物理本质之追寻：宇称守恒定律与不守恒

宇称守恒定律与宇称不守恒

不对称创造大千世界

物理学中，李政道与杨振宁提出的“宇称不守恒”应追溯到20世纪初的“诺特定理”。

物理定律对称性与物理量守恒定律的对应关系，是一位德国女数学家艾米·诺特在1918年首先发现的，因此被称为“诺特定理”。自那以后，物理学家们已经形成了这样一种思维定式：只要发现了一种新的对称性，就要去寻找相应的守恒定律；反之，只要发现了一条守恒定律，也总要把相应的对称性找出来。诺特定理将物理学中“对称”的重要性推到了前所未有的高度。不过，物理学家们似乎还不满足，1926年，又有人提出了宇称守恒定律，把对称和守恒定律的关系进一步推广到微观世界。

李政道

什么是宇称守恒？“宇称”，就是指一个基本粒子与它的“镜像”粒子完全对称。人在照镜子时，镜中的影像和真实的自己总是具有完全相同的性质——包括容貌、装扮、表情和动作。同样，一个基本粒子与它的“镜像”粒子的所有性质也完全相同，它们的运动规律也完全一致，这就是“宇称守恒”。在某种意义上，我们可以把同一种粒子下的个体粒子理解成彼此互为镜像的，听起来，所谓的“宇称守恒”似乎并没有什么特别之处，至少在1926年之前，早已有人提出了牛顿定律具有镜像对称性。不过，以前科学家们提出的那些具有镜像对称的物理定律大多是宏观的，而宇称守恒则是针对组成宇宙间所有物质的最基本的粒子。如果这种物质最基本层面的对称能够成立，那么对称就成为宇宙物质的根本属性。事实上，宇称守恒理论的确在几乎所有的领域都得到了验证——只除了弱力。我们知道，现代物理将物质间的相互作用力分为四种：引力、电磁力、强力和弱力。在强力、电磁力和引力作用的环境中，宇称守恒理论都得到了很好的验证：正如我们通常认为的那样，粒子在这三种环境下表现出了绝对的、无条件的对称。在普通人眼中，对称是完美世界的保证；在物理学家眼中，宇称守恒如此合乎科学理想。于是，弱力环境中的宇称守恒虽然未经验证，也理所当然地被认为遵循宇称守恒规律。然而，真理终究要自己站出来说话。1956年，两位美籍华裔物理学家——李政道和杨振宁——大胆地对“完美的对称世界”提出了挑战，矛头直指宇称守恒定律，这成为20世纪物理学界最震撼的事件之一。引发这次震撼事件的最直接原因，是让学者们困惑良久的“θ-τ之谜”，它是宇称守恒定律绕不过去的坎。

杨振宁和李政道(www.xing528.com)

20世纪50年代初，科学家们从宇宙射线里观察到两种新的介子(即质量介于质子和电子之间的粒子)：θ和τ。这两种介子的自旋、质量、寿命电荷等完全相同，很多人都认为它们是同一种粒子。但是，它们却具有不同的衰变模式，θ衰变时会产生两个π介子，τ则衰变成三个π介子，这说明它们遵循着不同的运动规律。假使τ和θ是不同的粒子，它们怎么会具有一模一样的质量和寿命呢？而如果承认它们是同一种粒子，二者又怎么会具有完全不一样的运动规律呢？为了解决这一问题，物理学界曾提出过各种不同的想法，但都没有成功。物理学家们都小心翼翼地绕开了“宇称不守恒”这个可能。你能想象，一个电子和另一个电子的运动规律不一样吗？或者一个介子和另一个介子的运动规律不一样吗？当时的物理学家们可没这胆量。1956年，李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后，大胆地断言：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，“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的。李政道和杨振宁的观点震动了当时的物理学界，他们在完美的物理学对称世界撕出了一个缺口！在最初，“θ-τ”粒子只是被作为一个特殊例外，人们还是不愿意放弃整体微观粒子世界的宇称守恒。此后不久，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”，从此，“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。不过，究竟为什么粒子在弱相互作用下会出现宇称不守恒呢？根本原因至今仍然是个谜。宇称不守恒的发现并不是孤立的。在微观世界里，基本粒子有三个基本的对称方式：一个是粒子和反粒子互相对称，即对于粒子和反粒子，定律是相同的，这被称为电荷(C)对称；一个是空间反射对称，即同一种粒子之间互为镜像，它们的运动规律是相同的，这叫宇称(P)；一个是时间反演对称，即如果我们颠倒粒子的运动方向，粒子的运动是相同的，这被称为时间(T)对称。这就是说，如果用反粒子代替粒子、把左换成右，以及颠倒时间的流向，那么变换后的物理过程仍遵循同样的物理定律。但是，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，使粒子的电荷(C)不对称，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，宇宙连同我们自身就都不会存在了——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。接下来，科学家发现连时间本身也不再具有对称性了！可能大多数人原本就认为时光是不可倒流的，然而1998年末，物理学家们却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，粒子世界的物理规律的对称性全部破碎了，世界从本质上被证明了是不完美的、有缺陷的。

当“宇称不守恒”在20世纪50年代被提出时，大多数人对“完美和谐”的宇称守恒定律受到挑战不以为然。在吴健雄实验之前，当时著名的理论物理学权威泡利教授甚至说：“我不相信上帝是一个软弱的左撇子，我已经准备好一笔大赌注，我敢打赌实验将获得对称的结论。”然而，严谨的实验证明，泡利教授的这一次打赌输了。看来，上帝对左右真的是有所偏爱，如果事事处处都要达到绝对的平衡对称，“万物之灵”的生命就不会产生了。

不管是故意也好，疏忽也罢，上帝

或许真的并不是一个绝对对称的完美主义者。从某种意义上来说，正是不对称创造了大千世界。道理其实很简单。虽然对称性反映了不同物质形态在运动中的共性，但是，只有对称性被破坏才能使它们显示出各自的特性。

李政道

李政道，1926年11月25日出生在上海，1946年到美国留学，以“有特殊见解和成就”通过了博士论文答辩，被誉为“神童博士”，其时年仅23岁。1957年李政道和杨振宁荣获诺贝尔物理学奖，是基于他们在1956年提出的“李－杨假说”在基本粒子的弱相互作用中宇称可能是不守恒的。1998年1月23日，李政道将其毕生积蓄30万美元，以他和他的已故夫人秦惠（竹君）的名义设立了“中国大学生科研辅助基金”，资助北京大学、复旦大学、兰州大学和苏州大学的本科生从事科研辅助工作。