1957年,楊振寧和李政道因發現弱相互作用下宇稱不守恆而獲諾貝爾物理學獎,這是中國人第一次站在諾貝爾獎的領獎臺上。60多年過去了,楊振寧和李政道的名字早已家喻戶曉,使他們獲得諾貝爾獎的宇稱不守恆指的是什麼,卻沒有太多的人知曉。
簡單的說,宇稱守恆指的是鏡像對稱。你照鏡子的時候,鏡子裡的你和鏡子外的你就是鏡像對稱的。你舉起你的左手,鏡子裡的人舉起的是他的右手;你原地順時針轉一圈,鏡子裡的人會原地逆時針轉一圈;你將一個小球向上拋出去,鏡子裡的人也會將小球向上拋出去。日常生活中的鏡像對稱意味著宇稱守恆,如果你將小球向上拋出去的同時,鏡子裡的人是將小球向下拋出去的,這樣就意味著宇稱不守恆。
當年牛頓在鏡子外研究物體的運動,總結出了牛頓三定律等。如果牛頓研究的是鏡子裡的物體運動,也會得到和鏡子外一樣的規律。這就是宇稱守恆的原因。假若鏡子內外物體的運動遵循不同的規律,宇稱就不守恆了。
楊振寧和李政道是為了解決當時困擾粒子物理學界的τ-θ之謎給出了弱相互作用下宇稱不守恆的假想。當時發現了k介子的兩種衰變方式,一種為τ介子,另一種為θ介子。兩個粒子的電荷、壽命、質量、自旋等完全一樣,讓人不得不懷疑它們是同一種粒子;而它們衰變的時候有具有完全相反的宇稱,這又表明它們不像是同種粒子。
解決這個問題只有兩條路可走,一條路是認為宇稱守恆,τ粒子和θ粒子是兩個不同的粒子;另一條路是認為τ粒子和θ粒子是同一種粒子,這樣宇稱就不守恆。
楊振寧和李政道翻閱文獻後發現,弱相互作用下宇稱是否守恆並沒有得到過實驗的嚴格檢驗,他們大膽地發表了宇稱不守恆的猜想,並給出了幾種檢驗方案。
吳健雄等人最早用實驗驗證了楊振寧和李政道的猜想。吳健雄採用的是被極化後的鈷原子核發生β衰變時釋放電子的方案,如上圖所示,左邊被極化的鈷原子核主要是向下釋放電子,那麼在鏡像世界中,原子核自旋方向顛倒後鈷原子核仍然會主要向下釋放電子。然而實驗觀察到的現象卻不是這樣的。實驗中鈷原子核向下擲電子,鏡像世界中的鈷原子核卻向上擲電子,鏡像對稱破壞了,這意味著弱相互作用下宇稱真的不守恆。
宇稱不守恆是物理學史上的一件大事,天經地義的對稱破缺了。後來人們在此基礎上陸續認識到正反粒子以及時間也存在不對稱性。正是由於不對稱性,宇宙爆炸後才產生了不一樣多的物質和反物質,才有了我們今天的宇宙以及人類。
令人遺憾的是,因宇稱不守恆而獲得諾貝爾獎的楊振寧和李政道後來卻因宇稱不守恆導致他們關係破裂,他們爭論的是誰對這項成就的貢獻大。事情的真相到底如何目前已經難以考證,或許也沒有必要進行考證了。不論誰的貢獻大,他們的豐功偉績都會在物理學殿堂中閃爍出熠熠光輝。