物理学中的不对称性，杨振宁如何颠覆了物理学

物理学是一门探索自然界规律的科学，它试图用数学公式来描述和预测各种现象。在物理学的发展过程中，有一些基本的原则被认为是普遍适用的，比如能量守恒、动量守恒等。这些原则反映了自然界的某种对称性，也就是说，在某些变换或操作下，物理定律不会改变。例如，在任何时空坐标系下，牛顿第二定律都成立，这就体现了时空平移不变性；在任何方向上观察一个圆形物体，它都保持不变，这就体现了旋转不变性。对称性在物理学中有着极其重要的地位，它不仅简化了物理问题的求解，而且揭示了自然界的深刻规律。然而，在1956年，中国物理学家杨振宁和李政道提出了一个大胆的假设，认为在弱相互作用中，宇称对称性可能被破坏。本期内容我们聊聊宇称不守恒定律。

什么是宇称？

在介绍宇称不守恒之前，我们先来了解一下什么是宇称。宇称是指空间中任意一个点的位置关于原点的对称性，也就是说，如果把空间中的所有物体都用镜像反射一下，那么宇称就发生了变化。例如，如果你站在镜子前面，你的左手就变成了镜像中的右手，你的右手就变成了镜像中的左手。这样，你和你的镜像就有了不同的宇称。那么，物理定律在宇称变化后会不会改变呢？换句话说，如果你在镜子里做一个实验，你会不会得到和在镜子外完全相同的结果呢？直觉上，我们可能会认为答案是肯定的，因为镜像反射并没有改变物体本身的性质和相互作用。这就是说，物理定律具有宇称对称性，或者说宇称是守恒的。这个假设在很长一段时间内都被认为是正确的，并且在大多数物理过程中都得到了验证。例如，在电磁相互作用、强相互作用和引力相互作用中，都没有发现任何违反宇称对称性的现象。然而，在1956年，中国物理学家李政道和杨振宁提出了一个大胆的假设，认为在弱相互作用中，宇称对称性可能被破坏。

宇称不守恒是怎么发现的？

在20世纪50年代初期，一些粒子物理学家却发现了一些奇怪的现象。他们发现，在高能粒子碰撞中产生的一些介子（一种亚原子粒子），在衰变时表现出了与预期不符的行为。例如，有两种介子分别被命名为θ介子和τ介子，它们除了衰变方式不同外，在其他方面都完全相同。θ介子衰变时产生两个π介子（另一种亚原子粒子），τ介子衰变时产生三个π介子。根据当时已知的物理定律，这两种衰变方式都应该具有偶宇称，也就是说，它们的镜像过程也应该是允许的。然而，如果θ介子和τ介子是同一种粒子，那么它们的衰变方式就应该相同，否则就会违反宇称对称性。这就是著名的θ-τ谜题。为了解决这个谜题，杨振宁和李政道在1956年提出了一个大胆的假设：在弱相互作用中，宇称对称性被破坏了。也就是说，在弱相互作用中，一个物理系统和它的镜像系统不再遵循同样的物理定律，而是有所区别。

他们进一步推测，θ介子和τ介子其实是同一种粒子，只不过它们具有内禀的奇宇称，而π介子具有内禀的偶宇称。因此，在θ介子和τ介子衰变时，它们的奇宇称会转移到π介子上，从而导致两个或三个π介子的总宇称不同。这样就可以解释为什么θ介子和τ介子在衰变时表现出不同的行为。杨振宁和李政道的假设引起了物理界的轰动，因为这意味着自然界并不像我们想象的那样对称，而是存在一种隐秘的不对称性。为了验证他们的假设，吴健雄和她的合作者在1957年进行了一个著名的实验：吴氏实验。他们利用钴60（一种放射性元素）作为弱相互作用的源，并用磁场使钴60原子核排列成一定方向。然后，他们测量钴60衰变时发射出来的电子在不同方向上的分布。如果宇称对称性成立，那么电子在任何方向上都应该有相同的分布；如果宇称对称性被破坏，那么电子在某些方向上会有更多或更少的分布。实验结果证实了后者，从而证明了杨振宁和李政道的假设是正确的。

宇称不守恒有什么意义？

宇称不守恒震惊了整个物理界，因为它推翻了长期以来认为是普遍成立的宇称对称性原理。杨振宁和李政道因此理论而获得了1957年诺贝尔物理学奖。他们成为了第一批华人诺贝尔奖得主，并为中国科学界赢得了荣誉和尊敬。宇称不守恒是一场革命性的发现，它打开了物理学新的视野和领域。它揭示了自然界存在着一种基本的对称性破缺，也就是说，自然界并不完全平衡和对称，而是有一定的偏好和倾向。这种对称性破缺在后来的物理学研究中发挥了重要的作用，促进了对基本粒子、基本相互作用和宇宙早期演化的深入理解。例如，宇称不守恒导致了一种新的守恒量的出现，叫做CP守恒。CP守恒是指在物理过程中，如果同时改变粒子的电荷（C）和宇称（P），那么物理定律仍然保持不变。

然而，后来又发现，CP守恒也不是绝对的，而是在某些弱相互作用过程中被破坏。这种CP破缺被认为是导致物质和反物质不平衡的原因之一。宇称不守恒也引发了一些哲学和文化上的思考和讨论。例如，宇称不守恒是否意味着自然界有一种左右之分？左右是否有一种内在的区别和意义？人类的左右手是否也有一种隐含的对称性破缺？这些问题并没有简单的答案，而是需要我们从多个角度和层面来探索和理解。

杨振宁除了提出宇称不守恒理论之外，还在物理学上有着其他许多重大的贡献。他在统计力学、粒子物理学、场论等领域都有着深刻的见解和创新的思想。其中最具代表性和影响力的贡献，就是他与米尔斯于1954年创立了杨-米尔斯规范场论。这是一种描述强相互作用的理论，也是后来建立标准模型的基础之一。他也被认为是20世纪最伟大和最有影响力的物理学家之一。对此，你们怎么认为呢！