是十分偏爱的，这东西就像因果一样，它有迹可循呢。你比如说反应前的能量，如果知道那反应后的能量我也就知道了，哎，这感觉多好啊，但如果能量不守恒了，这反应后啥啥不知道，哎，就总感觉不舒服。也就是说反应前后的能量是对称的，早在19世纪末的时候啊，物理学家和数学家就发现每一种守恒定律都和一种对称性相关联。这对称性我们也在熟悉不过了呀，比如说轴对称啊，旋转对称等等，当然啊，这物理学家所说的对称性不是几何上我们理解的对称啊，不过差不多啊，物理学家发现能量守恒定律对应的对称性是时间平移的。这时间平移就是说一个物理定律，他在几千年前成立，那在今天他也会成立啊，在之后他也会成立，这叫做时间平移对称性。那他对应的就是这个能量守恒定律，动量守恒定律对应的就是空间平移对称性。啊，你比如说啊我在我这儿做一个实验得到一个规律，你在你那儿实验得到一个规律，咱俩得到的物理规律应该是一样的，不会随着这个位置的改变而改变，这就叫做空间平移对称性，它对应的就是动量守恒。还有空间转动对称性啊，或者说空间转动不变性啊，它就对应了角动量守恒，因为空间具有各项同性啊，就假设你可以把这个空间给它转动一下，哎，这个物理规律也不会改变那为啥说质量守恒，不是普适的呢？哎，就是因为找不到与之对应的对称性，所以就被这个能量守恒取代了啊，但是这个只能等价嘛，也一样啊。还有一种对称性就是镜像对称，哎，你比如说你照镜子，你怎么做这镜子里的像，它就会跟着怎么做，用物理的语言来描述，就是物理规律的空间反演，或者说是镜像变换的不变性。那这种对称性啊在经典物理当中不对应什么守恒量，不过在量子力学当中啊，它对应的就是宇称守恒。你通俗理解啊，就是说粒子的运动规律应该和他镜像的粒子的规律是一样的，哎，那我们再来看这个θ和τ之谜。

他俩的衰变产物π介子的宇称值是-1，那根据宇称守恒，θ的宇称值就应该是-1的平方是+1。那τ的宇称值就应该是-1的立方还是-1，这回知道物理学家为啥不愿意承认和是同一个粒子了吧，因为他俩的宇称值不一样了。而且这宇称守恒在量子当中的地位和能量守恒是一样的，这物理学家他就没怀疑过，这就像之前咱们说过这个贝塔衰变当中的能量失窃案一样。当年波尔就是怀疑是能量会不会不守恒啊？结果被泡利预言的一个中微子给摆平了。所以给物理学家打下的基础就是守恒定律啊，这是到什么时候？这都必须坚持的。1956年号称怼神的泡利就坚持维护这个宇称守恒，说θ和τ那根本就不是一个粒子，就是长得像罢了，没成想啊。当年威风凛凛如今已经56岁的泡利竟然败给了三位华人物理学家，他们正是杨振宁，李政道和吴建雄。杨振宁先生是1922年出生在安徽合肥，

他的父亲是数学家杨武之啊，杨武之先生在芝加哥大学拿到博士学位之后啊，回国在清华大学和西南联大担任数学系主任多年啊，所以杨振宁先生从小就是在教育家庭长大的。大学也是在西南联大啊，先后受过吴有训、华罗庚、吴大猷、闻一多等人的指导啊，这在西南联大一读就是六年了，本科四年，研究生两年。1944年这研究生毕业之后呢，呃，杨振宁先生还在西南联大教了一年数学，1945年8月就前往美国芝加哥大学攻读物理系博士。他的导师是号称氢弹之父的泰勒，当时二战之后这费米也留在美国呀，哎，被芝加哥大学聘请为了教授，所以费米对于这个杨振宁的影响也是比较大的，但是费米是李政道的导师啊。杨振宁去了之后搞了两年实验，用杨老自己的话说就是啊，呃，每个都应该找到自己擅长的领域。杨老师，理论物理学家啊，所以对于这个实验啊确实不太感冒啊，当时在芝加哥大学有一个玩笑话，哎，说有杨振宁的地方就有爆炸，后来这个导师泰勒就劝杨着你们说不行，你转行吧，你转行理论无理吧，从此就走上了理论物理的道路。1949年杨振宁在普林斯顿高级研究院做博士后，之后就遇到了李政道，李政道先生是1926年出生在上海市，也是知识分子家庭，1943年考入浙江大学物理系，但当时为了躲避日本侵略，浙江大学迁了好几次地址，从杭州到广西、从广西又到贵州。所以一年之后李政道就被迫转学了，也转到了西南联大，那这样就和杨振宁成为校友了。1946年的时候啊，当时有一个机会在西南联大可以推荐两个人去美国留学，用李政道先生自己的话讲啊，他这辈子最感谢的人就是吴大猷先生。当时一共就俩名额，你推荐谁去呀？哎，吴大猷教授说了算，看第一个推荐的是当时他的助教朱光亚啊，这位也是我国著名的核物理学家。另外一个名额按理来说轮不到李功道，因为当时他刚大三，不过吴大猷，很喜欢李龙道，哎，感觉这小伙子前途无量啊。所以就力排众议，坚持推荐李政道，哎，这样李政道才有机会出国留学。

同样前往了美国芝加哥大学啊，并且做了费米的学生，1951年啊，李政道毕业来到普林斯顿高级研究院工作，这个时候杨振宁已经在这儿了，啊，从这儿啊就开始了他俩的长期合作。到了1956年啊，他俩开始关注θ和τ问题，第一个考虑的事情啊就是在θ和τ的π衰变当中，咱们之前说过啊，衰变就是由于弱相互作用引起的，所以就是在弱相互作用当中宇称能不能是不守恒的呢？哎，于是他俩就查阅了大量的资料，发现这前人根本就没有对这宇宙守恒质疑过，换句话说，没有一个实验是来专门验证宇称守恒的，只是想当然的结果，而且根据之前众多的实验来看啊，也不能够得出弱相互作用当中与称守恒的结论，所以杨振宁和李政道二人，在1956年10月1号这一天大胆的在物理评论上啊发布了一篇论文叫做弱相互作用当中的宇称守恒质疑。其实原版论文啊叫做在弱相互作用当中宇称守恒嘛，啊，后来这个杂志社的编辑说嗯，论文标题呀，你最好别用问句，，就是就给改了。这篇论文是引起了轩然大波呀，，几乎所有知名的物理学家都在想这是哪两个毛头小子呀？哎，一点儿都不亚于当年泡利语言中微子的时候。这泡利就首先站出来反对呀，我不相信上帝是一个弱左撇子，心说，难道你不知道当年我师傅波尔说贝塔衰变当中的能量不守恒？结果被我预言的一个中微子给怼回去了吗？这费曼也坐不住了啊，说我坚持认为宇称守恒，不信咱们赌50美元呢。结果费曼这50美元被表了起来，现在还在费曼当时的办公室的墙上挂着呢。可见啊，这个物理学家对守恒定律是有多么的偏爱。但是到底守不守恒呢？哎，那就验证一下吧，这杨李二人啊就设计了几个实验专门来验证弱作用当中的宇称守恒。但是这几个实验啊都比较难做啊，几乎所有的这个实验物理学家都不愿意接招啊，一个是比较难做，另一个是大部分人都相信宇称是守恒的，所以就感觉浪费时间，这个时候啊，杨李二人突然就想到了在美国有自己的一位学姐呀，在当时实验物理学习那也是数一数二的人物。这位便是吴健雄女士，

吴建雄是1912年出生在江苏省太昌县的柳河镇，那个年代大部分人还认同女子无才便是德的观点呢，哎，所以吴建雄从小就要打破这个观点。他的父亲吴仲裔先生也是很受人敬仰啊，自己创办了一所女子学校，专门打破这个封建思想，吴建雄从小也是能文能武，胡适先生曾经就感慨过啊，说吴建雄很有可能成为文坛的巨星·。结果吴建雄还是走上了物理的道路啊，1936年去美国伯克利大学留学。这伯克利大学还记得吧，咱们上回说过，所以吴建雄的导师啊就是发明回旋加速器的劳伦斯啊，另外一位导师呢正是发现反质子的塞格雷。从伯克利大学毕业之后，受到这个劳伦斯的推荐，就前往哥伦比亚大学任教，1944年，这哥伦比亚大学成为了曼哈顿计划的下属实验室，所以吴建雄也算是参与了曼哈顿计划。之后就来到了1956年，杨李二人就找到了吴健雄，说学姐啊，您的实验水准全世界数一数二啊，哎，我们这儿有个实验想请您出山呐。吴建雄笑了笑说，得了吧，你们的论文呢？我看了，这哪儿是出山呢？这就是登山呢，不过吴健雄还是答应了，他本来要计划和丈夫袁家骝去日内瓦开会啊，哎，说到她丈夫袁家骝啊，这位也是一位物理学家。他的爷爷就是袁世凯啊，这是袁世凯次子，袁克文之子，结果呢这个吴建雄就和袁家骝说啊，说你自己去吧，我这儿有重要任务了，于是吴健雄就领着几位助手啊，就来到了美国华盛顿国家标准局借用那儿的实验室。因为他们这个实验啊主要有两个难点，第一个是低温条件，哎，几乎要达到绝对零度才行，这个条件啊就当时就只有美国国家标准局能实现。另外一个是需要一个大晶体啊，这实验呢是需要观测恒稳磁场当中极低温度的钴60原子的衰变情况，这钴60就是钴的同位素啊，它不稳定，可以衰变成镍60。所以需要一个大的这个钴60晶体这个实验结果呢才能够直观啊，大部分时间就都花在如何制作这大晶体上了。说来也挺有趣啊，有一天吴健雄的一个女助手还要去睡觉了，他就把这个钴晶体放在一边儿了，结果第二天起来之后啊，发现这晶体自己变大了，哎，咋回事儿呢？后来一研究啊。他是把这个钴晶体放在炉子旁边儿了啊，这是热乎，所以就生成了一个大晶体，大概有1cm那么大，你看这天时地利人和呀，哎，就这样克服了两个难点。终于在1957年1月9号的凌晨2:00，实验结果出来了，弱作用下的宇称是不守恒的。他们发现啊，

假设这是一个钴60晶体，它贝塔衰变会放出贝塔粒子，那假设是向这个方向放发射这个贝特粒子的，那与之镜像的这个钴60啊，也应该向这个方向发射贝塔粒子，对吧？结果显示与值镜像的钴60是向相反方向放射这个贝塔粒子的，宇称不守恒。就这样啊，困扰物理学家多年的θ和τ之谜啊，有三位华人物理学家联手解决了。当时的《纽约时报》头版头条报道了这件事，标题就是物理学的基本观念已经由实验推翻了。虽然今天看起来有点标题党啊，不过可见当时这件事儿啊引起了多大的轰动，这泡利立马就给吴建雄写信啊，泡利和吴建雄是朋友关系还不错。他就说，哎呀，虽然我到现在还不敢相信，不过还是要恭贺您呐，从这儿之后这杨振宁先生和李政道先生啊，就再也没有人说他们是毛头小子了，纷纷向他们竖起了大拇指，1957年10月啊，瑞典皇家科学院宣布本年的物理学诺贝尔奖啊颁发给中国的杨振宁和李政道先生。这也是我国第一块啊，真真正正的诺奖，唯独可惜的是啊，这吴健雄女士没有被提名，但他一点儿也不富于东方居里夫人的称号。至此关于三位前辈的故事啊，咱们就讲完了，外说几句啊，弱相互作用当中与称不守恒的意义啊，远远不是确定了θ和τ是同一种粒子这么简单啊。你看咱们之前讲了这么多近代物理学史，你会发现啊，重大的物理学发现都和违背常识有关。爱因斯坦当年就大胆假设高速情况下牛顿定律不适用，所以才有了相对论啊，这普朗克当年也大胆假设能量不是连续的，所以才有了量子力学。由此啊，这杨李二人的贡献可见一斑，正是他们大胆的预言了弱作用当中宇称不守恒，哎，才有了之后粒子物理的重大进展，弱电统一，而且其实杨振宁先生在此之前还有一个更重要的贡献啊，为弱电统一打下了基础，就是提出了杨米尔斯规范场这个问题，咱们之后再细聊。

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