第563章 空間鏡像對稱！宇稱不守恆！華夏的

  第563章 空間鏡像對稱！宇稱不守恆！華夏的絕世天驕們！

  當李奇維提出「宇宙來源於不對稱」時，所有人都覺得不可思議。

  這個世界上確實有很多不對稱的現象。

  比如人的外形雖然對稱，但內臟是不對稱的，人只有一個心臟，還存在於左半部分身體。

  星球也不是標準的圓球，而是有一點「橢圓形」。

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  但是在物理學領域，對稱的概念，不僅僅只是「對摺」那麼簡單。

  物理學家們在乎的是更本質更底層的對稱。

  時間對稱、空間對稱等。

  對稱是框架，不對稱是細節！

  只要框架對了，細節怎麼樣都無所謂。

  所以，雖然諾特的論文在物理大佬們看來，沒啥值得討論的，但是它的正確性是毋庸置疑的。

  而且諾特還把守恆跟對稱聯繫在一起，也算是開拓創新了。

  但也僅僅如此了。

  可是，如果你非要震驚學界，震驚大佬，該怎麼做呢？

  物以稀為貴，這句話放在物理研究領域同樣適用。

  對稱、守恆，物理學家覺得是理所應當的，自然界就是這樣的。

  但若是你提出「不對稱、不守恆」，那絕對能驚爆眼球！

  當所有人高呼宇宙對稱的時候，李奇維突然說「不對稱」。

  造成的轟動可想而知！

  此刻，會場沸騰了！

  所有人震撼不已，激烈地討論著。

  「我覺得布魯斯教授的這個猜想太大膽了！」

  「如果沒有對稱性，世界早就亂套了。」

  「相比第二種猜想，我還是覺得第一種猜想更合理。」

  「」

  普朗克、愛因斯坦等大佬們，也在興奮地交流著。

  不過，他們倒是沒有第一時間反對，而是保持著謹慎的態度。

  畢竟量子力學發展到現在，已經顛覆了太多所謂的常識和直覺了。

  這個世界的本質到底是什麼，沒人敢拍著胸脯保證。

  「也許宇宙在某個東西上就是不對稱的。」

  李奇維看著眾人各種各樣的表情，心中感慨。

  由諾特定理發展而出的，有一個大名鼎鼎的概念：宇稱不守恆！

  在後世，很多人都聽過這個名詞，但是100人裡面恐怕都沒有一個人能清楚知道它到底是什麼。

  因為絕大多數關於它的科普內容都是錯的。

  提到宇稱不守恆，就不得不提華夏的兩大絕世天驕：楊振寧和李政道。

  真實歷史上，諾特在發表諾特定理，提出守恆量和對稱性的關係後，在物理學界的影響不是很大。

  因為當時連量子力學都沒有發展起來呢，物理學家們找不到該定律的作用。

  但是，依然有一小部分物理學家願意研究這個小眾的領域。

  維格納就是其中之一。

  在見識到妹婿狄拉克的絕世天資後，維格納意識到，量子力學的主流內容已經被那些變態們給霸占完了。

  普通物理學家只能蹲在下面可憐兮兮地喝湯。

  因此，他決定另闢蹊徑。

  諾特定理已經證明，守恆必然來源於對稱。

  而且諾特還給出了三個例子。

  時間平移對稱→能量守恆；

  空間平移對稱→動量守恆；

  空間旋轉對稱→角動量守恆。

  所以，維格納就想，如果自己能發現一個全新的對稱，那豈不是就能提出一個全新的守恆定律？

  這絕對是能震驚物理學界的成果！

  說干就干！

  他還要震驚馮·諾依曼呢！

  但是，對稱這玩意可不是那麼好發現的。

  諾特定理中，已經把時間、空間都涉及了，還有什麼其它對稱嗎？

  維格納確實有物理天賦，而且他的運氣還很好。

  有一天，他在照鏡子的時候，看到自己的帥臉，突發奇想：

  「咦，鏡子中的我和鏡子外的我，不也是一種對稱嗎？」

  「鏡像對稱！」

  嘩！

  猶如醍醐灌頂一般，維格納激動地手舞足蹈。

  他發現了一種新的空間對稱！

  不，應該說不是他發現，而是他想到了。

  畢竟，鏡像對稱這玩意不是啥新東西，在化學分子領域太常見了。

  即便如此，至少目前還沒有人研究過這種對稱性在物理學中的意義。

  維格納仿佛已經看見諾獎在招手，各個大學爭相邀請他擔任教授的美好未來了。

  鏡像對稱怎麼理解呢？

  如果有一面鏡子，一個物理過程發生在鏡子外，那麼鏡子內的過程應該也是同樣的結果。

  比如你在鏡子外拋出一個蘋果，然後落地，那麼鏡子內的蘋果同樣會落地，而不是飛上天。

  後世，很多科普號就是用類似以上的例子來解釋「宇稱不守恆」的。

  聽起來特別形象易懂。

  比如你和鏡子裡的自己猜拳，你出拳，鏡子裡的你卻出了布。

  這就是所謂的宇稱不守恆。

  這時，你肯定會覺得：

  「哇，好膩害！我竟然聽懂了哎！」

  可惜，這種比喻是錯的！

  其內涵也是錯的！

  維格納是個嚴謹且有天賦的物理學家，他立刻就意識到，鏡像對稱只是一種形象的比喻而已。

  因為鏡子中的世界並不是真正的世界！

  不管是時間平移，還是空間平移，又或者是空間旋轉，這些過程都是發生在真實世界中的。

  你第一天在三樓做實驗，第二天還是在三樓做實驗，兩次都是在同一個世界。

  但鏡子內外卻截然不同！

  所以，維格納必須想辦法，把鏡像對稱這種形式轉換成嚴格的【物理語言】。

  即讓這個對稱過程，發生在真實世界中。

  他仔細研究後發現，所謂的鏡像對稱可以這樣理解：

  「在一個物理系統里，其中所有向量的方向，都根據鏡像對稱的方式，翻轉過來。」

  「那麼此時，整個物理系統就全部反過來了。」

  「系統的所有過程左右相反，但其它方面保持不變。」

  就好比人的左右手，就是鏡像的。

  又比如一個旋轉的小球，順時針旋轉和逆時針旋轉，也是一種鏡像。

  而且，它們都發生在真實的空間內，而不是鏡子內。

  至此，維格納終於把這種新對稱用物理語言梳理清楚了。

  他定義為「空間鏡像對稱性」。

  但緊接著，嚴謹的維格納又發現了一個致命的問題。

  空間鏡像對稱性不符合諾特定理的定義！

  還記得諾特定理的原話嗎？

  【系統中，每個連續的對稱性，都對應著一個守恆量。】

  請注意「連續」這個詞。

  時間平移是連續的，空間平移是連續的，空間旋轉也是連續的。

  但是空間鏡像不是連續的過程！

  鏡像對稱是一邊直接換到另一邊，沒有中間過程，是間斷的。

  所以，它是不符合諾特定理的描述和證明的。

  維格納頓時有點心灰意冷。

  但已經走到這個地步了，他不想中途放棄。

  於是，他乾脆抱著試一試的心態。

  「或許這種不連續的對稱性，也能有對應的守恆量呢？」

  「總歸要試一試。」

  那麼，空間鏡像對稱到底對應什麼量的守恆呢？

  經過了深入的研究之後，維格納提出：

  「空間鏡像對稱對應【宇稱守恆】！」

  宇稱這個詞非常容易引起誤解，翻譯的不是很好。

  在中文裡，上下四方曰宇，古往今來曰宙，所以宇表示的就是空間。

  那麼宇稱，顧名思義就是指空間對稱。

  但這個內涵顯然不符合維格納的本意。

  宇稱守恆，宇稱應該是和能量、動量等類似的物理表徵量。

  但「空間對稱」這個詞顯然跟能量不太搭嘎。

  「空間對稱」守恆，怎麼聽怎麼彆扭。

  這時，如果看宇稱的英文名字，就非常好理解了。

  宇稱守恆的英文原版名字是「Parity conservation」。

  其中conservation是守恆的意思，而Parity被翻譯成了宇稱。

  但是它的本意其實是「平等、相等」，在物理里被引申為「奇偶性」。

  所以，宇稱守恆其實就是奇偶守恆。

  那麼奇偶守恆又是什麼意思呢？

  這就要用到數學的概念了。

  小學三年級我們就學過，函數有奇函數和偶函數的區別。

  如果f（-x）=f（x），那麼函數f（x）就是偶函數。

  如果f（-x）=-f（x），那麼函數f（x）就是奇函數。

  在量子力學中，波函數也是一個數學函數。

  雖然它不是常規意義上的奇函數或者偶函數，但是它有著類似的「奇偶性」。

  可以通過奇和偶來定義波函數的種類。

  前面說了，空間鏡像對稱是不連續的，所以它不符合諾特定理。

  但是維格納靈機一動，既然這種對稱是間斷的，那麼或許它適用於量子力學呢。

  畢竟量子力學就是專門研究不連續的理論。

  所以，維格納通過嚴格的數學證明後，大膽提出：

  任何兩個互為鏡像對稱的物理系統，它們裡面包含的量子的波函數的奇偶性守恆。

  即，如果系統A中波函數有偶性，那麼通過空間鏡像對稱轉換成系統B後，B中的量子的波函數同樣是偶性。

  這種守恆就是所謂的奇偶守恆，也就是宇稱守恆。

  宇稱守恆概念一經提出，立刻轟動了物理學界，維格納名聲大噪。

  物理學家們幾乎不假思索地就接受了這個理論，甚至都沒有經過實驗驗證。

  原因很簡單也很樸素。

  「大自然喜歡對稱！」

  「對稱的就是最和諧最美的！」

  後來，隨著量子力學、粒子物理的發展，物理學家的實驗手段越來越強。

  宇稱守恆果然不出所料，確實被證明是對的。

  物理學家們在引力、電磁力、強力中，都驗證了宇稱守恆現象。

  這時，大家都非常興奮。

  雖然弱力中的宇稱守恆還沒有驗證，但不用想肯定也是對的。

  如果故事只到這裡，那確實是一個皆大歡喜的結局，我們的宇宙是對稱的，和諧的。

  可惜，不是。

  不久，出現了一個小問題，困擾著眾人。

  那就是著名的【θ-τ之謎】。

  當時，物理學家通過對撞機，發現了兩種新粒子：θ粒子、τ粒子。

  研究發現，這兩種粒子的物理性質非常相似，幾乎可以說是一樣的。

  質量相同、所帶的電荷相同，甚至連壽命都是差不多的。

  因此，有人認為，θ粒子和τ粒子其實就是同一種粒子。

  但很快，一個奇怪的實驗結果否定了這種觀點。

  物理學家發現，θ粒子和τ粒子的衰變產物是不一樣的！

  θ粒子會衰變為2個粒子，而τ粒子卻衰變為3個粒子。

  很顯然，這個實驗充分說明θ粒子和τ粒子並不是同一種粒子！

  此外，物理學家還驗證了兩種粒子的奇偶性不同。

  θ粒子的衰變產物的波函數是偶性，那麼根據宇稱守恆，θ粒子的波函數應該是偶性。

  而τ粒子的衰變產物的波函數是奇性，因此，τ粒子的波函數是奇性。

  現在問題來了，兩種粒子不僅衰變產物不一樣，奇偶性也不一樣。

  按理來說，它們很明顯是不同的粒子。

  但是測量結果又顯示，兩種粒子的性質可以說完全一致，最多有一些測量上的誤差而已。

  如此匪夷所思的現象，讓當時的所有物理學家都摸不著頭腦，覺得不可思議。

  這就是所謂的「θ-τ之謎」。

  直到兩位年輕的華人物理學家對這個問題產生了興趣。

  他們就是大名鼎鼎的楊振寧和李政道。

  二人系統地梳理了整個實驗，發現了一個奇怪的點。

  那就是衰變是弱力支配的範疇。

  而根據已知的實驗，宇稱守恆在引力、電磁力、強力中都得到了驗證，卻唯獨沒有在弱力中得到驗證。

  因為物理學家們都默認，宇稱守恆在弱力中肯定也是正確的。

  年輕果然好啊！

  膽大！

  楊李二人在檢索了大量資料後，提出了一個驚人的猜想：

  「如果宇稱在弱力中並不守恆呢？」

  轟！

  這個驚世駭俗的猜想，把兩人都嚇了一跳，實在太大膽了！

  但但是如果真的承認宇稱不守恆，那麼就能完美解釋θ-τ之謎了。

  θ粒子和τ粒子其實就是同一種粒子，假設叫x粒子。

  因為宇稱在弱力下不守恆，所以當x粒子發生衰變時，產生了不同的鏡像變化，出現了兩種衰變過程。

  若x粒子衰變為2個粒子，那麼它就是θ粒子，而衰變為3個粒子，它就是τ粒子。

  邏輯簡直完美！

  當楊李二人把論文發表後，簡直掀起了物理學界的滔天巨浪！

  所有人都認為他們兩個瘋了。

  「不可能！絕對不可能！」

  就連當世的很多超級大佬們也不認可。

  他們覺得這簡直和推翻能量守恆定律一樣可笑。

  是的，在當時的物理學界，宇稱守恆和能量守恆都是顛之不破的真理。

  楊振寧李政道是誰？

  譁眾取寵！

  泡利甚至公開和人打賭，如果宇稱不守恆，他就給對方一千美元。

  不得不說，泡利的臉皮確實夠厚，不知道被打了多少次了。

  為了驗證自己的猜想，楊李二人希望找到牛逼的實驗物理學家來幫助他們，用實驗驗證。

  可惜，沒有人願意幫助兩個異想天開的華夏人。

  就在這時，一個同為華裔的女性出手了！

  她就是大名鼎鼎的吳健雄！

  同為華裔，吳健雄自然對楊李二人很有好感，鼎力相助。

  湊巧的是，當時的吳健雄正好是研究β衰變的實驗物理學家，她對這個實驗再熟悉不過了。

  於是，三人合力，研究出一個可行的實驗方案。

  科學歷史的車輪終於被華夏人轉動了！

  實驗方案聽起來非常簡單：

  首先找到一種具有放射性的粒子，然後分成兩個部分，讓其中一部分的自旋向左，另外一部分的自旋向右。

  如此一來，這兩部分粒子就滿足空間鏡像對稱。

  這時候，觀測和記錄兩邊粒子在發生β衰變時，其產生的放射線的性質是否滿足宇稱守恆。

  最後，吳健雄根據自己的經驗，選擇了鈷元素作為放射源。

  鈷元素衰變後會變成鎳元素，並釋放電子、中微子和γ射線。

  其中電子是非常友好的粒子，很容易觀測。

  因此，只要檢測放射出的電子的情況，就能完成實驗。

  方案搞定，接著就開始實驗！

  實驗最難的一步就是製作出自旋不同的兩種鈷原子。

  為此，吳建雄動用了自己的一切人脈關係，借到了當時美國最先進的低溫裝置。

  它能把鈷原子冷凍到無限接近絕對零度。

  這時候的鈷原子非常穩定。

  然後，吳建雄再利用強磁場，把其中一部分鈷原子的自旋方向極化，使其自旋相反，從而滿足鏡像對稱關係。

  實驗正式開始！

  此時，結果有兩種可能的情況。

  第一種，向左自旋的鈷原子，其放射出的電子向右自旋；向右自旋的鈷原子，其放射出的電子向左自旋。

  這說明二者的衰變行為是一樣的，宇稱守恆。

  第二種，向左自旋的鈷原子，其放射出的電子向右自旋；但向右自旋的鈷原子，其放射出的電子也向右自旋。

  這說明二者的衰變行為是不同的，宇稱不守恆。

  （奇偶和自旋的關係，大家不用了解）

  可想而知，當時楊振寧、李政道、吳健雄三人在等待實驗結果時的心情是什麼樣的。

  實驗結果出來了！

  是第二種！

  皇天不負有心人！

  他們證明了宇稱不守恆！

  那一刻，三人喜極而泣！

  當論文發表的時候，造成了物理學界的超級大地震。

  很快，不斷有其他團隊重複了吳健雄的實驗。

  實驗結果全部證明，宇稱在弱力下不守恆！

  物理學界沸騰了！

  僅僅第二年，1957年，楊振寧和李政道就因此獲得了物理諾獎。

  這放在整個諾獎的頒獎史上，都是極其罕見的速度，可見其震撼性！

  當初被所有人看不起的兩個年輕人，一躍成為當世最頂級的物理大佬，傲視群雄！

  泡利的臉順便也被打腫了。

  當時楊李二人還是華夏籍，因此這是華夏在物理學界的突破！

  但可惜的是，女中豪傑，號稱「東方居里夫人」的吳健雄卻無緣諾獎。

  不久，整個物理學界都慢慢接受了宇稱不守恆的事實。

  而宇稱不守恆其實就意味著空間鏡像並不對稱。

  至少在物理學領域的弱力下，空間鏡像並不對稱。

  這種不對稱破壞了大自然的美感。

  就好像上帝是個拙劣的畫家，又或者宇宙的創造者是個蹩腳的程式設計師。

  為什麼要在那麼和諧完美的宇宙系統中，塞了這樣一個「Bug」進來。

  於是，有部分大佬依然不甘心，想給這個bug打上一個補丁。

  朗道就是其中之一，他提出了一個極其巧妙的觀點。

  不過，那就是另外一段故事了。

  現在，讓我們再回過頭看，那個鏡子的描述。

  此時，大家應該知道，宇稱不守恆和鏡子其實沒有任何關係。

  用猜拳行為來解釋也是不對的。

  如果你非要用鏡子和猜拳來比喻，講給小學生聽，可以這樣說：

  「宇稱不守恆是指粒子在鏡子內外的運動特性不一樣！」

  「比如你出拳，鏡子裡的你也出拳，但是它的拳頭比你的小。」

  「而不是你出拳，鏡子裡出布。」

  是【同一個運動的特性】不對稱，而不是【不同的運動方式】不對稱。

  此外，還有個常見的故事是，如何向外星人解釋什麼是「左」和「右」。

  你用左手和右手肯定是不行的。

  有人說，宇稱不守恆證明了人類可以精確地定義左和右。

  額，這其實也是個誤解，純粹是文字遊戲而已。

  宇稱不守恆確實打破了對稱性，但是和左右沒什麼關係，你想怎麼定義都成。

  你當面給外星人做個鈷元素的衰變放射實驗，選擇其中的一半自旋方向，命名為左或者右都行。

  後來，物理學家將宇稱不守恆應用在大爆炸理論中，從而提出正物質比反物質多的猜想。

  而這就是現在李奇維提出的「宇宙來自於不對稱」的背後原理。

  可以說，這個猜想領先了時代幾十年。

  若干年後，眾人才會明白，這是一個多麼驚世的預言！

  它超越了時代的眼光！

  此刻，李奇維顯然不可能直接提出宇稱不守恆，那步子扯得有點太大了。

  他暫時只要提出一個猜想，開闢一個領域即可。

  最後，他大力讚揚諾特的理論，認為其代表了物理學未來發展的一個新方向。

  「從更宏觀的角度，從對稱和守恆的角度，來重新梳理物理學和這個世界。」

  「對稱很美，不對稱更美！」

  眾人無不感慨：

  「布魯斯教授太尊重女性了。」

  我擔心這本書不一定能寫到楊振寧的時代，所以把宇稱不守恆提前概述一下。畢竟它太有名了，也是楊的成名之作。

  （還有更新耶）