什么是宇称不守恒定律?

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什么是宇称不守恒定律?插图

1956年,两位年轻的美籍中国物理学家李政道和杨振宁推翻了在物理学界被奉为“金科玉律”的“宇称守恒定律”,提出了“宇称不守恒定律”,为人类在探索微观世界的道路上开辟了新的领域。这一震撼国际物理学界的重大发现,使这两位年轻人一起登上了1957年诺贝尔物理奖的领奖台,成为最先获得这项殊荣的龙的传人。

为什么国际物理学界如此看重这两位青年科学家的发现呢?我们先来简单地了解一下什么是“宇称不守恒定律”。原来在1932年中子被发现以后,人们认识到原子核是由带正电荷的质子和不带电的中子组成的。可是电荷是相互排斥的,许多带正电荷的质子是怎样紧紧地维系在一个小小的原子核里的呢?当时,有位名叫海森堡的科学家解释说,在原子核内,一个质子在遇到另一个质子之前,就已经通过交换变成了一个中子,可以共处在一个核中了。

这个变化发生得非常快,原子核就这样保持着稳定。1935年,日本物理学家汤川秀树根据海森堡的理论提出,原子核由质子和介子组成。正是这种称为介子的粒子使原子核形成一个固体。1947年,汤川秀树所预言的介子被英国物理学家鲍威尔在宇宙射线中找到了。汤川秀树因此获得了1949年的诺贝尔物理学奖。1952年,科学家又在宇宙射线中发现了两种新粒子-K介子和超子。这使人们在认识电磁力、万有引力和核强相互作用力之外,认识了一种新的力-相对应于核强相互作用力的弱相互作用力。在此之前,物理学家们一致公认创立于1924年的“宇称守恒定律”的正确性。所谓“宇称”,就是描述微观粒子体系运动或变化规律左右对称性的量。这一定律的含义是粒子相互作用前的总宇称,等于相互作用后所形成的新粒子的宇称。

什么是宇称不守恒定律?插图(1)

可是现在麻烦来了,因为新发现的K介子有时会变成三个兀介子,使得这个等式不成立。是不是“宇称守恒定律”出了问题呢?但面对被视为“金科玉律”的“宇称守恒定律”,科学家们都退却了,谁也不敢迈出冒险的一步。

似乎是历史有意把这一开创新纪元的重任交给了两位黄皮肤的龙的传人。1956年的一天,李政道与杨振宁在纽约的上海饭店会餐。在餐桌上,他们不约而同地谈到了共同感兴趣的有关K介子和“宇称守恒定律”的话题。真是英雄所见略同,他们越谈越投机,彼此的见解,都使对方进发出新的思想火花。于是,他俩欣然决定共同合作,一起进行原子核和基本粒子的研究。他们俩精诚团结,在一番深入研究之后,大胆提出了一种新的理论。认为“宇称守恒定律”只在强相互作用和电磁相互作用下才是正确的,但在弱相互作用中就不成立了。他们冲破了爱因斯坦的相对论,共同提出了弱相互作用中“宇称不守恒定律”。他们的思想顿时震惊了全世界。

为了证实自己的理论,李政道和杨振宁邀请有“中国的居里夫人”之称的女物理学家吴健雄用实验检验。吴健雄一口答应,她来到华盛顿国家标准局,领导一批优秀的科学家,利用现代化的设备,进行这项重要的物理实验。

这是一次高难度的实验,需要在严格的超低温条件下进行,又涉及到许多复杂的因素,稍有疏忽就可能导致实验的失败。吴健雄整天钻在实验室里,困了打个盹,有时连续一星期不分白天黑夜地在实验室里观测、记录、分析、研究,不敢有一丝马虎。

辛勤的劳动终于换来了丰硕的成果。1957年1月4日,这是难忘的一天,经过无数次的实验,吴健雄证实了宇称在弱相互作用中不守恒定律的正确性。

李政道、杨振宁的新发现说明,宇宙间的万事万物不一定都存在对称的关系。这一新的理论对于研究宇宙的构造和物质的构造都具有不可估量的巨大意义,被认为是“科学史上的一个转折点”。
一项伟大的发现,联系起三位科学骄子。让我们一一讲述他们的故事。

李政道,1926年11生于上海。他从小喜欢读书,每天总是不知厌倦地沉浸在书海里。有一次,母亲为他准备好了洗脚水,催他去洗脚,可他满脑子思索着刚才书上的内容,洗脚时竟下意识地把手放在洗脚盆里搅了搅,全然忘记了洗的应该是脚。

1945年春季的一天,原来在浙江大学读一年级的李政道,经人介绍认识了被人称为“物理学界伯乐”的吴大献教授。吴教授慧眼识材,将他转入自己任教的西南联大,亲自带教了一年后,又推荐他报考芝加哥大学的博士研究生,随著名物理学家费米学习物理。1954年,刚满24岁的李政道,取得了博士学位。以后被美国许多大学请去工作。1956年,年仅30岁的李政道,成为哥伦比亚大学最年轻的教授,但并没有陶醉在自己的成就上,仍然孜孜不倦地探索着,向着物理学的高峰攀登。在他获得诺贝尔奖的20年后,他又提出了一种新理论,论证了制造一种“核物质”的可能性。他称这种“核物质”为“超密核子”,它比铅重50倍,是一种“有700至1万个稳定质子数的新元素”。他的这一新理论,引起了利学界的极大重视。因为李政道的预言一旦实现,意味着会有更多能量极大的“新原子核”产生,其意义真是不可估量。

此外,李政道还提出了“非连续性力学”的新理论,以及“自由夸克永难发现”的新论点,对高能物理的发展都有重要意义。李政道博士在国际物理学界被认为是一位具有天才科学家爱因斯坦特质的,能作“超时代大胆想象”的科学天才。

比李政道大4岁的杨振宁生在安徽合肥一个中学教师的家中。

当他还是10个月的婴儿时,父亲杨武光以优异成绩通过考试去美国留学。在母亲的教育下,杨振宁从小刻苦学习。1938年,只上完高中二年级的杨振宁竟以高分考进西南联大。在大学期间,杨振宁用功学习,如饥似渴地求知。在学校附近的小茶馆里,杨振宁经常和他几个要好的同学讨论物理学问题,尤其是量子力学问题,辩个不停,晚间宿舍熄灯后点起蜡烛再辩,终于使他对量子力学有了精深的了解。杨振宁大学毕业后,又考进联大的研究生院攻读。取得硕士学位后,不远万里去美国投在物理学大师费米和泰勒的门下,成为一名优秀的青年科学家。

1949年,杨振宁和导师费米共同提出了基本粒子结构型,即费米一杨振宁模型。

1954年,他和助手米尔斯合作,提出了规范场的数学结构,即杨米规范场,解决了爱因斯坦后半生30年没有解决的难题。杨振宁在物理学领域取得了一个又一个的光辉成就,为炎黄子孙在国际科学界争了光。

用实验验证“宇称不守恒定律”的吴健雄,1912年5月31日,她生于江苏太仓的测河镇。

同一切成功的科学家一样,勤奋、拼搏和持之以恒,是她取得辉煌成就的法宝。她在南京中央大学读书时挑选宿舍大楼最后一排的最后一间,为的是少受外界影响。她常常反扣房门,读书到深夜,学校熄灯以后她仍点上蜡烛,有时竞为一道难题而通宵达旦。那时经常有几百人一起上的大课,这对那些只想混张大学文凭的公子小姐来说,自然是逃课的好机会。因为黑压压的一片,老师怎么查得清谁来谁没来呢?有些学生即使来了,也总爱坐在最后,这样看小说、交头接耳方便。可吴健雄总是早早地带上课本和笔记本,在大教室前挑中间的位置上坐下来。久而久之,这个座位就成了她的专座。

作为一名实验物理学的专家,吴健雄一生完成过两项轰动物理学界的实验报告。一项就是验证“宇称不守恒定律”的实验。

另一项实验是1959年,加利福尼亚理工学院的著名物理学家基尔曼再三恳求她试验他和另一位物理学家提出的“向量电流的守恒性”理论。由于工作忙,她一直到1962年才动手做这个实验,并且在这年的年底证明了这一理论的正确。当时,美国、前苏联、瑞士等许多世界一流的科学家都在进行这项实验,但都失败了,只有吴健雄获得了成功。

李政道、杨振宁、吴键雄这三位举世闻名的科学家尽管入了美国籍,但这丝毫也不会改变他们的中国心。他们对祖国一往情深,他们是我们中华民族的骄傲。

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