物理群星
1956 粒子物理

宇称不守恒

Parity Violation

镜子里的物理定律与现实并不相同——弱相互作用分得清左右,一条被视为不证自明的对称就此破碎。

当时的困境

宇称守恒说的是:把一个物理过程做镜像反射,得到的仍然是一个可能发生的物理过程。左与右在自然定律面前没有区别。

这条对称在 1950 年代被视为不证自明。理由近乎哲学:大自然凭什么偏爱一边?它已经在原子光谱和核物理里得到大量验证,写进了每一本教科书。

把它变成一个可以相乘、可以守恒的量子数的,是维格纳 1927 年的工作——正因为宇称此后三十年一直是对称性论证里最可靠的一块砖,它塌下来时的动静才那么大。

然后出现了 θ-τ 之谜。

宇宙线和加速器里找到两种介子,θ 和 τ。它们的质量测得一样,寿命测得一样,产生方式一样。所有已知性质都指向同一个粒子。

但它们的衰变方式不同:θ 衰变成两个 π 介子,τ 衰变成三个。而 π 介子的宇称是确定的(−1),所以两个 π 的末态宇称为 +1,三个 π 的末态宇称为 −1。

如果宇称守恒,母粒子的宇称必须等于末态的宇称。两个末态宇称相反,那么 θ 和 τ 必须是两种不同的粒子——两种质量寿命完全相同却互不相干的粒子,这本身就极其古怪。

1956 年 4 月的罗切斯特会议上,这个问题被反复讨论,没有出路。费曼在会上转述了一个提问:会不会宇称本身不守恒?会后他和人打赌五十比一,赌宇称守恒。

洞见时刻

1956 年夏,李政道与杨振宁做了一件别人没做的事:去查证据到底有多少。

他们把此前几十年的实验文献系统翻查了一遍,得到一个惊人的结论——

宇称守恒在强相互作用和电磁相互作用中确实被大量实验验证过,证据确凿。

而在弱相互作用中,它从来没有被检验过。一次也没有。

它之所以被普遍相信,只是因为在别的领域里成立,然后被顺手推广了过来。

(这里有一层认识论的意味:θ-τ 之谜之所以难解,不是因为数据不够,而是因为一条从未被质疑的前提。李杨做的不是新实验,而是把前提翻出来放到桌面上。)

1956 年 10 月的论文里,他们不只提出质疑,还给出了具体可做的检验方案。核心思路是找一个赝标量——一个在镜像下变号的可观测量。如果它的期望值不为零,宇称就破缺了。

其中一个方案是:把原子核的自旋极化排列整齐,看它 β 衰变放出的电子是否偏爱某个方向。自旋是轴矢量(镜像下不变号),电子动量是极矢量(镜像下变号),两者的点积就是赝标量。

泡利听说后写信打趣,说他不相信上帝是个弱左撇子,愿意押重金赌实验会给出对称的结果。

吴健雄立刻意识到这件事的分量,取消了筹划已久的远东之行。实验极难:要把钴-60 的核自旋排整齐,需要冷却到 0.01 K 附近并加磁场,而当时哥伦比亚大学没有这个低温能力。她与美国国家标准局的低温团队合作,前后做了半年。

1957 年 1 月结果公布:电子明显偏向与核自旋相反的方向,不对称度大到无法用系统误差解释。

镜子碎了。

几乎同时,同在哥伦比亚的加尔文、莱德曼与温里希用另一条路径(π→μ→e 衰变链中 μ 子的极化)独立得到同样结论,两篇论文登在《物理评论》同一期上。他们的实验只用了一个周末——莱德曼在电话里听说吴的初步结果后,改装了现成的装置。

涟漪效应

泡利事后自嘲,幸好只在信里打了赌,没有真的输掉一大笔钱。他真正震惊的不是宇称破缺,而是破缺得如此彻底——不是一点点偏差,而是最大程度的破缺。

1957 年 10 月,诺贝尔物理学奖授予李政道与杨振宁,距论文发表仅一年,是诺奖史上最快的纪录之一。吴健雄没有获奖,成为诺奖史上被反复提起的遗憾。

裂缝随即扩大。1958 年,戈德哈伯等人测出中微子的螺旋度:全都是左旋的。这不是概率上的偏好,而是绝对的——自然界里没有右旋中微子(在中微子无质量的近似下)。

对称性思想本身被改写。物理学家从此不再问”这条对称为什么成立”,而问”哪些对称、以何种方式、破缺到什么程度”。

1964 年,克罗宁、菲奇与合作者发现连 CP 联合对称(宇称加上粒子-反粒子交换)也被微弱破坏——长寿命中性 K 介子约千分之二的带电衰变落进了 CP 守恒所禁止的两 π 道,比例很小,但它不是零。萨哈罗夫 1967 年指出,CP 破坏是宇宙中物质多于反物质的必要条件之一。

如果没有它

标准模型的形状。弱相互作用的方程是按”只与左手性费米子耦合”写下的——W 玻色子只跟左旋电子、左旋夸克打交道。这个结构(所谓 V−A 理论)直接来自宇称破缺的发现。没有它,电弱统一理论无从想象。

中微子物理。中微子只有左旋这一点,是此后所有中微子实验的出发点;中微子有质量的发现(1998 年)之所以重要,部分原因就是有质量的粒子不可能只有一种手性。

我们为什么存在。宇宙大爆炸应该产生等量的物质与反物质,它们本该湮灭殆尽。今天宇宙里几乎全是物质,说明某处存在不对称。追根溯源,用的正是从 1956 年开始的这套对称破缺的思想——尽管已知的 CP 破坏量还远不足以解释观测到的物质丰度,这仍是未解的问题之一。

审美信条的终结。“自然定律必须完美对称”这条延续了两千年的直觉,被一次实验永久改写。今天的物理学里,对称性依然是最强的工具,但它是需要检验的假设,不是不证自明的前提。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.李政道与杨振宁《弱相互作用中的宇称守恒问题》,《物理评论》第 104 卷第 254 页(1956)
  2. 2.吴健雄等《β 衰变中宇称守恒的实验检验》,《物理评论》第 105 卷第 1413 页(1957)
  3. 3.加尔文、莱德曼与温里希《π 介子与 μ 子衰变中宇称守恒失效的观测》,《物理评论》第 105 卷第 1415 页(1957)——同期独立验证
  4. 4.戈德哈伯、格罗津斯与孙耀《中微子的螺旋度》,《物理评论》第 109 卷第 1015 页(1958)
  5. 5.克里斯滕森、克罗宁、菲奇与蒂尔莱《K₂⁰ 介子衰变为两个 π 介子的证据》,《物理评论快报》第 13 卷第 138 页(1964)——CP 破坏