书城自然科学新编科技知识全书:科学发现与传奇故事
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第78章 宇称守恒定律

自然界到处有对称,它的美正在于各种奇妙的对称性。许多事物、运动都是左右对称的,物理运动规律也是如此。但是,当物理学的发展深入到微观粒子世界时,情况却起了变化。改变微观粒子左右对称观念的是三位著名的美籍华裔物理学家李政道、杨振宁和吴键雄。

在研究基本粒子的对称性时,美国的物理学家维格纳提出了宇称守恒定律。“宇称”是指基本粒子的一种左右对称性,即粒子的运动规律与该粒子在镜子中的像所满足的规律是一致的。每种基本粒子都有自己的宇称值,宇称值又可分为奇数值宇称(奇宇称)和偶数值宇称(偶宇称)。在粒子相互作用形成新粒子时,方程式两边的宇称必须相等,这叫宇称守恒。在原子光谱分析、原子物理、核物理等许多领域内,宇称守恒被证明是百试百灵的。

任何事物,如果一帆风顺下去,最后就有可能停滞不前。推动科学向前发展的经常是那些与常理相违的“反常”现象。1953年,物理学家们观察到两种衰变反应。一种是由一个τ介子衰变成三个π介子;另一种是由一个θ介子衰变成两个π介子。由于π介子具有奇宇称,因此,根据宇称守恒定律,奇+奇+奇=奇,奇+奇=偶,所以,τ介子应具有奇宇称,而θ介子具有偶宇称。从宇称来讲,这两种介子是完全不同的。但是,实验表明两种介子的其他性质都相同:相同的质量,相同的电荷,相同的寿命。人们用宇称字恒定律不能解释,这就是1954——1956年间物理学界著名的τ—θ难题。

李政道和杨振宁是抗日战争时期赴美留学的。杨振宁曾受到过著名物理学家——原子弹之父费米的悉心指导,对于对称性概念产生了浓厚的兴趣;李政道当时也开始探索粒子体系的内部对称性。他们把注意力转向τ—θ难题。结果发现:原来关于宇称守恒的实验都是在强相互作用或电磁相互作用下进行的,至于弱相互作用下宇称守恒并没有任何实验依据,只是人们的一种推广。既然弱作用下宇称守恒没有实验依据,那为什么不可以假定它发生了破缺呢?由此断定,τ和θ是同一种粒子。李政道和杨振宁当时不过三十多岁,他们思想解放,进行了这一大胆的假设。但要突破根深蒂固的宇称守恒定律,还要有实验证明。女物理学家吴健雄设计了一个巧妙的实验。用两套互成“镜像”的装置,选定被极化的钴60作为试样。被极化的钴核因弱作用而发生β衰变。两套装置中互成“镜像”的核衰变所产生的电子在不同方向上的角分布是不同的,表现出明显的左右不对称。这是由弱相互作用引起的。吴键雄以其十分准确的科学方法,高超的实验技能取得了完全的成功,用清晰的实验图象说明了宇称与弱相互作用之间的内在联系。τ介于和θ介子是一种粒子,称为K介子。

杨振宁和李政道在1956年的工作成就,对粒子物理学的发展具有方法论上的指导意义。科学界普遍认为,这是四、五十年代物理学的一项最重大的理论研究成果。他们荣获了诺贝尔物理学奖和爱因斯坦奖,这是华裔学者首次获得的最高科学荣誉,中华民族也把他们的成就引以为荣。如今,粒子物理学所取得的一系列成就,其中不少是杨、李在1956年所开创的工作的继续。这对于同是炎黄子孙的我们来说,难道不是一种极大的鼓舞吗?