物理學(xué)史市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件省名師優(yōu)質(zhì)課賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

物理學(xué)史方君煒之

宇稱不守恒發(fā)覺歷程0041/21美籍中國物理學(xué)家楊振寧和李政道因?yàn)榘l(fā)覺在弱相互作用過程中宇稱不守恒，共享了1957年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是中國人首次取得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。讓我們對(duì)他們表達(dá)敬意！2/21我們知道，在一件科學(xué)大事發(fā)生后，引發(fā)轟動(dòng)還沒有穩(wěn)定時(shí)候，過早報(bào)道和評(píng)價(jià)史有危險(xiǎn)。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)深知這種危險(xiǎn)，往往推遲授予一項(xiàng)獎(jiǎng)金到應(yīng)獲獎(jiǎng)發(fā)覺之后。比如，馬克思·波恩將薛定諤波函數(shù)解釋為概率波后近30年，才取得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而楊振寧和李政道在發(fā)表關(guān)于宇稱不可能守恒第一片論文1年后，即對(duì)他們假說作出那個(gè)驚人試驗(yàn)證實(shí)后僅僅幾個(gè)月，就被評(píng)選為諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)取得者。這個(gè)例外足以說明他們理論對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生重大影響。3/21能量守恒動(dòng)量守恒角動(dòng)量守恒宇稱守恒時(shí)間平移對(duì)稱性（時(shí)間均勻性）空間平移對(duì)稱性（空間均勻性）空間轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性（空間各向同性）空間反射不變性（左右對(duì)稱）4/211924年，德國物理學(xué)家拉波特在對(duì)極復(fù)雜鐵元素光譜進(jìn)行分析時(shí)觀察到，復(fù)雜原子能級(jí)能夠分為兩類：偶能級(jí)和奇能級(jí)。在吸收或者放出一個(gè)光子電磁躍遷中，能級(jí)改變總是從偶到奇，或者從奇到偶。為了解釋拉波特發(fā)覺這個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，魏格納在1927年引入了宇稱這個(gè)概念。人們要求：偶能級(jí)帶有正宇稱，奇能級(jí)帶有負(fù)宇稱。5/21在原子核物理、介子物理和奇異粒子物理中，處于各種狀態(tài)粒子也含有奇或偶宇稱宇稱守恒定律指出：一個(gè)體系若是由兩個(gè)各有偶宇稱小體系組成，那么這個(gè)體系也是偶宇稱。有兩個(gè)奇宇稱組成體系要形成偶宇稱體系。反之，一個(gè)偶宇稱粒子體系衰變成兩個(gè)粒子時(shí)，這兩個(gè)粒子要么都是偶宇稱，要么都是奇宇稱。偶＋偶＝偶

奇＋奇＝偶這與奇數(shù)、偶數(shù)運(yùn)算法則是相同6/21由此相對(duì)應(yīng)奇＋偶＝奇一個(gè)奇宇稱粒子分成兩個(gè)粒子時(shí)，必定是一奇一偶，一奇一偶兩個(gè)粒子組成體系也必定是奇宇稱現(xiàn)在我們來看拉波特發(fā)覺經(jīng)驗(yàn)規(guī)律奇能級(jí)負(fù)宇稱光子負(fù)（奇）宇稱能級(jí)由奇能級(jí)變?yōu)榕寄芗?jí)7/21這么，宇稱和宇稱守恒定律給體系或粒子進(jìn)行分類并對(duì)可能出現(xiàn)情況加以限制，從而說明為何有些過程是不可能觀察到原因?qū)嵺`證實(shí)宇稱守恒定律同能量守恒，動(dòng)量守恒等守恒率一樣在已知情況中都太正確了，太有用了，太能說明問題了。絕大多數(shù)物理家都認(rèn)為宇稱守恒等一切守恒定律在全部物理現(xiàn)象中都成立，也就是對(duì)稱性成立，我們物理世界是建立在絕對(duì)對(duì)稱美感之上。這種對(duì)世界誤解就像當(dāng)年人們認(rèn)為天體都是絕正確球體，它們運(yùn)行軌跡也是完美圓形一樣。8/21這種觀點(diǎn)在20世紀(jì)50年代受到了來自弱相互作用方面沖擊。K介子伴隨試驗(yàn)事例增多和分析精細(xì)化，英國達(dá)里茨首先發(fā)覺這些粒子質(zhì)量以及其它性質(zhì)都相同，似乎應(yīng)該將它們視為同一個(gè)粒子。矛盾是怎樣形成呢

？從原子核撞擊出來短壽命粒子按6種不一樣衰變方式，構(gòu)想有6種基本粒子9/21介子空間宇稱為負(fù)奇＋奇＋奇＝奇奇＋奇＝偶依據(jù)宇稱守恒結(jié)論是：粒子是奇（負(fù)）宇稱，粒子是偶（正）宇稱，粒子與粒子是不一樣兩種粒子。反之，假如粒子與粒子是同一個(gè)粒子，則宇稱守恒不成立。10/21這便是當(dāng)初曾現(xiàn)在粒子物理學(xué)家面前一個(gè)著名矛盾，叫做“”之謎。為了揭開“”之謎，物理學(xué)家們發(fā)生了很大爭論，無多物理學(xué)家想在不違反宇稱守恒前提下解開這個(gè)謎，不過，我們楊振寧與李政道先生沒有盲從，他們以驚人勇氣與膽識(shí)對(duì)宇稱守恒普遍性提出了懷疑。1956年夏天，楊振寧與李政道一起查閱了全部與“宇稱守恒”相關(guān)試驗(yàn)論文后，得出結(jié)論：和普通人確信相反，即使在強(qiáng)相互作用和電磁相互作用中宇稱守恒認(rèn)為試驗(yàn)所證實(shí)，不過在弱相互作用過程中宇稱守恒定律僅僅是一個(gè)被推廣“假設(shè)”而已，并沒有被試驗(yàn)證實(shí)過。11/21于是，楊振寧與李政道提出了他們看法，并向試驗(yàn)物理學(xué)家提出提議，用衰變（中子變成質(zhì)子時(shí)放出一個(gè)電子現(xiàn)象，是經(jīng)典弱相互作用）等試驗(yàn)來驗(yàn)證他們推測。他們論文在1956年10月美國《物理評(píng)論》雜志發(fā)表后，馬上引發(fā)了世界物理學(xué)家關(guān)注。然而，“上帝鞭子”－－著名物理學(xué)家泡利則認(rèn)為這是完全不可能，他曾說過：“我就不相信上帝竟然會(huì)是一個(gè)左撇子！”在沒有別比這件事更能說明人頭腦中舊觀念頑固和楊振寧、李政道膽識(shí)了。由上可知：楊振寧、李政道成功似乎歸結(jié)于他們膽識(shí)，不過，我認(rèn)為他們之所以有這種膽識(shí)是因?yàn)樗麄儓?jiān)信物理是一門試驗(yàn)科學(xué)，全部理論都應(yīng)建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)之上，理論要經(jīng)得起試驗(yàn)檢驗(yàn)。正是他們對(duì)這種信念堅(jiān)持超出了對(duì)沒有試驗(yàn)基礎(chǔ)對(duì)稱美學(xué)盲從成就了他們也是中國人第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！12/21第一個(gè)用試驗(yàn)驗(yàn)證楊振寧與李政道理論是哥倫比亞大學(xué)吳健雄和她領(lǐng)導(dǎo)小組。他們?cè)诿绹A盛頓國家標(biāo)準(zhǔn)局低溫試驗(yàn)室中做了極化鈷核衰變?cè)囼?yàn)，看其在衰變中向兩邊發(fā)射電子數(shù)目是不是對(duì)稱。該試驗(yàn)經(jīng)過測量原子核取向和電子動(dòng)量之間夾角和處罰布不對(duì)稱性，即出現(xiàn)一邊電子多，一邊電子少時(shí)，這就是衰變中宇稱不守恒無可置疑證據(jù)。13/21多少少探測器探測器多P變換探測器探測器P(空間)變換鏡子現(xiàn)實(shí)鏡像14/21上述試驗(yàn)從粒子不對(duì)稱性出發(fā)，無需考慮衰變理論，就能夠確定在衰變中宇稱是不守恒。吳健雄等人將他們?cè)囼?yàn)結(jié)果發(fā)表在1957年2月《物理學(xué)評(píng)論》上，該論文篇幅僅兩頁，卻是用試驗(yàn)驗(yàn)證衰變中，宇稱不守恒傳世之作?？上牵簠墙⌒鄄]有所以而取得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。不過，她貢獻(xiàn)是不可抹殺。楊振寧與李政道發(fā)覺主要性在于他們推翻了30多年來一直奉為物理學(xué)基本規(guī)律宇稱守恒定律，把它下降為只適合用于強(qiáng)相互作用和電磁相互作用普通規(guī)律，由此造成了在基本粒子領(lǐng)域中取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。在此之后，人們又發(fā)覺了在弱相互作用中電荷共軛不守恒等其它不守恒現(xiàn)象。楊振寧和李政道開創(chuàng)了一個(gè)新時(shí)代！15/21楊振寧李政道吳健雄16/21在此之后，丁肇中與美國物理學(xué)家因?yàn)楦髯元?dú)立發(fā)覺了粒子而共享了1976年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

朱棣文與美國、法國科學(xué)家合作創(chuàng)造了用激光冷卻技術(shù)俘獲原子方法，共享1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。