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規律為什麼會不守恆,又是誰驗證了這個實驗?

由 佛佗的神話 發表于 寵物2023-01-27
簡介也就是說,在過去的那些由弱力參與的β衰變實驗裡,即使宇稱不守恆,也不會影響結果

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規律為什麼會不守恆,又是誰驗證了這個實驗?

對微觀世界瞭解得越多,就越覺得這世間的一切都有規律的可怕。

對規律瞭解得越多,看世間之事便也不再那般紊亂,人事之間卻也有跡可循。

上篇結尾留下了兩個疑問:

費米以及其它大神們,為什麼沒有發現β衰變裡面的一絲絲不對勁?(β符號讀 貝塔)

楊振寧、李政道又為何會懷疑宇稱可能不守恆呢?

規律為什麼會不守恆,又是誰驗證了這個實驗?

接下來我們帶著問題進入正文,去正文裡面尋找答案。

在1950年左右,科學家們發現了許多新的粒子,為了研究這些新粒子,他們發明了粒子加速器。

不要覺得這名字高大上,其實很粗暴。

這玩意就是把一些粒子加速到很高的速度,然後讓這些粒子像無頭蒼蠅一般,四處亂撞,科學家就守株待兔,等待粒子撞出一些新的東西。

雖然手法簡單,但效果顯著。

加速器裡撞出了一堆稀奇古怪的“奇異粒子”。

規律為什麼會不守恆,又是誰驗證了這個實驗?

但物理學家們最感興趣的是θ和τ粒子。(θ和τ符號讀 西塔 和 套)。

原因就是這兩種粒子的生命非常短,被撞擊出來後,很快就會衰變成其它粒子。

衰變成其它粒子不奇怪,奇怪的是這兩種粒子無論是電荷、質量還是自旋,都是一模一樣的。

但是θ粒子在衰變的時候會產生兩個π(派)介子,而τ粒子在衰變的時候會產生三個π(派)介子。

這就相當於你在照鏡子,你向前伸出了兩隻手,但鏡子裡面的你卻伸出了三隻手,你以為產生了幻覺,但不論做多少次,鏡子裡都會伸出三隻手,這樣的結果就很尷尬了。

規律為什麼會不守恆,又是誰驗證了這個實驗?

當時,許多人認為θ和τ粒子不是同一種粒子,但還有許多人認為它們就是同一種粒子。

這就是著名的θ-τ之謎。

隨著解謎的隊伍越來越大,對於宇稱守恆理論也開始出現了一些動搖,但是,由於對稱性在理論物理裡面太重要了,去質疑它們的如果不是極聰明就是極愚蠢。

但楊振寧和李政道他們倆做到了。

他們敏銳地發現,把原子核黏在一起的是強力,使原子核發生衰變的是弱力,如果把這兩種力分開,單獨去研究其中的某一種力,就很有可能找到答案。

基於這個美妙的想法,他們把目光鎖定到了弱力上面。也就是說他們認定宇稱在弱相互作用力中不守恆。

但是θ和τ粒子的弱相互力他們瞭解的有限,並且這種粒子取樣比較麻煩。

於是,他們選擇了一種我們最熟悉的弱相互作用力:β衰變。

規律為什麼會不守恆,又是誰驗證了這個實驗?

上篇有詳細說過,β衰變是質子和中子相互變化的過程。

而對β衰變的研究已經很熟悉、又很普遍了,所以他們做的第一件事不是去做試驗,而是去翻看之前的實驗資料,並對資料重新計算和考量。

他們得到了一個令人震驚的結果:在過去所有的β衰變實驗裡,實驗結果跟β衰變中宇稱是否守恆完全沒有關係。

也就是說,在過去的那些由弱力參與的β衰變實驗裡,即使宇稱不守恆,也不會影響結果。

這實在是出人意料,對於這個結果,楊振寧後來描述道:長久以來,在毫無實驗根據的情況下,人們都相信弱相互作用下宇稱守恆,這是十分令人驚愕的。

規律為什麼會不守恆,又是誰驗證了這個實驗?

看過大量資料後,他們的思路已經無比清晰了,只要透過實驗檢驗弱相互作用力中,宇稱是否守恆就可以了。

統計過往結果,他們發現,之前的β衰變實驗都沒有測量 贗標量(這是跟核的自旋和電子的動量相關的一個物理量)。

整理思路後,楊、李二人重新設計了幾個可以檢驗宇稱是否守恆的實驗,並把實驗方法和分析都寫進了那篇著名的論文《在弱相互作用中,宇稱是否守恆》中去了,然後投給了 《物理評論》。

但讓人沒有想到的是,由於宇稱守恆過去的表現,實在是太過於完美,而且這些實驗也不簡單,他們的論文在發出之後,沒有激起什麼水花。

並且,在當時想請一位實驗物理學家來做這個實驗,那可真不簡單。

首先,對這個實驗有興趣的人實在不多,幾乎所有人都認定了這個實驗不會有任何結果,因為宇稱守恆就和當年的牛頓力學一樣,是鐵一般的定律。

另外,就像在第一篇開頭的那幾位物理界的大佬,用行動表達對這個實驗的蔑視一般。

幾乎所有實驗物理學家也認為,只要從宇稱不守恆出發,這場忙活也就是竹籃打水一場空。

規律為什麼會不守恆,又是誰驗證了這個實驗?

但是,功夫不負有心人,他們得到了實驗女王吳健雄的鼎力支援。

吳健雄被稱為“實驗核物理的執政女王”,“東方的居里夫人”,她參與了曼哈頓計劃,併成為美國物理學會的第一個婦女主席,是世界上最傑出的實驗物理學家之一。

有如此優秀的吳健雄鼎力支援,實驗當然也就沒什麼好擔心的。

但是在這個實驗裡,吳健雄的天才不是表現在設計了多麼巧妙的實驗,而是表現在當大環境對驗證宇稱是否守恆如此不利的情況下,她全力支援楊振寧和李政道的想法。

我們只要想一想,在第一篇裡面反對宇稱不守恆的費曼、泡利、朗道都是什麼級別的人物,就知道吳健雄的眼光有多麼的銳利。

規律為什麼會不守恆,又是誰驗證了這個實驗?

她不僅要做實驗,還要迅速做、趕快做,要趕在其他的實驗物理學家們,意識到這個實驗的重要性之前做出來。

為此,她取消了去日內瓦的高能物理會議,取消了準備去東南亞的演講旅行。

當時,她和她丈夫已經預訂下了“伊麗莎白王后號”的船票,但她毫不猶豫地放了她丈夫的鴿子,他丈夫只得一個人去日內瓦,她自己留下來完成了這個實驗。

這次實驗不僅震驚了全世界,也是物理學上一次劃時代的大飛躍。

關於實驗過程以及這次實驗又意味著什麼,我們下一篇見。