鈷60旋轉180度改變了衰變規律,楊振寧的偉大發現,讓科學家害怕

2020-12-05 華箋流香

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

一個人在睡覺的時候,朝左側睡或朝右側睡,不會改變自己的性別。

這就是所謂自然規律的「宇稱守恆性」。

美國於1977年發射的旅行者1號和2號,是人類飛行的最遠的飛行器。在遙遠的距離沒有辦法使用太陽能為設備進行供電,所以它們攜帶的是一種特殊的電池,由放射性物質衰變轉換為電能。

在我們的自然界,有四大作用力,除了萬有引力在量子尺度會表現的非常微弱以外。其他三大力,強互作用力、弱互作用力和電磁力都是微觀世界的主宰者。

原子彈的材料核裂變釋放的巨大能量,來自於強互作用力。而放射性同位素電池的能量,來自於弱相互作用。

然而,弱互作用力所主導的放射性物質的衰變,有一個讓所有物理學家都感到害怕的特點:「宇稱不守恆」。

可以簡單的理解為:人在鏡像中的影像多長出來1個頭,或者人體旋轉180度,改變了性別!

一般的情況下,我們認為在鏡子外面表現出一個動作,在鏡子裡面所表現出來的動作雖然是相反的,但是它的規律是相同的。

也就是說,我們在鏡子外面如果發射一顆子彈,那麼它的運動軌跡是拋物線,在鏡子裡面運動軌跡也是二次曲線。

》楊振寧和李政道認為在放射性物質的衰變中,宇稱並不守恆。

著名的實驗物理學家吳建雄,用帶有放射性的鈷原子,在冷卻到接近絕對零度的情況下,讓原子向相反的方向自旋。

因為我們知道,根據量子力學,全同粒子是不可分辨的。自旋相反的全同粒子,可以看成互為鏡像。

鈷60具有放射性,它通過β衰變釋放出一個電子。如果宇稱守恆,那麼自旋方向相反的鈷60原子會表現出相同的衰變特性。

結果發現:不同自旋方向的鈷60原子,在進行貝塔衰變的時候,發射出來的電子數目相差巨大。

「人體旋轉了180度以後,改變了性別。」

中國神話傳說裡有一種「照妖鏡」,就是說外面的人和鏡子裡的人是不同的。

我們可以把吳建雄的實驗看成是一個「照妖鏡」,這樣我們就不覺得神話傳說裡面的照妖鏡有什麼奇怪。

楊振寧和李政道因為發現弱互作用中宇稱不守恆,而獲得了1957年諾貝爾獎。

》科學之所以備受尊崇,就是因為描述了一種物質內在運動的不變性規律。

根據現代量子力學,強互作用力、弱互作用力和電磁力,可以用統一的數學形式來描述,在高能標上會統一為一個力。

正是在這種規律的指導下,人類才得以創造文明,如果自然界的運動規律時刻在改變,那麼我們將面對一個無所適從的世界。

20世紀前,科學家已經知道能量守恆、動量守恆,但是並不清楚其背後的原理。

只能把它當作一種世界客觀存在的必須法則。

1917年,距離愛因斯坦廣義相對論發表2周年,女科學家艾米諾特證明了一個非常重要的定律:諾特定律。

諾特定理的簡要內容如下:如果一個數學形式經過某種變換保持形式上的不變,則必然有一個守恆流形與之相對應。

》諾特定律揭示了守恆性背後的原因~對稱性。

能量守恆是因為空間的平移對稱性,動量守恆是因為空間的旋轉對稱性。

一旦對稱性被打破,則守恆性就會被打破。宇宙剛剛誕生的時候,充斥在宇宙空間中的只有能量而沒有質量,當溫度冷卻到一定程度以後,出現了對稱性破缺,能量的守恆性被打破,於是能量轉化為質量。

但是,宇稱不守恆意味著物理規律在某種情況下可能會失效。

飛船在空中飛行,旋轉180度以後,可能會莫名其妙的墮入奇異引力場。

費曼還跟別人打賭說,如果是宇稱不守恆被證實,他就輸掉1萬美元。後來他信心不足,逐步降低賭注,最後輸了50美元。

》規律的改變,意味著世界不再可以被把握。

在現實世界中有可能會突然冒出來讓人匪夷所思的物理現象。但是我們卻對此一無所知。

很多科學家不願意接受這樣的現實,甚至還有科學家願意為此打賭這個現象不存在。

我們知道,在現實世界中,空間有三個維度,時間有一個維度。愛因斯坦把空間的3個維度和時間的1個維度,合併成了四維空間,並且以他的中學老師閔可夫斯基的名稱命名為:閔氏空間。

人站在哈哈鏡面前,會發現自己的影像變了形,但是這並不意味著物理學規律的改變,因為我們可以通過一個「變換」還原原來的影像。

所以,物理學的規律描述的是物質的運動規律在某種數學變換下的不變性。

牛頓力學描述的是:在四維時空中,物質的運動規律,在伽利略變換下的不變性。

狹義相對論描述的是:在四維時空中,物質的運動規律在洛倫茲變換下規律的不變性。

我們知道時間是永不停息的流逝的,物質在世界上的存在,在閔氏四維空間中表示為一條連續的軌跡線。我們牆上掛著的時鐘,記錄的是這條軌跡線的長度。

》如果出現「宇稱不守恆」的情況,世界線就會出現分叉或者是斷點。

物體或者突然同時出現在兩個時空中,或者突然從時空中消失。

這意味著原本單一的維度,可能實際上是有多個維度捲曲在一起組成的。就好像一面很厚的鏡子,會照出人的重影來。

世界就像一個迷宮,而人類在其中探索。但是,楊振寧、李政道的發現告訴我們:「迷宮會移動」。

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    一個圓無論你旋轉多少度,這個圓看起來還是那個圓,它沒有任何變化,我們就說圓這個圖形在旋轉這個操作下具有不變性,簡單的說就叫圓具有旋轉不變性。視為最基本的意思就是說,如果科學家們發現了有什麼現象似乎違反了這個規律的時候,大家首先的反應不是這個規律有問題,而是還有其他沒有考慮進來的因素。
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