概述
宇稱不守恆定律宇稱不守恆定律是指在弱相互作用中,互為鏡像的物質的運動不對稱.由吳健雄用鈷60驗證。科學界在1956年前一直認為宇稱守恆,也就是說一個粒子的鏡像與其本身性質完全相同.1956年,科學家發現θ和γ兩種介子的自鏇,質量,壽命,電荷等完全相同,多數人認為它們是同一種粒子,但θ衰變時產生兩個π介子,γ衰變時產生3個,，這又說明它們是不同種粒子。1956年，李政道和楊振寧在深入細緻地研究了各種因素之後，大膽地斷言：τ和θ是完全相同的同一種粒子(後來被稱為K介子)，但在弱相互作用的環境中，它們的運動規律卻不一定完全相同，通俗地說，這兩個相同的粒子如果互相照鏡
子的話，它們的衰變方式在鏡子裡和鏡子外居然不一樣！用科學語言來說，“θ-τ”粒子在弱相互用下是宇稱不守恆的.在最初，“θ-τ”粒子只是被作為一個特殊例外，人們還是不願意放棄整體微觀粒子世界的宇稱守恆。此後不久，同為華裔的實驗物理學家吳健雄用一個巧妙的實驗驗證了“宇稱不守恆”，從此，“宇稱不守恆”才真正被承認為一條具有普遍意義的基礎科學原理。吳健雄用兩套實驗裝置觀測鈷60的衰變，她在極低溫(0.01K)下用強磁場把一套裝置中的鈷60原子核自鏇方向轉向左鏇，把另一套裝置中的鈷60原子核自鏇方向轉向右鏇，這兩套裝置中的鈷60互為鏡像。實驗結果表明，這兩套裝置中的鈷60放射出來的電子數有很大差異，而且電子放射的方向也不能互相對稱。實驗結果證實了弱相互作用中的宇稱不守恆。我們可以用一個類似的例子來說明問題。假設有兩輛互為鏡像的汽車，汽車A的司機坐在左前方座位上，油門踏板在他的右腳附近；而汽車B的司機則坐在右前方座位上，油門踏板在他的左腳附近。現在，汽車A的司機順時針方向開動點火鑰匙，把汽車發動起來，並用右腳踩油門踏板，使得汽車以一定的速度向前駛去；汽車B的司機也做完全一樣的動作，只是左右交換一下——他反時針方向開動點火鑰匙，用左腳踩油門踏板，並且使踏板的傾斜程度與A保持一致。現在，汽車B將會如何運動呢？也許大多數人會認為，兩輛汽車應該以完全一樣的速度向前行駛。遺憾的是，他們犯了想當然的毛病。吳健雄的實驗證明了，在粒子世界裡，汽車B將以完全不同的速度行駛，方向也未必一致！——粒子世界就是這樣不可思議地展現了宇稱不守恆。
弱相互作用衰變-內部結構模型圖宇宙源於不守恆
宇稱不守恆的發現並不是孤立的。在微觀世界裡，基本粒子有三個基本的對稱方式：一個是粒子和反粒子互相對稱，即對於粒子和反粒子，定律是相同的，這被稱為電荷(C)對稱；一個是空間反射對稱，即同一種粒子之間互為鏡像，它們的運動規律是相同的，這叫宇稱(P)；一個是時間反演對稱，即如果我們顛倒粒子的運動方向，粒子的運動是相同的，這被稱為時間(T)對稱。這就是說，如果用反粒子代替粒子、把左換成右，以及顛倒時間的流向，那么變換後的物理過程仍遵循同樣的物理定律。但是，自從宇稱守恆定律被李政道和楊振寧打破後，科學家很快又發現，粒子和反粒子的行為並不是完全一樣的！一些科學家進而提出，可能正是由於物理定律存在輕微的不對稱，使粒子的電荷(C)不對稱，導致宇宙大爆炸之初生成的物質比反物質略多了一點點，大部分物質與反物質湮滅了，剩餘的物質才形成了我們今天所認識的世界。如果物理定律嚴格對稱，宇宙連同我們自身就都不會存在了——宇宙大爆炸之後應當誕生了數量相同的物質和反物質，但正反物質相遇後就會立即湮滅，那么，星系、地球乃至人類就都沒有機會形成了。 接下來，科學家發現連時間本身也不再具有對稱性了！可能大多數人原本就認為時光是不可倒流的。日常生活中，時間之箭永遠只有一個朝向，“逝者如斯”，老人不能變年輕，打碎的花瓶無法復原，過去與未來的界限涇渭分明。不過，在物理學家眼中，時間卻一直被視為是可逆轉的。比如說一對光子碰撞產生一個電子和一個正電子，而正負電子相遇則同樣產生一對光子，這兩個過程都符合基本物理學定律，在時間上是對稱的。如果用攝像機拍下其中一個過程然後播放，觀看者將不能判斷錄像帶是在正向還是逆向播放——從這個意義上說，時間沒有了方向。 然而，1998年年末，物理學家們卻首次在微觀世界中發現了違背時間對稱性的事件。歐洲原子能研究中心的科研人員發現，正負K介子在轉換過程中存在時間上的不對至此，粒子世界的物理規律的對稱性全部破碎了，世界從本質上被證明了是不完美的、有缺陷的。
發現過程
添加摘要，內容，圖片。楊振寧、李政道和吳健雄是中國老百姓耳熟能詳的名字，他們的事業巔峰和“宇稱”緊緊聯繫在一起。 用科學家的話說，宇稱是內稟宇稱的簡稱。它是表征粒子或粒子組成的系統在空間反射下變換性質的物理量。在空間反射變換下，粒子的場量只改變一個相因子，這相因子就稱為該粒子的宇稱。我們也可以簡單地理解為，宇稱就是粒子照鏡子時，鏡子裡的影像。以前人們根據物理界公認的對稱性認為，宇稱一定是守恆的。這就像有正電子，就一定有負電子一樣。楊振寧教授1951年與李政道教授合作，並於1956年共同提出“弱相互作用中宇稱不守恆”定律。這個道理其實很簡單。對稱性反映不同物質形態在運動中的共性，而對稱性的破壞才使得它們顯示出各自的特性。如同建築和圖案一樣，只有對稱而沒有它的破壞，看上去雖然很規則，但同時顯得單調和呆板。只有基本上對稱而又不完全對稱才構成美的建築和圖案。大自然正是這樣的建築師。當大自然構造像ＤＮＡ這樣的大分子時，總是遵循複製的原則，將分子按照對稱的螺鏇結構聯接在一起，而構成螺鏇形結構的空間排列是全同的。但是在複製過程中，對精確對稱性的細微的偏離就會在大分子單位的排列次序上產生新的可能性，從而使得那些更便於複製的樣式更快地發展，形成了發育的過程。因此，對稱性的破壞是事物不斷發展進化，變得豐富多彩的原因。 楊振寧和李政道的親密合作是他們取得巨大成就的基礎。楊振寧對此回憶說：我1948年6月獲得芝加哥大學哲學博士學位後，在密執安大學度過了那一年的夏天。秋後，我返回芝加哥大學，被聘為物理系的講師。我一邊教課，一邊繼續做核物理和場論方面的研究。1948年尾，李政道和我合作研究衰變及俘獲，發現這些相互作用與衰變具有非常相似的強度。李政道1946年秋到芝加哥大學當研究生。我倆早些時候在中國或許見過面，然而，只是到了芝加哥才真正彼此相識。我發現他才華出眾，刻苦用功。我們相處得頗投機，很快就成了好朋友。我長他幾歲，又先他幾年當研究生，便盡力幫助他。後來，費米做了他的學位論文導師，但他總是轉而向我尋求指導。因此，在芝加哥的歲月里，事實上我倒成了他的物理老師。 1953年，李政道到了哥倫比亞大學。為了繼續合作，我們訂立了相互訪問的制度。我每周抽一天時間去哥倫比亞，他則每周抽一天到普林斯頓或布魯克海文來。這種例行互訪保持了6年。而這段時間我們的興趣有時在基本粒子理論方面，有時則在統計力學方面。這是一種非常富有成果的合作，比我同其他人的合作更深入廣泛。這些年裡，我們彼此相互了解得如此之深，以致看來甚至能知道對方在想些什麼。但是在氣質、感受和趣味等諸方面，我們又很不相同，這些差異對我們的合作有所裨益。我們的交往始於1946年，這種交往是親密的，它基於相互尊重、相互信任和相互關心。接著，迎來了1957年，以及我們的成功（雙雙獲得諾貝爾獎）。在我同李政道做朋友的16年間，我對他就像一位兄長。這種合作對物理學的貢獻良多，人們對此感到艷羨。李政道自己也斷言，這種合作對他的事業和成長具有決定性的影響。 談到楊振寧、李政道和宇稱不守恆時，有一位傑出的中國女性是絕對不能忘記的，她就是吳健雄。吳健雄博士在這場美國發生的、被物理學界稱之為“‘宇稱不守恆'的革命”中，有著重大貢獻。 楊振寧和李政道從理論上懷疑宇稱律作用於基本粒子弱相互作的正確性後提出，如果在弱交換作用下，奇偶性不守恆，那么一群有向原子核的貝塔射線應呈軸向的不對稱分布。兩位科學家為了證明他們預言的正確性，找到了吳健雄博士。吳健雄有許多新巧的物理實驗技術廣泛為其他物理學家所採用，許多物理學家在實驗上遭遇到困難，也會尋求她的協助。在楊李提出請求後不久，吳健雄博士就與華盛頓的美國國家標準局的阿貝爾博士商討合作這一實驗的可能性，實際工作在3個月後開始。她在極低溫度（絕對零度以上0.01攝氏度）的磁場中，觀測鈷60衰變為鎳60，及電子和反微子的弱交換作用，果然電子及反微子均不遵守宇稱守恆原理。實驗成功了，吳博士證明了楊振寧和李政道的理論，推翻了物理學上屹立不移三十年之久的守宇稱恆定律。這一發現，使瑞典皇家科學院立即將1957年的諾貝爾物理獎，頒發給楊振寧和李政道兩位博士，因為他們指正了過去科學家所犯的嚴重錯誤，更開啟基本粒子“弱交換作用”一些規則的研究，使人類對物質結構內層的認識邁進了一大步。美國作家李·伊得遜說：吳健雄博士經過了不知多少次艱辛而複雜的實驗，方使楊、李二位在理論上的突破，獲得了實驗上的證明。吳健雄在實驗中發現了電子傾向於左手鏇的現象，不僅改變了物理科學中“宇稱守恆”的基本信念，同時也影響到化學、生物、天文和心理學的發展。雖然吳健雄博士沒有得到諾貝爾獎，但她所從事工作的重要性並不因此而降低，反而因其他榮推崇和榮譽和紛至沓來，而更顯得成就輝煌。普林斯頓大學授予她榮譽哲學博士學學位時，校長鄭重地宣布：吳健雄博士已充分獲得被稱譽為世界上最偉大物理實驗學家的權利。宇稱不守恆原理徹底改變了人類對對稱性的認識，促成了此後幾十年物理學界對對稱性的關注。
發現人物
三名科學家獲得如此大的成績，有一個共同點，就是熱愛自己的祖國，努力從中國的文化精髓中吸取營養。 中國科學院院長、物理學家周光召教授用“使中華民族感到驕傲和自豪的偉大科學家”來概括楊振寧教授業已取得的學術成就。他說，楊振寧教授身上有著非常深厚的中國文化傳統，同時他又兼融了西方文化傳統中的優秀部分，將二者融會貫通，從而形成了他治學嚴謹、為人樸實的獨特風格，令人欽佩、堪稱楷模。 1996年6月，楊振寧在接受記者採訪時被問道：“您是一位享譽世界的科學家，現在又榮任中國科學院外籍院士，您怎樣看待這個榮譽？”楊振寧先生沉吟片刻，動情地說：“我還是一個中國人，我非常珍視中國科學院外籍院士這個榮譽，我為此而驕傲。”一番肺腑之言，道出了這位飲譽海內外的美籍華裔物理學家深厚的中國情結――楊振寧1922年出生在安徽合肥，家學淵源，使他從小就受到很好的教育。抗戰時期，他在昆明的西南聯大獲得理科學士學位，1944年在清華大學獲得科學碩士學位。1945年冬赴美留學，1948年，獲芝加哥大學物理學博士學位，後長期在美國普林斯頓高級學術研究所工作，此後又在紐約州立大學石溪分校主持理論物理研究所的工作。近代理論物理學許多領域的發展，都與楊振寧的名字分不開。1949年，楊振寧與世界著名的物理學家費米一起，提出了基本粒子的結構模式，即費米－楊模型；與米爾斯合作，提出的規範場理論，確立了楊振寧20世紀後半葉物理學奠基人的地位；1956年，楊振寧與李政道合作，提出了弱相互作用中宇稱不守恆的理論，這一重大成果衝破了當時物理學界的傳統觀念，促進了基本粒子理論的發展，被科學家們稱之為“科學史上的轉折點”，從而與李政道於1957年一同獲得諾貝爾物理獎。楊振寧自始至終認為，青少年時期在國內受到中國傳統文化教育的影響，對自己事業取得成就至關重要。因此，在獲得諾貝爾物理獎頒獎典禮上，楊振寧講到：“我雖然獻身於現代科學，我對於我所承受的中國傳統和背景引以為自豪。”作為一個炎黃後裔，楊振寧身居美國，卻情系故國。他一生追求科學真理，對科學的濃厚興趣和飽滿的熱情，與他對中國的科學技術發展所傾注的關切之情是分不開的。從1971年的首次回國，到改革開放的今天，他深感祖國的日新月異的變化。如今他每年都回國講學、訪問，為加強中國與世界的科技交流、促進中國的科技發展不遺餘力。對此，他說“因為同時紮根於中美兩大民族的文化，因此，對增進兩國間的友好和了解肩負著特別的責任”。 1994年楊振寧回國時在中國科技大學為幾千名學子講述“中國科技500年發展史”，曾感染和鼓舞了無數的學子。當記者此刻和楊振寧談起他的一篇非常有影響力的演講報告《現代科學進入中國的歷史回顧及其前瞻》，並請他就中國的科技發展如何面對激烈的競爭、迎接21世紀的挑戰這一問題談談看法時，楊振寧感慨而自信地說：“中國過去故步自封，落後於西方，現在卻發展得很快。只有依靠科學教育，才能振興中華。中國有數不清的優秀人才，有幾千年優秀的傳統，加上現在的改革開放和經濟的發展，中國一定會迎頭趕上。” 12年前，楊振寧訪問中國時欣然寫下的詩中有“塵寰動盪二百代，雲水風雷變幻急；若問那山未來事，物競天存爭朝夕”。出自這位物理學家口中的詩句，分明也是他對中國騰飛之日的殷殷期待。楊振寧堅信在當今的世紀之交，伴隨著中國“科教興國”戰略的實施，中國一定會迎頭趕上；隨著中華民族的騰飛，中國很快也會驕傲地屹立於世界科技強國之林，成為東方科學的巨子。1997年5月25日，中國科學院和江蘇省人民政府在南京舉辦“楊振寧星”命名大會。“楊振寧星”為國際編號3421號小行星。它是中科院紫金山天文台1975年11月26日發現的。 已經七十多歲的李政道從事物理科學研究已經五十年了，在半個世紀的科學生涯中，他以天才和勤奮在高能物理、天體物理、流體力學、統計物理，凝聚態物理和廣義相對論等領域都卓有建樹。從1972年起，他又以深厚的愛國情懷致力於支持祖國科學教育事業發展，積極推進中外科學交流合作，建議設立博士後制度，幫助建立完善自然科學基金制度。他傾注大量心血促成了北京正負電子對撞機的建成和運行。十年前，他倡議我國建立中國高等科學技術中心和北京現代物理研究中心。十年來，這兩個中心在李政道教授的主持下，開展了大量中外學術研究交流，取得了許多重要研究成果，不斷培養著高級科技人才。李政道教授這五十年，是他用自己聰明才智探求科學奧秘、為祖國和人類科學發展勤奮奉獻的五十年。但是，這位功成名就年逾古稀的傑出學者始終不滿足，他仍以蓬勃朝氣矚目未來，希望在即將到來的21世紀再作新的貢獻。中國科學院紫金山天文台發現的、國際編號為3443號小行星已榮獲國際有關機構批准，正式命名為“李政道星”。中國科學院1997年5月30日在北京隆重舉行了“李政道星”命名典禮。從此，李政道的名字鑲上了太空星辰，伴隨著3443號小行星遨遊並閃耀在宇宙星河。“李政道星”（國際編號為3443號小行星）是中國科學院紫金山天文台1979年9月26日發現的。“李政道星”沿著一個偏心率為0.3的橢圓軌道繞日運行，到太陽的平均距離為3億5千9百萬公里，繞太陽一周需3.70年。吳健雄1934年畢業於中央大學物理系，後赴美國留學，先後獲得加利福尼亞大學、普林斯頓大學、耶魯大學、哈佛大學等院校的理學博士學位。1954年加入美國籍。1973年，她當選為美國物理學會會長，並為英國愛丁堡皇家學會榮譽會員，美國國家科學院院士、美國藝術與科學院院士。1994年，她獲得全美華人傑出成就獎。 吳健雄教授一直關心中國科技事業的發展，從1973年起多次到中國探親、訪問講學。她是北京大學、南京大學名譽教授，並在東南大學建有吳健雄實驗室。1990年，南京紫金山天文台將其發現的一顆小行星命名為“吳健雄星”。1994年6月，她當選為中國科學院首批外籍院士。1997年2月16日，吳健雄教授因再次中風逝世，享年85歲。在她的丈夫、物理學家袁家騮教授等親屬的護送下，她的骨灰被安葬在她接受啟蒙教育的母校──江蘇蘇州太倉市瀏河鎮明德學校新落成的“吳健雄墓園”內，實現了她魂歸故里的夙願。在吳教授80壽誕時，袁家騮在祝壽儀式上簡要介紹了吳健雄博士的簡歷後說，求學時期的吳健雄，對史地深感興趣，文學造詣也不凡，其後她在物理學上有所成就，使一般人反而忽略了她在文學上的才幹。當時已經退休的吳健雄博士在祝壽儀式上致詞說，從事科學研究沒有捷徑，“基本修養就是由興趣、觀察、實驗、毅力等辛苦做起”。 西方科學家稱吳博士是中國的居里夫人，也曾是諾貝爾獎得主的艾米里·肖格萊博士譽她為“垂簾聽政的核子物理學女王”。
影響
“宇稱不守恆原理”的影響是深遠的。許多人說：“很難想像，假若沒有楊和李等的工作，今天的理論物理會是什麼樣子？！”1998年年末，物理學家發現首例違背時間對稱性事件。歐洲原子能研究中心的科研人員發現，正負Ｋ介子在轉換過程中存在時間上的不對稱性。這一發現雖然有助於完善宇宙大爆炸理論，但卻動搖了“基本物理定律應在時間上對稱”的觀點。 正如人們經常感嘆那樣，時光不可倒流。日常生活中，時間之箭永遠只有一個朝向。老人不能變年輕，打碎的花瓶無法復原，過去與未來的界限涇渭分明。但在物理學家眼中，時間卻一直被視為是可逆轉的。比如說一對光子碰撞產生一個電子和一個正電子，而正負電子相遇則同樣產生一對光子，這個過程都符合基本物理學定律，在時間上是對稱的。如果用攝像機拍下兩個過程之一然後播放，觀看者將不能判斷錄像帶是在正向還是逆向播放。從這個意義上說，時間沒有了方向。 物理學上這種不辨過去與未來的特性被稱為時間對稱性。經典物理學定律都假定時間無方向，而且也確實在巨觀世界中通過了檢驗。但近幾十年來，物理學家一直在研究時間對稱性在微觀世界中是否同樣適用。歐洲原子能研究中心的一個小組經過長達三年的研究最近終於獲得了突破。他們的實驗觀測首次證明，至少在中性Ｋ介子衰變過程中，時間違背了對稱性。 由來自九個國家近百名研究人員組成的這一小組在實驗中研究了Ｋ介子反Ｋ介子相互轉換的過程。介子是一種質量比電子大，但比質子與中子小，自鏇為整數，參與強相互作用的粒子，按內部量子數可分為π介子、ρ介子和Ｋ介子等。研究人員在實驗中發現，反Ｋ介子轉換為Ｋ介子的速率要比其時間逆轉過程、即Ｋ介子轉變為反Ｋ介子來得要快。這是物理學史上首次直接觀測到時間不對稱現象。 現代宇宙理論曾認為，宇宙大爆炸之初應該產生等量物質和反物質，但當今的宇宙卻主要為物質世界所主宰，這一現象一直讓人困惑。歐洲核子中心新實驗證明，反物質轉化為物質的速度要快於其相反過程，因此它為宇宙中物質量為何遠遠超過反物質量提供了部分答案。另外，新成果對物理學基本對稱定律研究也有重要意義。物理學家們一直認為，除了基本物理定律不受時間方向性影響外，物體在空間物理反射的過程以及粒子與反粒子的變換過程也應遵循對稱性。時間、宇稱和電荷守恆定律被認為是支撐現代物理學的基礎之一。本世紀50年代來，物理學家先後發現一些守恆定律有時並不完全滿足對稱性。美籍華人物理學家楊振寧和李政道曾提出弱相互作用中宇稱不守恆理論並經實驗證實，之後美國人詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇又發現Ｋ介子衰變過程違背宇稱和電荷聯合對稱法則，他們都因此而獲諾貝爾物理學獎。由於時間、宇稱和電荷作為一個整體被認為應該守恆，物理學家們曾猜想說，時間在特定情況下會違背對稱性。歐洲核子中心的成果首次證實了這一猜想。 1999年3月，科學家稱直接觀測證明電荷宇稱定律有誤。美國費米實驗室宣布說，該實驗室以前所未有的精度，基本“確切無疑”地證明中性Ｋ介子在衰變過程中直接違背了電荷宇稱聯合對稱法則。這一結果被認為是物質和反物質研究領域的一項重要進展。 目前普遍接受的物理學理論認為，每一種基本粒子都有其對應的反粒子。譬如說與帶負電的電子相對應，就存在質量相同、攜帶電荷正好相反的正電子。在反物質理論提出後，科學家們一直認為，粒子和反粒子之間在特性上存在對稱，就象人們通過鏡子看自己一樣。這些對稱特性主要包括基本物理定律不受時間方向性影響，以及空間反射下的物理過程以及粒子與反粒子的變換過程遵循對稱，它們分別被稱為時間、宇稱和電荷守恆定律。 1964年，美國物理學家克洛寧和菲奇發現，Ｋ介子與其反物質反Ｋ介子之間違背宇稱和電荷聯合守恆定律。但兩位物理學家主要通過Ｋ介子與反Ｋ介子的量子力學波動效應而觀測到其違背電荷宇稱守恆現象，因此被認為是一種間接觀測。自60年代以來，世界各國物理學家也先後得出一些類似結果，但基本也都屬於間接觀測範疇。而要想直接證明Ｋ介子違背宇稱和電荷聯合守恆定律，其主要途徑是研究Ｋ介子衰變為其它粒子的過程。Ｋ介子可衰變為兩個介子。物理學家們曾從理論上指出，通過實驗測量出一定數量Ｋ介子中有多少衰變為介子，這一比值如果不接近零，那么即可被視為據報導，各國科學家們近年來一直在從事Ｋ介子衰變為介子比值的測算，但所獲得結果都無法被認為是確切的證明。而費米實驗室所獲得的最新數值結果（0.00280誤差0.00041），由於其精確度比此前實驗都有所提高，從而直接證明了宇稱和電荷守恆定律確實有局限性。 宇稱和電荷聯合定律不守恆最早發現者之一、曾獲1980年諾貝爾物理獎的克洛寧教授在評價費米實驗室新成果時稱，這是自發現違背宇稱和電荷守恆定律的現象35年來，人們首次獲得的有關該問題真正新的認識。普林斯頓大學教授瓦爾·菲奇說：“這個結果讓人極其詫異，這是完全沒有預料到的，它非常、非常有意思。” 科學家計畫繼續在費米實驗室進行實驗和計算，以驗證這些最新觀察結果是否確實。與此同時，如果你想知道世界為什麼會是現在這個樣子，答案完全就在於左右之間的差異―――你只要看看鏡子就行了。
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