兩位華人物理學家的偉大貢獻,上帝不僅擲骰子,還是一個左撇子

2020-12-06 七月冬雪講航空

如何說哪種理論對於傳統物理學的顛覆最大,那肯定非量子力學莫屬了,量子力學的不確定性先是提出了上帝是擲骰子的,後來量子力學中微觀粒子在弱力中不守恆的現象有又證明了上帝是一個左撇子,上帝是否擲骰子?其實是愛因斯坦與玻爾這兩位物理大師關於微觀粒子不確定性的一場世紀大辯論,本質上量子力學概率論與經典物理決定論的一場生死對決,而上帝是左撇子則相對平靜,沒有擲骰子戰爭那樣濃重的硝煙,有趣的是:上帝是左撇子還是由兩位華人物理學家提出的,接下來,我們一起了解一下:為何上帝是一位左撇子呢?

不可動搖的真理,宇稱守恆

在西方物理學家的印象中,上帝因為是一個追求嚴謹,喜歡簡單而討厭複雜的人,所以上帝製造的萬物也應該嚴謹、簡潔而美麗的,例如:當麥克斯韋提出電磁方程時,世人被這種優美而簡潔的方程所震撼,麥克斯韋方程組也被譽為物理學上最美麗的方程之一,而嚴謹則主要體現在守恆定律等方面,在物理學中存在著很多守恆現象,例如:能量守恆、質量守恆、角動量守恆等等,物質的變化必須嚴格按照守恆定律去發展,不會有一絲一毫的溢出或者缺損,而上帝是左撇子的問題就是由宇稱守恆定律引發而來的。

關於宇稱守恆,這裡就不做過多專業的介紹了,我們可以簡單的將他理解成是一種對稱關係,對稱關係是很好理解的,例如:字母M,M就是鏡像對稱的圖案,例如:我們在照鏡子的時候,鏡子中的我們左手變成了右手,右手變成了左手,鏡子外的我們與鏡子中的互為鏡像的,這是一種空間反射變化,在微觀領域中,粒子與反粒子也是對稱的,粒子與反粒子的電荷、自旋方向等物理量相反,但是兩者的物理規律、物理性質也是完全相同的,在自然界中存在著四種基本力,前三種力即萬有引力、電磁力、強力都嚴格遵守這種對稱性,弱力是最後發現的一種力,根據前面的慣例,既然這種對稱性在前三種力是成立的,那麼物理學家也就默認弱力也是對稱的,即宇稱守恆。

θ和γ介子衰變現象的困惑

弱力主要作用於粒子的衰變現象中,在1956年,物理學家在粒子對撞實驗中發現θ和γ兩種介子,這兩種介子的自旋方向、質量、電荷等物理性質是完全相同的,它們似乎完全就是按照一個模板製造出來的,或者說我們完全可以認為兩者就是一種介子,但令人感到困惑的是:θ介子衰變時能產生兩個介子,但γ介子衰變卻產生三個,這又說明兩者在弱力作用中卻又是不同的,如果我們將θ和γ兩種介子視為是同一種粒子,那麼就要面臨推翻宇稱守恆定律的可能性,在那個歷史時代,量子力學已經被愛因斯坦等捍衛決定論的物理學家視為想要推翻經典物理大廈的「叛徒」,如果推翻這樣一個被視為真理的宇稱守恆定律,那無疑是大逆不道的,所以很多物理學家都是不敢越雷池一步。

一個大膽的想法:上帝並不喜歡對稱

1956年,物理學家李政道和楊振寧在查閱大量的物理實驗資料後發現,在電磁力、強力作用中,粒子是完全遵守宇稱守恆定律的,但是在弱力作用中,宇稱守恆定律卻缺乏實驗數據的證明,於是李政道和楊振寧大膽的提出:θ和γ兩種介子完全就是同一種粒子,之所以兩者在發生衰變的過程中產生的介子數不同,是因為基本粒子在弱力衰變的過程中是不對稱的,即弱力作用宇稱是不守恆的。

泡利:我絕不相信上帝會是一個弱左撇子

李政道和楊振寧關於弱力宇稱不守恆的論文發表之後,一些物理學家對於李政道和楊振寧這種離經叛道的想法十分驚訝,量子力學提出上帝擲骰子就已經很過分了,現在李政道和楊振寧又提出了上帝不對稱?自古之來人們認為上帝就是追求簡潔的,上帝製造的世界業是完美對稱的,任何想要推翻宇稱守恆定律的行為無疑是荒唐而可笑的,著名的物理學家泡利曾說:我絕不相信上帝會是個弱左撇子,並且與別人賭50美金認為李政道和楊振寧理論是錯誤的,他們必然會在實驗證明中伴隨著眾人的嬉笑中倒臺。

是的,這樣一種看似離經叛道、挑戰權威的新理論必然要經過試驗的證明才能站得住腳,於是李政道和楊振寧找到了另一位以物理實驗而著名的華人女物理學家吳健雄,吳健雄使用鈷60原子衰變實驗來幫助李政道和楊振寧檢驗弱力宇稱不守恆的正確性。

實驗大致過程如下,利用高強磁場製造出一對自旋方向分別為左旋與右旋的鈷60原子核,由於這一對鈷60原子核的自旋方向相反,所以兩者是鏡像對稱的,我們將自旋為右旋的鈷60原子核視為「原來實驗」,將自旋為左旋的鈷60原子核視為「鏡像實驗:,如果在弱力作用中宇稱守恆,那麼兩個鈷60原子核在發生衰變的過程中行為行為應該是完全對稱的,必定會出現方向相同的角分布,但實驗的結果卻與人們預料的不同,實驗結果表明:原來實驗與鏡像實驗的角方向分布完全不對稱,這也就證明了李政道和楊振寧提出的弱力宇稱不守恆是正確的。

上帝在弱力中真的是一個左撇子

實驗結果公布之後,整個物理學界都被震驚了,原來上帝不僅僅喜歡擲骰子,還是一個左撇子,曾經十分自信的泡利在得知了實驗結果之後十分尷尬,因為自己不僅僅被實驗的結果無情打臉,還為此輸掉了50元美金,於是泡利幽默的為吳健雄的實驗寫下了這樣一句評語:

我們傷心地宣布,我們的朋友宇稱女士,在經歷了短暫的手術痛苦之後,於1957年1月19日去世了。

李政道和楊振寧也因為發現了弱力宇稱不守恆這樣重大的物理發現而獲得了1957年的諾貝爾物理學獎。

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