微中子使宇宙變得“畸形”

50年前,物理學家從美學觀念出發,普遍確信宇宙中的物質世界是諧美的,在各個方面都是對稱的。例如,在宇宙大尺度上星系的分佈是各向同性的。微觀世界中似乎也應有左右對稱性:粒子自旋既可以按右手螺旋方式旋轉(稱為右旋),也可以按左手螺旋方式旋轉(稱為左旋),一個右旋的粒子如果從鏡面中來看,它就變成了左旋,反之亦然人們稱這種變化為空間反演變換(即空間位置矢量從r變為-r)。

微中子使宇宙變得“畸形”

物理學家用一種叫做“宇稱”的物理量來描述在這種空間反演變換下粒子系統的左右對稱性質:如果系統中的左旋粒子同右旋粒子數量相同,則在空間反演變換下它們的性質不變,我們說它具有正宇稱;如果這群粒子全都是左旋(或右旋)的,則在空間反演變換下它們卻全變為右旋(或左旋)的,我們就說它具有負宇稱,實驗顯示,所有的強相互作用(如核子之間的相互吸引)以及電磁相互作用引起的反應過程中反應前後系統總的宇稱性質不變。

於是人們就說,在反應過程中宇稱是守恆的因此,在“世界是諧美對稱的”觀念指導下,50年前人們從來沒有懷疑過“宇稱守恆”原理的正確性,認為這是天經地義的規律。但是,20世紀50年代,某些有中微子參與的反應的實驗現象顯示了可能有一定程度的左右不對稱性質。

微中子使宇宙變得“畸形”

這使得當時兩位年輕的留美中國物理學家李政道和楊振寧打破舊觀念,在1955年大膽地提出:在所有弱相互作用(它們都有中微子參與)過程中宇稱是不守恆的,即真實的物質世界左右是不對稱的,他們的預言立即被另一位留美的女物理學家吳健雄的實驗所證實。這個結果使得人們對微觀物理的認識在觀念上有了一個突破性的轉變,震驚了當時整個自然科學界,在社會上也引起了很大的反響。為此,在第二年,即1956年,李政道和楊振寧很快就被授予諾貝爾物理學獎。

微中子使宇宙變得“畸形”

​30多年以後,著名實驗物理學家吳健雄被推選為美國物理學會第一位女會長。在探究了弱作用過程中宇稱不守恆的本質後,人們認為,自然界本身就是不對稱的,只存在左旋的中微子和右旋的反中微子。正是它們造成了在原子核衰變和其他弱作用過程的宇稱不守恆現象,但是,已經發現的其他基本粒子,如質子、中子、電子、μ輕子等費米子和光子、π介子等玻色子都有左旋和右旋,而且一般情形下這兩種可能性機會均等,在它們之問的強作用(交換π介子)和電磁作用(交換光子)過程中宇稱是守恆的。


分享到:


相關文章: