
说到宇称守恒,不得不谈一下由杨振宁和李政道于1956年提出的宇称不守恒定律。宇称不守恒定律说的是:在弱相互作用的过程中,宇称是不守恒的。
宇称不守恒定律的提出,最早是因为一个粒子物理学中的难题,叫作“τ-θ问题”(tau-theta puzzle)。有两种奇怪的介子,当时叫τ介子和θ介子,这两个介子的所有性质几乎都完全一样,如它们有同样的质量、电荷量、自旋等。唯独它们在发生衰变时,衰变的结果是不一样的,τ介子会衰变成另外三个介子,而θ介子只会衰变成两个介子。
杨振宁和李政道提出,因为在弱相互作用过程当中,宇称是不守恒的,所以这两种粒子其实根本就是同一种粒子,现在我们知道了它叫K+粒子,只不过它以两种衰变方式的其中一种衰变,前后宇称是不守恒的。
如何理解呢?假设现在有一面镜子,根据生活经验可以想象一个波函数照镜子,它会在镜子里看到一个镜像的波函数。根据直觉,镜像的波函数应该跟镜子外的波函数拥有一样的宇称。如果波函数是个偶函数,那么镜子里的波函数也应该是个偶函数;如果波函数是奇函数,那么镜子里的波函数也应该是个奇函数。感觉上这是一个理所当然的结论。
宇称不守恒定律认为,在弱相互作用过程中,宇称不守恒。就好比本来是个偶函数,照了一下镜子就变成奇函数了。再举个例子,有一辆正常的汽车,踩下油门车就会往前走。这时在车边上放一面镜子,镜子里的汽车是镜子外汽车的镜像。根据直觉,踩油门让汽车往前走的时候,镜子里的汽车也应该是往前走的。但是宇称不守恒说的就是踩油门的时候,你的车子确实往前开了,但是镜子里的汽车却是倒着开的。
这是一个非常反常识、反直觉的结论,所以宇称不守恒定律刚被提出的时候,学界的主流声音是表示反对的。泡利甚至说:“我不相信上帝是左撇子。”泡利认为这个宇宙里的物理定律是不分左右的,左和右应该是完全对称的。但是,宇称不守恒定律似乎在告诉我们:这个宇宙里的规律是分左右的。
宇称不守恒定律很快就被吴健雄用实验证明了。这个实验不好做,但是原理很简单。这个实验研究的是钴-60的β辐射,因为β辐射就是弱相互作用主导的。先让钴-60原子在某个特定的磁场里排列,这些钴-60原子的自旋指向在磁场作用下是沿着磁场方向排列的。再准备另外一些钴-60原子,在另外一个与先前磁场反向的磁场里排列。由于这次的钴-60原子的磁场跟刚才的方向相反,所以它们的自旋也是相反的。从旋转的视角来说,两组钴-60原子分别是顺时针和逆时针旋转的。对比一下,会发现顺时针和逆时针旋转的钴-60原子,刚好形成了互为镜像的两种钴-60的排列,这个镜面方向就是磁场的方向。
不信你可以试着看一下,你的手表指针是顺时针旋转的,但是镜子里的手表指针是逆时针旋转的。根据刚才汽车的例子,如果宇称守恒,汽车前进,镜子里的汽车也应该前进。钴-60 会发生β衰变,由于磁场的存在,它的β辐射应该平行于磁场方向,也就是跟镜面平行。如果宇称守恒,不管顺时针还是逆时针的钴-60的β辐射都应该是同一个方向的。但是实验结果却令人惊讶,顺时针和逆时针的钴-60的辐射方向居然刚好相反,就好像一辆前进的汽车的镜像居然是后退的,这就充分证明了弱相互作用中的宇称不守恒。
具体应用的话,目前大都还在理论层面,当然也带个我们更多的想象空间,比如《三体》之中。
试探性的维度逆转和降维常常同时发生,产生出各种匪夷所思的效应,整个宇宙像一块橡皮泥那样不断变化着形状,焕发出奇幻难言的光彩。最后,随着一道无法形容的强光,宇宙的光华一下子全部消逝了。
在这个时期,发生了宇宙学家所推测的正反粒子湮灭的宇宙早期事件。由于基本平衡的破坏和光速的降低,所有的反粒子和几乎所有的正粒子都湮灭了,只有十亿分之一的正粒子保留下来,成为了今天的宇宙。而随之释放出的巨大能量,则推动了宇宙的急剧膨胀。
但是为什么正粒子会多于反粒子,而不是正好完全湮灭?
降维之后,宇宙的对称就被打破了,反粒子在消失的维度上受到了严重影响,海量的反粒子衰变为中微子,也导致了你们称为宇称不守恒的奇怪现象的出现。
