微中子使宇宙变得“畸形”

50年前,物理学家从美学观念出发,普遍确信宇宙中的物质世界是谐美的,在各个方面都是对称的。例如,在宇宙大尺度上星系的分布是各向同性的。微观世界中似乎也应有左右对称性:粒子自旋既可以按右手螺旋方式旋转(称为右旋),也可以按左手螺旋方式旋转(称为左旋),一个右旋的粒子如果从镜面中来看,它就变成了左旋,反之亦然人们称这种变化为空间反演变换(即空间位置矢量从r变为-r)。

微中子使宇宙变得“畸形”

物理学家用一种叫做“宇称”的物理量来描述在这种空间反演变换下粒子系统的左右对称性质:如果系统中的左旋粒子同右旋粒子数量相同,则在空间反演变换下它们的性质不变,我们说它具有正宇称;如果这群粒子全都是左旋(或右旋)的,则在空间反演变换下它们却全变为右旋(或左旋)的,我们就说它具有负宇称,实验显示,所有的强相互作用(如核子之间的相互吸引)以及电磁相互作用引起的反应过程中反应前后系统总的宇称性质不变。

于是人们就说,在反应过程中宇称是守恒的因此,在“世界是谐美对称的”观念指导下,50年前人们从来没有怀疑过“宇称守恒”原理的正确性,认为这是天经地义的规律。但是,20世纪50年代,某些有中微子参与的反应的实验现象显示了可能有一定程度的左右不对称性质。

微中子使宇宙变得“畸形”

这使得当时两位年轻的留美中国物理学家李政道和杨振宁打破旧观念,在1955年大胆地提出:在所有弱相互作用(它们都有中微子参与)过程中宇称是不守恒的,即真实的物质世界左右是不对称的,他们的预言立即被另一位留美的女物理学家吴健雄的实验所证实。这个结果使得人们对微观物理的认识在观念上有了一个突破性的转变,震惊了当时整个自然科学界,在社会上也引起了很大的反响。为此,在第二年,即1956年,李政道和杨振宁很快就被授予诺贝尔物理学奖。

微中子使宇宙变得“畸形”

​30多年以后,著名实验物理学家吴健雄被推选为美国物理学会第一位女会长。在探究了弱作用过程中宇称不守恒的本质后,人们认为,自然界本身就是不对称的,只存在左旋的中微子和右旋的反中微子。正是它们造成了在原子核衰变和其他弱作用过程的宇称不守恒现象,但是,已经发现的其他基本粒子,如质子、中子、电子、μ轻子等费米子和光子、π介子等玻色子都有左旋和右旋,而且一般情形下这两种可能性机会均等,在它们之问的强作用(交换π介子)和电磁作用(交换光子)过程中宇称是守恒的。


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