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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970783]
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 3．上帝是个左撇子？
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我们周围的世界如此的丰富多彩，是因为对称中还有不对称。物理世界也是如此，科学奖项颁发给发现对称的人，也颁发给发现不对称的人。至少有7位学者，因为研究“不对称”而获得了诺贝尔物理学奖。这其中，我们熟知的华人学者李政道和杨振宁是第一人。
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返回头来看历史，李政道和杨振宁于1956年提出的“宇称不守恒”应该是早在1928年就在R．T．Cox等人的实验中被观察到了[35]，但当时未引起人们的注意，因为谁也没想到会有宇称不守恒的情形出现。“宇称”是量子物理中的专业名词，它与公众熟知的“镜像对称”有关。
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图5-3-1 镜像反射
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每个人都有照镜子的经验。在镜子中，你的左手变成了右手，右手变成左手。因此，对一个具体实物而言，镜像对称就是左右对称，如图5-3-1所示。如果用数学的语言描述的话，镜中所成之像对原像而言，是将三维空间中的一个坐标轴（图中的x）的方向反过来（x′＝-x）的变换，或称之为“反射变换”。因此，照镜子就是进行了一个反射变换。对二维图案来说（图5-3-1（a）），比如字母“A”，镜像对称的意思是说它在左右反射变换下保持其形状不变。但如果考虑三维物体的镜像反射变换，除了“左右”变换之外，还有一个重要的变换特征：手征性。也就是如图5-3-1（b）所示的，原像中右旋的螺丝钉，其镜像变成了左旋的螺丝钉。手征性也可以用三维空间笛卡儿坐标系3个坐标轴的相对方向来表示，如图中所示，镜像反射使右手坐标系变成了左手坐标系。
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右手坐标系是我们常用的坐标系统，就像日常生活中常见的螺丝钉，大多数都是右旋的。在图5-3-1（b）所示的右手坐标系中，如果将右手4个手指从x轴向y轴旋转弯曲，大拇指的指向正好就是z轴的方向。右旋螺钉也有类似的性质，当我们顺着右手4个手指方向，即顺时针方向，旋转右旋螺钉时，螺钉向着拇指所指的方向移动，这叫做“右手法则”。左手坐标系（或左旋螺钉）的性质则不一样，上面的说法需要反过来，将“右手法则”换成“左手法则”。
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物理中与宇称相关的反射变换，便可以定义为将右手坐标系变成左手坐标系的变换。在三维空间中实现反射变换的方法是将空间的奇数个坐标（1个或者3个）反向。为方便起见，我们仅考虑3个空间坐标轴（x，y，z）同时反向的情况，或称“空间反演”，见图5-3-2。
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图5-3-2 空间反演变换
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根据诺特定理，每一种连续对称变换都将对应一个守恒量。诺特定理也能推广到离散对称群的情况，空间反演所对应的守恒量即为“宇称”。
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粒子物理学中，根据每种粒子的波函数的空间反演变换性质，可以赋予它一个内禀的宇称量子数：偶宇称（表示为1）对应于空间反演下不变的波函数，奇宇称（-1）对应于空间反演下符号改变的波函数。多个粒子系统总的宇称，等于其组成粒子宇称之乘积。如果系统总宇称在反应过程前后保持不变，则谓“宇称守恒”，反之则为“宇称不守恒”。
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因而，实验上可以从两个方面来检验宇称守恒与否。一是直接从反应前后总宇称的变化，另一个方法则是从对称性考虑，检验在空间反演变换下，物理规律是否不变。
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刚才说过，空间反演变换不过就是从右手坐标系变换成左手坐标系，而使用右手坐标系还是左手坐标系？螺丝加工成右旋或左旋？这些似乎只是一种人为的约定，应该与大自然遵循的物理规律无关。换言之，物理规律似乎不应该以我们使用的是右手坐标系还是左手坐标系而改变。因此，在1956年之前，物理学家们都坚定地认为宇称是守恒的，亦即一切物理过程都应该遵循“宇称守恒定律”。
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不过，世界上的怪事多多，特别是在微观领域——奇怪的量子世界中，更是无奇不有。最开始让人怀疑到宇称守恒的是所谓“θ-τ之谜”。物理学家们发现，当高能质子和原子核碰撞时产生的K介子有两种完全不同的衰变方式：有时衰变成2个π介子，有时衰变成3个π介子。因为π介子的内禀宇称值为-1，所以在衰变成2个π介子的情况，总宇称是（-1）2＝＋1；而衰变成3个π介子的情况，总宇称是（-1）3＝-1。对任何物理现象的解释总是从“瞎子摸象”式的猜测开始的。物理学家们分析，如果宇称是守恒的，那么衰变之前的K介子应该是两种宇称相反的粒子：偶宇称的被称为θ，奇宇称的被称为τ。这两种粒子的其他性质，包括自旋、质量、电荷等，几乎完全一样，因此，人们总怀疑它们就是一种粒子。K介子的衰变（β）属于弱相互作用，如果把它们（θ和τ）当成是同一种粒子，就必然要否定宇称守恒，起码要否定弱相互作用中的宇称守恒。
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李政道和杨振宁首先深入研究了这个问题，他们查阅了很多有关文献及实验资料，发现在强相互作用及电磁作用中，许多实验结果以很高的精度证明宇称守恒，但对弱相互作用却缺乏强劲的实验证据。并且，在本书一开始提到的1928年R．T．Cox等人提交给美国国家科学院的实验报告中，报告了作者们在β射线的双散射实验中观察到极化方向的不对称性，这可算是弱作用宇称不守恒的最早实验证据。
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1956年6月，李政道与杨振宁在美国《物理评论》上共同发表《弱相互作用中的宇称守恒质疑》的论文[36]，认为基本粒子弱相互作用内存在“不守恒”，宣称θ和τ是两种完全相同的粒子。文章在物理界引起巨大反响，泡利强烈地表示，绝不相信上帝会是个弱左撇子，并准备投入大赌注与人打赌，不过幸亏只是口说无凭，没真正投赌注。费曼也坚信宇称守恒而与人打赌，一年后只好认输付钱，还好赌金只是50美元而已。另外一位著名的物理学家就更有意思了，研究晶体的布洛赫曾经说，如果宇称不守恒，他就把自己的帽子吃掉！后来宇称不守恒被证实之后，布洛赫便耍赖皮说自己根本没有帽子。
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李政道和杨振宁认识到，要大家承认弱作用的宇称不守恒，关键问题是实验。他们设计了几种相关的实验方法，并且自然地想到了他们的华人同胞——实验女王吴健雄。吴健雄与李政道同是哥伦比亚大学物理系的教授，是作β衰变实验的专家，她非常乐意做这个关键性的实验。当时正值1956年圣诞假日的前夕，吴健雄本来要和丈夫袁家骝一起去日内瓦参加一个学术会议，再去远东演讲旅行，并回中国家乡探亲。但她实在不愿放弃这个验证如此重要物理定律的机会，最后决定让丈夫单独去旅行，自己留下进行实验。
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1957年1月15日，《物理评论》杂志收到了吴健雄等人实验证明宇称不守恒的论文[3]。吴健雄实验的目的是检验钴-60原子衰变时的物理过程是否具有镜像对称性，如图5-3-3（a）所示。实验需要在极低温（0.01K）的条件下进行，使用强磁场把钴-60原子核的自旋方向转向左旋或右旋。图5-3-3（a）中将右旋原子核的β衰变叫做“原来实验”，左旋原子核的β衰变叫做“镜像实验”。如果β衰变中的宇称守恒的话，预料的β射线方向在图中应该向上。
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图5-3-3 （a）吴健雄的实验（b）泡利宣布宇称女士“不幸逝世”的讣文
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在吴健雄的真实实验设计中，“原来”和“镜像”这2个实验同时进行，并将宇称守恒预言的两个β射线方向左右对称安置。也就是说，如果宇称守恒成立的话，实验结果应该有左右方向相等的角分布，否则便违背了宇称守恒。最后的实验结果显示角分布的明显不对称，因而证实了弱相互作用中的宇称不守恒[37]。
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在这件事情上，“上帝鞭子”泡利又演绎出了一段有趣的故事。
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