什么是宇称不守恒

杨振宁、李政道、吴健雄是中国人耳熟能详的名字，他们的事业巅峰都与“平价”紧密相连。

用科学家的话说，宇称是内禀宇称的简称。它是表示粒子或粒子系在空间反射下的变换性质的物理量。在空间反射变换下，一个粒子的场只改变一个相位因子，这个相位因子叫做粒子的宇称。我们也可以简单的理解为，宇称是粒子看向它时在镜子里的影像。以前人们认为宇称必须根据物理世界公认的对称性守恒。就像有一个正电子，必然有一个负电子。杨振宁教授在1951与李政道教授合作，在1956共同提出了弱相互作用宇称不守恒定律。

这个道理其实很简单。对称性反映了不同物质形态在运动中的共性，对称性的破坏使它们表现出各自的特点。就像建筑和图案一样，只有对称而没有它的破坏，看起来是有规律的，但同时又显得单调和沉闷。只有基本对称和不完全对称才能构成美丽的建筑和格局。大自然就是这样的建筑师。大自然在构建DNA这样的大分子时，总是遵循复制的原理，按照一种对称的螺旋结构将分子连接在一起，螺旋结构的空间排列是一致的。但是在复制的过程中，稍微偏离精确的对称性，就会在大分子单元的排列顺序上产生新的可能性，从而使那些更便于复制的样式发展得更快，形成一个发展过程。所以对称性的破坏是事物不断进化，变得丰富多彩的原因。

杨振宁和李政道之间的密切合作是它们取得巨大成就的基础。杨振宁回忆道:

那年夏天我在芝加哥大学拿到博士学位后在密歇根大学度过，1948。秋天过后，我回到了芝加哥大学，并被聘为物理系的讲师。在教学期间，我继续从事核物理和场论的研究。1948年底，我和李政道合作研究衰变和俘获，发现这些相互作用和衰变有非常相似的强度。

李政道1946秋天去芝加哥大学读研究生。我们可能早些时候在中国见过面，但直到我们到了芝加哥才真正了解对方。我发现他既有才华又勤奋。我们相处得很好，很快就成了好朋友。我比他大几岁，比他早几年读研究生，所以我尽力帮助他。后来，费米成了他的论文导师，但他总是向我寻求指导。因此，在芝加哥的那几年，我实际上成了他的物理老师。

1953年，李政道去了哥伦比亚大学。为了继续我们的合作，我们建立了互访制度。我每周在哥伦比亚呆一天，他每周在普林斯顿或布鲁克海文呆一天。这种例行互访已经保持了六年。在此期间，我们的兴趣有时是基本粒子理论，有时是统计力学。这是一次很有成果的合作，比我和别人的合作更深更广。这些年来，我们已经非常了解对方，甚至似乎知道对方在想什么。但是，我们在气质、感情、品味上有很大的不同，这些不同有利于我们的合作。我们的交流始于1946，是亲密的，是建立在相互尊重、信任和关心的基础上的。然后是1957，我们的成功(都获得了诺贝尔奖)。在我和李政道交朋友的16年里，我把他当兄弟看待。这种合作对物理学贡献很大，让人羡慕。李政道本人声称，这种合作对他的职业生涯和成长产生了决定性的影响。

说到杨振宁、李政道和宇称不守恒，有一位杰出的中国女性不能被遗忘。她是吴健雄。吴健雄博士为美国的这场革命做出了巨大贡献，物理学家称之为“宇称不守恒”。

杨振宁和李政道在理论上怀疑基本粒子弱相互作用中宇称定律的正确性，提出如果宇称在弱交换下不守恒，那么一组有向核的β射线应该在轴向不对称分布。为了证明他们预测的正确性，两位科学家找到了吴健雄博士。吴健雄有许多新颖巧妙的物理实验技术，被其他物理学家广泛采用。许多物理学家在实验中遇到困难时会寻求她的帮助。应杨力的要求，吴健雄博士与美国国家标准局的Abel博士讨论了合作的可能性。实际工作在三个月后开始。她在极低温度(绝对零度以上0.01摄氏度)下观察到钴60衰变为镍60，以及磁场中电子与反粒子的微弱交换。果然，电子和反粒子都不遵守宇称守恒原理。

实验是成功的。吴博士证明了和的理论，推翻了在物理学界存在了30年的宇称守恒定律。这一发现使得英国皇家科学瑞典学院立即将1957诺贝尔物理学奖授予了杨振宁博士和李政道博士，因为他们纠正了过去科学家们犯下的严重错误，甚至开启了基本粒子“弱交换”某些规律的研究，使人类对物质结构内层的认识向前迈进了一大步。美国作家李爱迪生说:博士做了许多困难而复杂的实验，杨和李才取得理论突破和实验证明。吴健雄发现了电子倾向于左旋的现象，这不仅改变了物理科学中宇称守恒的基本信念，也影响了化学、生物学、天文学和心理学的发展。虽然吴健雄博士没有获得诺贝尔奖，但她的工作的重要性并没有降低，相反，因为其他荣誉和荣誉，她更加辉煌。当普林斯顿大学授予她荣誉哲学博士学位时，校长郑重宣布，吴健雄博士完全获得了被称为世界上最伟大的物理实验者的权利。宇称不守恒原理彻底改变了人类对对称性的认识，促成了随后几十年物理学界对对称性的关注。

三位科学家取得如此巨大的成就，他们有一个共同点，那就是热爱祖国，努力从中国的文化精髓中汲取营养。

中国科学院院长、物理学家周教授用“让中华民族感到骄傲的伟大科学家”来概括教授的学术成就。他说，杨振宁教授在中国有着非常深厚的文化传统，同时又融合了西方文化传统中的优秀部分，形成了他严谨治学、朴实无华的独特风格，令人钦佩，堪称典范。

1996年6月，有人问杨振宁:“你是世界知名的科学家，现在你被授予中国科学院外籍院士的荣誉。如何看待这个荣誉？”杨振宁先生沉思片刻，感慨道:“我还是中国人。我非常珍惜作为中国科学院外籍院士的荣誉，我为此感到骄傲。”从心底里，这位享誉海内外的美籍华人物理学家有着很深的中国情结――杨振宁1922出生于安徽合肥，家庭背景使他从小就接受了良好的教育。抗战时期在国立西南联合大学昆明分校获得理学学士学位，65438-0944在清华大学获得理学硕士学位。1945年冬赴美国留学，1948年冬获得芝加哥大学物理学博士学位。之后长期在美国普林斯顿高等研究院工作，之后主持纽约州立大学石溪分校理论物理研究所工作。

现代理论物理许多领域的发展都离不开杨振宁的名字。1949年，与世界著名物理学家费米一起提出了基本粒子的结构模型，即费米-杨模型。与米尔斯合作，规范场理论奠定了杨振宁作为20世纪下半叶物理学奠基人的地位。1956年，杨振宁与李政道合作提出了弱相互作用宇称不守恒理论。这一伟大成果突破了当时物理学的传统观念，推动了基本粒子理论的发展，被科学家们称为“科学史上的转折点”，从而与李政道一起以1957获得了诺贝尔物理学奖。自始至终，杨振宁都认为青少年时期在中国受到的中国传统文化和教育对他的职业生涯非常重要。因此，在获得诺贝尔物理学奖的仪式上，杨振宁说:“虽然我投身于现代科学，但我为我所忍受的中国传统和背景感到自豪。”

作为炎黄子孙，杨振宁生活在美国，但他热爱他的故国。他对科学真理的毕生追求、对科学的浓厚兴趣和饱满热情，与他对中国科技发展的关心是分不开的。从1971第一次回国，到今天的改革开放，他深深感受到了祖国日新月异的变化。现在他每年都回国讲学和访问，不遗余力地加强中国与世界的科技交流，促进中国的科技发展。在这方面，他说，“因为它同时植根于中国和美国的文化，它对增进两国之间的友谊和理解负有特殊的责任。”

1994杨振宁回国时，在中国科学技术大学给几千名学生讲“中国科技发展500年历史”，一度感染和激励了无数学生。当记者与杨振宁谈到他颇具影响力的演讲《近代科学进入中国的历史回顾与展望》，请他谈谈中国的科技发展如何面对激烈的竞争，迎接21世纪的挑战时，杨振宁感慨而自信地说:“中国过去固步自封，落后于西方，但现在发展很快。只有依靠科学教育，我们才能振兴中华。中国有无数的优秀人才和几千年的优秀传统。再加上现在的改革开放和经济发展，中国一定会赶上来的。”

12年前，杨振宁访华时，兴高采烈地写了一首诗，“天下两百代动荡，风云瞬息万变；若问那山之未来，事争天，只争朝夕。”出自物理学家之口的诗句，分明是他对中国腾飞那一天的热切期盼。杨振宁坚信，在世纪之交，随着中国“科教兴国”战略的实施，中国一定会迎头赶上；随着中华民族的快速发展，中国将很快自豪地屹立于世界科技强国之林，成为东方科学的巨人。

5月25日，1997，中国科学院、江苏省人民政府在宁召开杨振宁之星命名大会。“杨振宁星”是一颗国际编号为3421的小行星。中国科学院紫金山天文台于6月26日发现，1975+065438+。

李政道已经70多岁了，他从事物理科学研究已经50年了。在长达半个世纪的科学生涯中，他凭借天才和勤奋，在高能物理、天体物理、流体力学、统计物理、凝聚态物理和广义相对论等领域取得了卓越的成就。1972以来，他以深厚的爱国情怀致力于支持祖国科学教育的发展，积极推动中外科学交流与合作，建议建立博士后制度，帮助建立和完善自然科学基金制度。他为北京正负电子对撞机的建设和运行倾注了大量心血。十年前，他提议在中国先进科学技术中心和北京建立现代物理研究中心。十年来，在李政道教授的主持下，两个中心开展了大量的中外学术研究交流，取得了许多重要的研究成果，不断培养高级科技人才。李政道教授的五十年，是他用自己的聪明才智探索科学奥秘，致力于祖国和人类科学发展的五十年。然而，这位年过古稀的杰出学者，却从不满足。他仍然朝气蓬勃地展望未来，希望在即将到来的21世纪做出新的贡献。中国科学院紫金山天文台发现的国际编号为3443的小行星获得了相关国际组织的批准，被正式命名为“李政道星”。1997年5月30日，中国科学院举行了隆重的“李政道之星”命名仪式。从那时起，李政道的名字就被镶嵌在太空中的星星上，与小行星3443一起旅行，在银河中闪耀。“李政道星”(国际编号3443)于1979年9月26日由中国科学院紫金山天文台发现。“李政道星”沿椭圆轨道绕太阳运行，偏心率为0.3。到太阳的平均距离为3.59亿公里，绕太阳一周需要3.70年。

吴健雄1934毕业于中央大学物理系，后赴美留学，先后获得加州大学、普林斯顿大学、耶鲁大学、哈佛大学等机构的理学博士学位。1954美国国籍。1973年，她当选为美国物理学会主席，是爱丁堡皇家学会的荣誉会员，美国国家科学院院士，美国艺术与科学院院士。1994年获旅美华人杰出成就奖。

吴健雄教授一直关心中国科技的发展。自1973起，多次来华探亲讲学。她是北京大学和南京大学的名誉教授，并在东南大学建立了吴健雄实验室。1990年，南京紫金山天文台将其发现的一颗小行星命名为“吴健雄星”。1994年6月，她当选为中国科学院第一位外籍院士。1997年2月16日，吴健雄教授因中风再次去世，享年85岁。在丈夫、物理学家袁家骝教授等亲属的陪同下，她的骨灰被安葬在江苏苏州太仓市六合镇明德学校新建的“吴健雄公墓”，实现了她回归故里的夙愿。

在吴教授80寿辰之际，在寿辰仪式上简要介绍了博士的简历，并表示求学期间对历史和地理都有浓厚的兴趣，文学造诣非凡。后来她在物理上有所成就，让一般人忽略了她的文采。当时已经退休的吴健雄博士在生日会上发表讲话，说科研没有捷径，“基本素养是从兴趣、观察、实验、毅力等艰苦努力开始的”。

西方科学家称吴博士为中国的妻子，同样获得诺贝尔奖的Imirie Shogley博士称赞她为“核物理女王”。

宇称不守恒原理的影响是深远的。许多人说:“如果没有杨和李的工作，很难想象今天的理论物理会是什么样子。!"1998年底，物理学家发现了第一个违反时间对称性的事件。欧洲原子能研究中心(CERN)的研究人员发现，正负K介子在转换过程中具有时间不对称性。这一发现虽然有助于完善大爆炸理论，但动摇了物理学基本定律在时间上应该是对称的观点。

正如人们常常感叹的那样，时光不能倒流。在日常生活中，时间的箭头永远只有一个方向。老人不能变年轻，破花瓶不能复原，过去和未来界限分明。但在物理学家眼里，时间一直被认为是可逆的。比如一对光子碰撞产生一个电子和一个正电子，正负电子相遇也产生一对光子。这个过程符合物理学的基本规律，在时间上是对称的。如果用摄像机拍摄两个过程中的一个过程，然后播放，观众将无法判断录像带是向前播放还是向后播放。从这个意义上说，时间是没有方向的。

在物理学中，这种不区分过去和未来的特性被称为时间对称性。经典物理定律都是假设时间没有方向，在宏观世界中也确实通过了考验。但近几十年来，物理学家一直在研究时间对称性在微观世界是否同样适用。经过三年的研究，欧洲核子研究中心的一个小组终于取得了突破。他们的实验观测首次证明，至少在中性K介子衰变过程中，时间违反了对称性。

这个由9个国家近100名研究人员组成的小组，在实验中研究了K介子反K介子转化的过程。介子是质量大于电子，但小于质子和中子的粒子，自旋是整数，参与强相互作用。根据内部量子数，可分为π介子、ρ介子和K介子。研究人员在实验中发现，反K介子转化为K介子的速率快于其时间反转过程，即K介子转化为反K介子。这是物理学史上第一次直接观测到时间不对称。

现代宇宙理论曾经认为BIGBANG在开始时应该产生等量的物质和反物质，但今天的宇宙是由物质世界主导的，这一点一直令人困惑。欧洲粒子物理研究所的新实验证明反物质转化为物质的速度可以比相反的过程更快，因此为宇宙中物质质量为何远超反物质提供了部分答案。此外，新结果对物理学基本对称规律的研究也具有重要意义。物理学家一直认为，除了物理学的基本定律不受时间方向性的影响外，物体在空间中的物理反射过程以及粒子和反粒子的转化过程也应该遵循对称性。时间、宇称和电荷守恒定律被认为是支持现代物理学的基础之一。

自20世纪50年代以来，物理学家发现一些守恒定律有时并不完全满足对称性。美籍华人物理学家杨振宁和李政道曾提出弱相互作用宇称不守恒理论，并被实验证实。后来，美国人詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇发现k介子的衰变过程违反了宇称和电荷联合对称定律，两人都获得了诺贝尔物理学奖。因为时间、宇称和电荷作为一个整体应该是守恒的，所以物理学家猜测时间在某些情况下会违反对称性。CERN的结果首次证实了这一猜想。

1999年3月科学家说直接观测证明电荷宇称定律是错误的。美国费米实验室宣布，以前所未有的准确度证明了中性K介子在衰变过程中直接违反了电荷宇称联合对称定律。这一结果被视为物质和反物质研究领域的重要进展。

目前普遍认为，每个基本粒子都有对应的反粒子。比如对应带负电的电子，有质量相同，电荷相反的正电子。反物质理论提出后，科学家一直认为粒子和反粒子之间在特性上存在对称性，就像人通过镜子看自己一样。这些对称性特征主要包括物理学的基本定律不受时间方向性的影响，空间反射下的物理过程和粒子与反粒子之间的转化过程遵循对称性，分别称为时间定律、宇称定律和电荷守恒定律。

1964年，美国物理学家克罗宁和菲奇发现，K介子与其反物质反K介子之间存在违反宇称和电荷联合守恒定律的现象。但有两位物理学家主要是通过K介子和反K介子的量子力学涨落效应观察到电荷宇称守恒的违背，所以被认为是间接观察。自20世纪60年代以来，世界各地的物理学家都得出一些类似的结果，但基本上都属于间接观测的范畴。为了直接证明K介子违反宇称和电荷联合守恒定律，主要途径是研究K介子衰变为其他粒子的过程。k介子可以衰变为两个介子。物理学家通过实验在理论上指出有多少K介子衰变为介子，如果这个比值不接近于零，可以看作宇称和电荷联合定律不守恒的直接证明。

据悉，近年来世界各国科学家都在从事K介子衰变与介子之比的计算，但得到的结果还不能认为是确切的证明。费米实验室得到的最新数值结果(误差0.00280为0.00041)比以前的实验更精确，直接证明宇称和电荷守恒定律确实是有限的。

1980年获得诺贝尔物理学奖的宇称不守恒和电荷守恒定律最早的发现者之一克罗宁教授在评价费米实验室的新成果时说，这是35年前发现违反宇称和电荷守恒定律的现象以来，人们第一次对这个问题有了真正新的认识。普林斯顿大学教授瓦尔·菲奇(Val Fitch)说:“这个结果极其令人惊讶。完全出乎意料。这非常非常有趣。”

科学家们计划在费米实验室继续进行实验和计算，以验证这些最新的观察结果是否属实。同时，如果你想知道这个世界为什么会这样，答案完全在于左右之差——你只要照照镜子就行了。