镜子之所以能够显现出画面,完全是一种光学作用,但假如镜子里也有着一个世界,它与镜子外面的世界是完全一样的吗?

这个问题问得似乎很没有道理,镜里镜外的世界当然是一样的,镜子外面发生什么,镜子里面就会发生什么,二者除了方向不同,其余没有丝毫差别。不过别急着下定论,我们之所以第一感觉就认为镜里镜外的世界应该是一样的,是基于我们对自然规律的认知,的确,对称和守恒就是这个世界的基本规律,至少在杨振宁提出宇称不守恒之前是这样的。

对称和守恒是宇宙的基本规律,而且二者总是成对出现的,有一个对称,就必然有着一个与之相对应的守恒。比如时间平移对称,简单来说就是我们在5点的时候踢一脚球,然后在8点的时候用完全相同的力道和角度踢一脚球,两个球最后所到达的位置应该是完全一样的,并不会因为时间的变化而出现变化,而这就对应了能量守恒。

除了时间平移对称,还有空间平移对称,比如我们在中国踢一脚球,然后跑到巴基斯坦用相同的力道和角度踢一脚球,这两个球最终到达的位置与我们踢球的位置的距离和方位应该是完全一样的,而这又对应了动量守恒。

时间平移对称与空间平移对称只是两个例子,除此之外,还有空间旋转对称等等,总之,对称与守恒是这个世界运行的基础。现在我们可以回归正题来说说镜里镜外的事情了。镜子里和镜子外的世界是完全一样的,遵循着相同的物理规律,除了方向相反,别无不同,这就被称之为“镜像对称”,每一个对称都会有着一个与之相对应的守恒,那么镜像对称对应了什么守恒定律呢?就是宇称守恒。

什么是宇称守恒?要解释这个需要涉及到一些数学问题,本着不把问题搞复杂的原则,我们只简单地知道,宇称守恒就是微观粒子波函数的守恒。

对于大多数粒子而言,宇称守恒是没有问题的,但一个班级里总是有那么两个难搞的学生,而θ粒子和τ粒子就是这两个问题学生。θ和τ这两个粒子怎么看都是一个粒子,因为无论是质量与电荷,还是其它性质,它们都相同,唯一不同的是,它们衰变之后的产物不一样。不仅衰变产物不相同,它们两个的衰变产物的宇称也不同。

一个团体之中可以允许有几个问题成员,但物理定律不行,有特例存在,就说明其中是有问题的。难道宇称守恒有问题吗?问题显然不是这么简单。

在我们的世界中存在着四种基本力,引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。

在引力、电磁力以及强相互作用力的作用下,都有充分的实验证据可以证明宇称是守恒的,唯一没有证据的就是弱相互作用下的宇称守恒,于是杨振宁和李政道开始怀疑弱相互作用下,宇称不守恒。

二人的质疑从一开始就不被人所接受,因为质疑守恒,就是质疑宇宙的基本规律,所以为了证明这一点,就必须要拿出充分的证据,于是二人设计了一个实验:让一个放射性原子核自旋,然后设法控制另一个相同的放射性原子核反向自旋,这样就等于制造出了一个世界和一个与之对应的镜像世界,如果宇称守恒,那么两个世界就应该是完全一样的,也就是说两个放射性原子核在衰变过程中向各个方向发射的β射线应该是完全一样的,所谓的β射线就是放射性原子在衰变过程中所产生的电子。

杨振宁和李政道虽然设计出了这个实验,但没有实验条件,于是他们找到了后来的美国物理学会会长吴健雄女士,她是一位华裔物理学家,她帮助二人在美国国家标准低温物理实验室里做出了这个实验,当时所使用的是放射性元素钴60。

最后的实验结果显示,在两个世界中,钴60在各个相同方向上所发射的电子是不同的,而且差异很大,由此证明了镜子里与镜子外的世界在弱相互作用下并不一样,也就是说宇称不守恒。杨振宁和李政道的实验结果引起了轩然大波,但在实验结果刚出来的时候,在科学界几乎不被接受,科学家们的一致观点都是认为这个实验做错了,科学家布洛赫更是信誓旦旦地说到“如果宇称不守恒,我就吃掉自己的帽子”,结果这顶帽子变得非常尴尬,因为大量科学家在重复了该实验后,确认了杨振宁和李政道理论的正确性,宇称不守恒。二人也因此于理论提出的次年斩获诺贝尔奖。

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来源: 原创

镜里镜外的世界一样吗?不一样,杨振宁的宇称不守恒告诉你原因

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什么是宇称守恒?要解释这个需要涉及到一些数学问题,本着不把问题搞复杂的原则,我们只简单地知道,宇称守恒就是微观粒子波函数的守恒。