物理學是一門探索自然界規(guī)律的科學，它試圖用數(shù)學公式來描述和預測各種現(xiàn)象。在物理學的發(fā)展過程中，有一些基本的原則被認為是普遍適用的，比如能量守恒、動量守恒等。這些原則反映了自然界的某種對稱性，也就是說，在某些變換或操作下，物理定律不會改變。例如，在任何時空坐標系下，牛頓第二定律都成立，這就體現(xiàn)了時空平移不變性；在任何方向上觀察一個圓形物體，它都保持不變，這就體現(xiàn)了旋轉不變性。對稱性在物理學中有著極其重要的地位，它不僅簡化了物理問題的求解，而且揭示了自然界的深刻規(guī)律。然而，在1956年，中國物理學家楊振寧和李政道提出了一個大膽的假設，認為在弱相互作用中，宇稱對稱性可能被破壞。本期內容我們聊聊宇稱不守恒定律。

什么是宇稱？

在介紹宇稱不守恒之前，我們先來了解一下什么是宇稱。宇稱是指空間中任意一個點的位置關于原點的對稱性，也就是說，如果把空間中的所有物體都用鏡像反射一下，那么宇稱就發(fā)生了變化。例如，如果你站在鏡子前面，你的左手就變成了鏡像中的右手，你的右手就變成了鏡像中的左手。這樣，你和你的鏡像就有了不同的宇稱。那么，物理定律在宇稱變化后會不會改變呢？換句話說，如果你在鏡子里做一個實驗，你會不會得到和在鏡子外完全相同的結果呢？直覺上，我們可能會認為答案是肯定的，因為鏡像反射并沒有改變物體本身的性質和相互作用。這就是說，物理定律具有宇稱對稱性，或者說宇稱是守恒的。這個假設在很長一段時間內都被認為是正確的，并且在大多數(shù)物理過程中都得到了驗證。例如，在電磁相互作用、強相互作用和引力相互作用中，都沒有發(fā)現(xiàn)任何違反宇稱對稱性的現(xiàn)象。然而，在1956年，中國物理學家李政道和楊振寧提出了一個大膽的假設，認為在弱相互作用中，宇稱對稱性可能被破壞。

宇稱不守恒是怎么發(fā)現(xiàn)的？

在20世紀50年代初期，一些粒子物理學家卻發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，在高能粒子碰撞中產生的一些介子（一種亞原子粒子），在衰變時表現(xiàn)出了與預期不符的行為。例如，有兩種介子分別被命名為θ介子和τ介子，它們除了衰變方式不同外，在其他方面都完全相同。θ介子衰變時產生兩個π介子（另一種亞原子粒子），τ介子衰變時產生三個π介子。根據當時已知的物理定律，這兩種衰變方式都應該具有偶宇稱，也就是說，它們的鏡像過程也應該是允許的。然而，如果θ介子和τ介子是同一種粒子，那么它們的衰變方式就應該相同，否則就會違反宇稱對稱性。這就是著名的θ-τ謎題。為了解決這個謎題，楊振寧和李政道在1956年提出了一個大膽的假設：在弱相互作用中，宇稱對稱性被破壞了。也就是說，在弱相互作用中，一個物理系統(tǒng)和它的鏡像系統(tǒng)不再遵循同樣的物理定律，而是有所區(qū)別。

他們進一步推測，θ介子和τ介子其實是同一種粒子，只不過它們具有內稟的奇宇稱，而π介子具有內稟的偶宇稱。因此，在θ介子和τ介子衰變時，它們的奇宇稱會轉移到π介子上，從而導致兩個或三個π介子的總宇稱不同。這樣就可以解釋為什么θ介子和τ介子在衰變時表現(xiàn)出不同的行為。楊振寧和李政道的假設引起了物理界的轟動，因為這意味著自然界并不像我們想象的那樣對稱，而是存在一種隱秘的不對稱性。為了驗證他們的假設，吳健雄和她的合作者在1957年進行了一個著名的實驗：吳氏實驗。他們利用鈷60（一種放射性元素）作為弱相互作用的源，并用磁場使鈷60原子核排列成一定方向。然后，他們測量鈷60衰變時發(fā)射出來的電子在不同方向上的分布。如果宇稱對稱性成立，那么電子在任何方向上都應該有相同的分布；如果宇稱對稱性被破壞，那么電子在某些方向上會有更多或更少的分布。實驗結果證實了后者，從而證明了楊振寧和李政道的假設是正確的。

宇稱不守恒有什么意義？

宇稱不守恒震驚了整個物理界，因為它推翻了長期以來認為是普遍成立的宇稱對稱性原理。楊振寧和李政道因此理論而獲得了1957年諾貝爾物理學獎。他們成為了第一批華人諾貝爾獎得主，并為中國科學界贏得了榮譽和尊敬。宇稱不守恒是一場革命性的發(fā)現(xiàn)，它打開了物理學新的視野和領域。它揭示了自然界存在著一種基本的對稱性破缺，也就是說，自然界并不完全平衡和對稱，而是有一定的偏好和傾向。這種對稱性破缺在后來的物理學研究中發(fā)揮了重要的作用，促進了對基本粒子、基本相互作用和宇宙早期演化的深入理解。例如，宇稱不守恒導致了一種新的守恒量的出現(xiàn)，叫做CP守恒。CP守恒是指在物理過程中，如果同時改變粒子的電荷（C）和宇稱（P），那么物理定律仍然保持不變。

然而，后來又發(fā)現(xiàn)，CP守恒也不是絕對的，而是在某些弱相互作用過程中被破壞。這種CP破缺被認為是導致物質和反物質不平衡的原因之一。宇稱不守恒也引發(fā)了一些哲學和文化上的思考和討論。例如，宇稱不守恒是否意味著自然界有一種左右之分？左右是否有一種內在的區(qū)別和意義？人類的左右手是否也有一種隱含的對稱性破缺？這些問題并沒有簡單的答案，而是需要我們從多個角度和層面來探索和理解。

楊振寧除了提出宇稱不守恒理論之外，還在物理學上有著其他許多重大的貢獻。他在統(tǒng)計力學、粒子物理學、場論等領域都有著深刻的見解和創(chuàng)新的思想。其中最具代表性和影響力的貢獻，就是他與米爾斯于1954年創(chuàng)立了楊-米爾斯規(guī)范場論。這是一種描述強相互作用的理論，也是后來建立標準模型的基礎之一。他也被認為是20世紀最偉大和最有影響力的物理學家之一。對此，你們怎么認為呢！