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56. 宇称为什么不守恒

已有 39 次阅读2021-4-10 14:11 |系统分类:杂谈分享到微信

56. 宇称为什么不守恒

侯工

 

1. 宇称守恒

宇称守恒理论是由德国女数学家艾米·诺特(1888-1927)提出来的。

“宇称”,就是指一个基本粒子与它的“镜像”粒子完全对称。人在照镜子时,镜中的影像和真实的自己总是具有完全的对应性,例如容貌、装扮、表情和动作都一一对应,这叫做所有性质完全相同。同样,一个基本粒子与它的“镜像”粒子的所有性质也完全相同,它们的运动规律也完全一致,这就是“宇称守恒”。

一个粒子顺时针旋转,它的镜像粒子从镜中看起来是逆时针旋转,但是这个旋转的所有定律都是相同的,因此,镜内境外的粒子是宇称守恒的。

按照诺特定理,与空间反射不变性(所谓空间反射,一般指的是镜像)对应的就是宇称守恒。也就是说,无论何时,你照镜子,镜子反映的一定是你的镜像。

现代物理将物质间的相互作用力分为四种:引力、电磁力、强力和弱力——这里漏了结构力、重力和膨胀力,应该是7种力。宇称守恒理论除了弱力在几乎所有的领域都得到了验证。在强力、电磁力和引力作用的环境中,宇称守恒理论都得到了很好的验证:粒子在这三种环境下表现出了完全的对称,例如能量守恒,速度守恒,质量守恒等(结构力、重力和膨胀力也得到验证,实际上在是6种环境中都得到了很好的验证

 

2. 宇称不守恒

其实,诺特宇称守恒理论是有条件的。在弱力条件下就不成立,因为弱力是结构力在宇宙球面上对微物质(粒子)里的一个分作用力,是专门负责分解物质的,另一个分作用力是强力,是专门负责稳定粒子的结构的,而弱力起主要作用,使粒子不断分解。

1956年,两位美籍华裔物理学家李政道和杨振宁从宇宙射线里观察到两种新的介子(质量介于质子和电子之间的粒子即不完整的质子):θ和τ。这两种介子的自旋、质量、电荷寿命等完全相同,很多人都认为它们是同一种粒子。但是,它们却具有不同的衰变模式θ衰变时会产生两个π介子,τ则衰变成三个π介子,这说明它们遵循着不同的运动规律。

假使τ和θ是不同的粒子,它们怎么会具有一模一样的质量和寿命呢?而如果承认它们是同一种粒子,二者又怎么会具有完全不一样的运动规律呢?

李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后,大胆地断言:τ和θ是完全相同的粒子(后来被称为K介子),但在弱相互作用的环境中,它们的运动规律却不一定完全相同,通俗地说,这两个相同的粒子如果互相照镜子(互为镜像)的话,它们的衰变方式在镜子里和镜子外居然不一样!用科学语言来说,“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的。

在最初,“θ-τ”粒子只是被作为一个特殊例外,人们还是不愿意放弃整体微观粒子世界的宇称守恒。此后不久,同为华裔的实验物理学家吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变,她在极低温(0.01K)下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋,把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋,这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明,这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异,而且电子放射的方向也不能互相对称。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。

李政道和杨振宁因为发现了宇称不守恒而获得诺贝尔奖。

3. 宇称为什么不守恒

 

现在关键问题是,宇称在弱力环境中为什么不守恒?

 

李政道杨振宁和吴健雄都证实了宇称不守恒,但是他们不知道宇称为什么不守恒。在不了解最小粒子之前,人们不可能正确回答这个问题。

现在回到“(1)假使τ和θ是不同的粒子,它们怎么会具有一模一样的质量和寿命呢?而如果承认它们是同一种粒子,二者又怎么会具有完全不一样的运动规律呢?”和“(2)两套装置中的钴60互为镜像,但放射出来的电子数为什么有很大差异?而且电子放射的方向也不能互相对称”这两个问题人们百思不得其解。

其实,这些都是弱力使粒子分解成为最小粒子在作怪。

最小粒子具有能量,可以运动,但没有质量,没有自旋,也没有电磁性,因此人们不可能感知它,还以为它不存在,误以为是绝对的虚无,这就是人们常说的“真空”。但事实上它是存在的,并且充满整个宇宙空间。它构成了宇宙球面,是光和力的传播介质,而且牵引着宇宙万物同步前进。

在问题(1)里,虽然τ和θ是同一种粒子,如果互为镜像,就是旋转方向相反。由于两者所含的最小粒子数相同,结构一样,所以具有一模一样的质量和寿命。但是在衰变时却是随机的。比如在观察θ衰变时会产生两个π介子τ则衰变成三个π介子,那是因为θ衰变时,其中有个π介子由于靠近球面膨胀产生的间隙,率先进一步分解了,已经分解成为最小粒子了,变得无影无踪了。同理,在问题(2)里,放射出来的电子数分解速度也不一样,有的分解快,快到已经分解成为最小粒子了,在眼前消失了,当然放射出来的电子数有很大差异了,而运动方向取决于各自分解时的状态,由于各自状态不同,电子放射的方向当然不同,而且分解速度也不一样。

这两个实验,相当于你有两只耳朵,但是镜子里只看到一只耳朵,吓你个半死,这就是宇宙玩的魔术。在弱力作用下,宇宙可以使宇称守恒变得不守恒。如果宇称总是守恒的,物质就不能分解,无法补充膨胀的球面,世界就没有变化,宇宙也就因不能运动而湮灭了。

在宇称不守恒中,虽然质量不守恒,但是物质是守恒的——最小粒子的总数是守恒的,有质量的可观测的物质(体)变成了没有质量的不可观测的最小粒子。最小粒子是物质的另一种形态。当所有物质(体)分解完毕,最小粒子一个也不少。

 

 

 

 










鸡蛋

鲜花

握手

雷人

路过

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