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问题1124

提问者:wangm

 状态:老师专题讲解 提问时间:2000-11-4 12:27:00 价值50
标题:物理前沿知识介绍----粒子照镜子,里外不一样:宇称不守恒

正文

<pre><font style="color:coral;font-size:9pt"><BR> 杨振宁、李政道和吴健雄是中国老百姓耳熟能详的名字,他们<BR>的事业巅峰和“宇称”紧紧联系在一起。<BR>  用科学家的话说,宇称是内禀宇称的简称。它是表征粒子或粒<BR>子组成的系统在空间反射下变换性质的物理量。在空间反射变换下,<BR>粒子的场量只改变一个相因子,这相因子就称为该粒子的宇称。我<BR>们也可以简单地理解为,宇称就是粒子照镜子时,镜子里的影像。<BR>以前人们根据物理界公认的对称性认为,宇称一定是守恒的。这就<BR>像有正电子,就一定有负电子一样。杨振宁教授1951年与李政道教<BR>授合作,并于1956年共同提出“弱相互作用中宇称不守恒”定律。<BR>  这个道理其实很简单。对称性反映不同物质形态在运动中的共<BR>性,而对称性的破坏才使得它们显示出各自的特性。如同建筑和图<BR>案一样,只有对称而没有它的破坏,看上去虽然很规则,但同时显<BR>得单调和呆板。只有基本上对称而又不完全对称才构成美的建筑和<BR>图案。大自然正是这样的建筑师。当大自然构造像DNA这样的大<BR>分子时,总是遵循复制的原则,将分子按照对称的螺旋结构联接在<BR>一起,而构成螺旋形结构的空间排列是全同的。但是在复制过程中,<BR>对精确对称性的细微的偏离就会在大分子单位的排列次序上产生新<BR>的可能性,从而使得那些更便于复制的样式更快地发展,形成了发<BR>育的过程。因此,对称性的破坏是事物不断发展进化,变得丰富多<BR>彩的原因。<BR>  杨振宁和李政道的亲密合作是他们取得巨大成就的基础。杨振<BR>宁对此回忆说:我1948年6月获得芝加哥大学哲学博士学位后,在<BR>密执安大学度过了那一年的夏天。秋后,我返回芝加哥大学,被聘<BR>为物理系的讲师。我一边教课,一边继续做核物理和场论方面的研<BR>究。1948年尾,李政道和我合作研究衰变及俘获,发现这些相互作<BR>用与衰变具有非常相似的强度。<BR>  李政道1946年秋到芝加哥大学当研究生。我俩早些时候在中国<BR>或许见过面,然而,只是到了芝加哥才真正彼此相识。我发现他才<BR>华出众,刻苦用功。我们相处得颇投机,很快就成了好朋友。我长<BR>他几岁,又先他几年当研究生,便尽力帮助他。后来,费米做了他<BR>的学位论文导师,但他总是转而向我寻求指导。因此,在芝加哥的<BR>岁月里,事实上我倒成了他的物理老师。<BR>  1953年,李政道到了哥伦比亚大学。为了继续合作,我们订立<BR>了相互访问的制度。我每周抽一天时间去哥伦比亚,他则每周抽一<BR>天到普林斯顿或布鲁克海文来。这种例行互访保持了6年。而这段<BR>时间我们的兴趣有时在基本粒子理论方面,有时则在统计力学方面。<BR>这是一种非常富有成果的合作,比我同其他人的合作更深入广泛。<BR>这些年里,我们彼此相互了解得如此之深,以致看来甚至能知道对<BR>方在想些什么。但是在气质、感受和趣味等诸方面,我们又很不相<BR>同,这些差异对我们的合作有所裨益。我们的交往始于1946年,这<BR>种交往是亲密的,它基于相互尊重、相互信任和相互关心。接着,<BR>迎来了1957年,以及我们的成功(双双获得诺贝尔奖)。在我同李<BR>政道做朋友的16年间,我对他就像一位兄长。这种合作对物理学的<BR>贡献良多,人们对此感到艳羡。李政道自己也断言,这种合作对他<BR>的事业和成长具有决定性的影响。<BR>  谈到杨振宁、李政道和宇称不守恒时,有一位杰出的中国女性<BR>是绝对不能忘记的,她就是吴健雄。吴健雄博士在这场美国发生的、<BR>被物理学界称之为“‘宇称不守恒’的革命”中,有着重大贡献。<BR>  杨振宁和李政道从理论上怀疑宇称律作用于基本粒子弱相互作<BR>的正确性后提出,如果在弱交换作用下,奇偶性不守恒,那么一群<BR>有向原子核的贝塔射线应呈轴向的不对称分布。两位科学家为了证<BR>明他们预言的正确性,找到了吴健雄博士。吴健雄有许多新巧的物<BR>理实验技术广泛为其他物理学家所采用,许多物理学家在实验上遭<BR>遇到困难,也会寻求她的协助。在杨李提出请求后不久,吴健雄博<BR>士就与华盛顿的美国国家标准局的阿贝尔博士商讨合作这一实验的<BR>可能性,实际工作在3个月后开始。她在极低温度(绝对零度以上<BR>0.01摄氏度)的磁场中,观测钴60衰变为镍60,及电子和反微子<BR>的弱交换作用,果然电子及反微子均不遵守宇称守恒原理。<BR>  实验成功了,吴博士证明了杨振宁和李政道的理论,推翻了物<BR>理学上屹立不移三十年之久的宇称守恒定律。这一发现,使瑞典皇<BR>家科学院立即将1957年的诺贝尔物理奖,颁发给杨振宁和李政道两<BR>位博士,因为他们指正了过去科学家所犯的严重错误,更开启基本<BR>粒子“弱交换作用”一些规则的研究,使人类对物质结构内层的认<BR>识迈进了一大步。美国作家李·伊得逊说:吴健雄博士经过了不知<BR>多少次艰辛而复杂的实验,方使杨、李二位在理论上的突破,获得<BR>了实验上的证明。吴健雄在实验中发现了电子倾向于左手旋的现象,<BR>不仅改变了物理科学中“宇称守恒”的基本信念,同时也影响到化<BR>学、生物、天文和心理学的发展。虽然吴健雄博士没有得到诺贝尔<BR>奖,但她所从事工作的重要性并不因此而降低,反而因其他荣推崇<BR>和荣誉和纷至沓来,而更显得成就辉煌。普林斯顿大学授予她荣誉<BR>哲学博士学学位时,校长郑重地宣布:吴健雄博士已充分获得被称<BR>誉为世界上最伟大物理实验学家的权利。宇称不守恒原理彻底改变<BR>了人类对对称性的认识,促成了此后几十年物理学界对对称性的关<BR>注。<BR>  三名科学家获得如此大的成绩,有一个共同点,就是热爱自己<BR>的祖国,努力从中国的文化精髓中吸取营养。<BR>  中国科学院院长、物理学家周光召教授用“使中华民族感到骄<BR>傲和自豪的伟大科学家”来概括杨振宁教授业已取得的学术成就。<BR>他说,杨振宁教授身上有着非常深厚的中国文化传统,同时他又兼<BR>融了西方文化传统中的优秀部分,将二者融汇贯通,从而形成了他<BR>治学严谨、为人朴实的独特风格,令人钦佩、堪称楷模。<BR>  1996年6月,杨振宁在接受记者采访时被问道:“您是一位享<BR>誉世界的科学家,现在又荣任中国科学院外籍院士,您怎样看待这<BR>个荣誉?”杨振宁先生沉吟片刻,动情地说:“我还是一个中国人,<BR>我非常珍视中国科学院外籍院士这个荣誉,我为此而骄傲。”一番肺<BR>腑之言,道出了这位饮誉海内外的美籍华裔物理学家深厚的中国情<BR>结――杨振宁1922年出生在安徽合肥,家学渊源,使他从小就受到<BR>很好的教育。抗战时期,他在昆明的西南联大获得理科学士学位,1944<BR>年在清华大学获得科学硕士学位。1945年冬赴美留学,1948年,获<BR>芝加哥大学物理学博士学位,后长期在美国普林斯顿高级学术研究<BR>所工作,此后又在纽约州立大学石溪分校主持理论物理研究所的工<BR>作。<BR>  近代理论物理学许多领域的发展,都与杨振宁的名字分不开。<BR>1949年,杨振宁与世界著名的物理学家费米一起,提出了基本粒子<BR>的结构模式,即费米-杨模型;与米尔斯合作,提出的规范场理论,<BR>确立了杨振宁20世纪后半叶物理学奠基人的地位;1956年,杨振<BR>宁与李政道合作,提出了弱相互作用中宇称不守恒的理论,这一重<BR>大成果冲破了当时物理学界的传统观念,促进了基本粒子理论的发<BR>展,被科学家们称之为“科学史上的转折点”,从而与李政道于1957<BR>年一同获得诺贝尔物理奖。杨振宁自始至终认为,青少年时期在国<BR>内受到中国传统文化教育的影响,对自己事业取得成就至关重要。<BR>因此,在获得诺贝尔物理奖颁奖典礼上,杨振宁讲到:“我虽然献身<BR>于现代科学,我对于我所承受的中国传统和背景引以为自豪。”<BR>  作为一个炎黄后裔,杨振宁身居美国,却情系故国。他一生追<BR>求科学真理,对科学的浓厚兴趣和饱满的热情,与他对中国的科学<BR>技术发展所倾注的关切之情是分不开的。从1971年的首次回国,到<BR>改革开放的今天,他深感祖国的日新月异的变化。如今他每年都回<BR>国讲学、访问,为加强中国与世界的科技交流、促进中国的科技发<BR>展不遗余力。对此,他说“因为同时扎根于中美两大民族的文化,<BR>因此,对增进两国间的友好和了解肩负着特别的责任”。<BR>  1994年杨振宁回国时在中国科技大学为几千名学子讲述“中国<BR>科技500年发展史”,曾感染和鼓舞了无数的学子。当记者此刻和杨<BR>振宁谈起他的一篇非常有影响力的演讲报告《现代科学进入中国的<BR>历史回顾及其前瞻》,并请他就中国的科技发展如何面对激烈的竞<BR>争、迎接21世纪的挑战这一问题谈谈看法时,杨振宁感慨而自信地<BR>说:“中国过去故步自封,落后于西方,现在却发展得很快。只有依<BR>靠科学教育,才能振兴中华。中国有数不清的优秀人才,有几千年<BR>优秀的传统,加上现在的改革开放和经济的发展,中国一定会迎头<BR>赶上。”<BR>  12年前,杨振宁访问中国时欣然写下的诗中有“尘寰动荡二百<BR>代,云水风雷变幻急;若问那山未来事,物竞天存争朝夕”。出自这<BR>位物理学家口中的诗句,分明也是他对中国腾飞之日的殷殷期待。<BR>杨振宁坚信在当今的世纪之交,伴随着中国“科教兴国”战略的实<BR>施,中国一定会迎头赶上;随着中华民族的腾飞,中国很快也会骄<BR>傲地屹立于世界科技强国之林,成为东方科学的巨子。<BR>  1997年5月25日,中国科学院和江苏省人民政府在南京举办<BR>“杨振宁星”命名大会。“杨振宁星”为国际编号3421号小行星。<BR>它是中科院紫金山天文台1975年11月26日发现的。<BR>  已经七十多岁的李政道从事物理科学研究已经五十年了,在半<BR>个世纪的科学生涯中,他以天才和勤奋在高能物理、天体物理、流<BR>体力学、统计物理,凝聚态物理和广义相对论等领域都卓有建树。<BR>从1972年起,他又以深厚的爱国情怀致力于支持祖国科学教育事业<BR>发展,积极推进中外科学交流合作,建议设立博士后制度,帮助建<BR>立完善自然科学基金制度。他倾注大量心血促成了北京正负电子对<BR>撞机的建成和运行。十年前,他倡议我国建立中国高等科学技术中<BR>心和北京现代物理研究中心。十年来,这两个中心在李政道教授的<BR>主持下,开展了大量中外学术研究交流,取得了许多重要研究成果,<BR>不断培养着高级科技人才。李政道教授这五十年,是他用自己聪明<BR>才智探求科学奥秘、为祖国和人类科学发展勤奋奉献的五十年。但<BR>是,这位功成名就年逾古稀的杰出学者始终不满足,他仍以蓬勃朝<BR>气瞩目未来,希望在即将到来的21世纪再作新的贡献。中国科学院<BR>紫金山天文台发现的、国际编号为3443号小行星已荣获国际有关机<BR>构批准,正式命名为“李政道星”。中国科学院1997年5月30日在<BR>北京隆重举行了“李政道星”命名典礼。从此,李政道的名字镶上<BR>了太空星辰,伴随着3443号小行星遨游并闪耀在宇宙星河。“李政<BR>道星”(国际编号为3443号小行星)是中国科学院紫金山天文台1979<BR>年9月26日发现的。“李政道星”沿着一个偏心率为0.3的椭圆轨<BR>道绕日运行,到太阳的平均距离为3亿5千9百万公里,绕太阳一<BR>周需3.70年。<BR>  吴健雄1934年毕业于中央大学物理系,后赴美国留学,先后获<BR>得加利福尼亚大学、普林斯顿大学、耶鲁大学、哈佛大学等院校的<BR>理学博士学位。1954年加入美国籍。1973年,她当选为美国物理学<BR>会会长,并为英国爱丁堡皇家学会荣誉会员,美国国家科学院院士、<BR>美国艺术与科学院院士。1994年,她获得全美华人杰出成就奖。<BR>  吴健雄教授一直关心中国科技事业的发展,从1973年起多次到<BR>中国探亲、访问讲学。她是北京大学、南京大学名誉教授,并在东<BR>南大学建有吴健雄实验室。1990年,南京紫金山天文台将其发现的<BR>一颗小行星命名为“吴健雄星”。1994年6月,她当选为中国科学<BR>院首批外籍院士。1997年2月16日,吴健雄教授因再次中风逝世,<BR>享年85岁。在她的丈夫、物理学家袁家骝教授等亲属的护送下,她<BR>的骨灰被安葬在她接受启蒙教育的母校──江苏苏州太仓市浏河镇<BR>明德学校新落成的“吴健雄墓园”内,实现了她魂归故里的夙愿。<BR>  在吴教授80寿诞时,袁家骝在祝寿仪式上简要介绍了吴健雄博<BR>士的简历后说,求学时期的吴健雄,对史地深感兴趣,文学造诣也<BR>不凡,其后她在物理学上有所成就,使一般人反而忽略了她在文学<BR>上的才干。当时已经退休的吴健雄博士在祝寿仪式上致词说,从事<BR>科学研究没有捷径,“基本修养就是由兴趣、观察、实验、毅力等辛<BR>苦做起”。<BR>  西方科学家称吴博士是中国的居礼夫人,也曾是诺贝尔奖得主<BR>的艾米里·肖格莱博士誉她为“垂帘听政的核子物理学女王”。<BR>  “宇称不守恒原理”的影响是深远的。许多人说:“很难想象,<BR>假若没有杨和李等的工作,今天的理论物理会是什么样子?!”<BR>1998年年末,物理学家发现首例违背时间对称性事件。欧洲原子能<BR>研究中心的科研人员发现,正负K介子在转换过程中存在时间上的<BR>不对称性。这一发现虽然有助于完善宇宙大爆炸理论,但却动摇了<BR>“基本物理定律应在时间上对称”的观点。<BR>  正如人们经常感叹那样,时光不可倒流。日常生活中,时间之<BR>箭永远只有一个朝向。老人不能变年轻,打碎的花瓶无法复原,过<BR>去与未来的界限泾渭分明。但在物理学家眼中,时间却一直被视为<BR>是可逆转的。比如说一对光子碰撞产生一个电子和一个正电子,而<BR>正负电子相遇则同样产生一对光子,这个过程都符合基本物理学定<BR>律,在时间上是对称的。如果用摄像机拍下两个过程之一然后播放,<BR>观看者将不能判断录像带是在正向还是逆向播放。从这个意义上说,<BR>时间没有了方向。<BR>  物理学上这种不辨过去与未来的特性被称为时间对称性。经典<BR>物理学定律都假定时间无方向,而且也确实在宏观世界中通过了检<BR>验。但近几十年来,物理学家一直在研究时间对称性在微观世界中<BR>是否同样适用。欧洲原子能研究中心的一个小组经过长达三年的研<BR>究最近终于获得了突破。他们的实验观测首次证明,至少在中性K<BR>介子衰变过程中,时间违背了对称性。<BR>  由来自九个国家近百名研究人员组成的这一小组在实验中研究<BR>了K介子反K介子相互转换的过程。介子是一种质量比电子大,但<BR>比质子与中子小,自旋为整数,参与强相互作用的粒子,按内部量<BR>子数可分为π介子、ρ介子和K介子等。研究人员在实验中发现,<BR>反K介子转换为K介子的速率要比其时间逆转过程、即K介子转变<BR>为反K介子来得要快。这是物理学史上首次直接观测到时间不对称<BR>现象。<BR>  现代宇宙理论曾认为,宇宙大爆炸之初应该产生等量物质和反<BR>物质,但当今的宇宙却主要为物质世界所主宰,这一现象一直让人<BR>困惑。欧洲核子中心新实验证明,反物质转化为物质的速度要快于<BR>其相反过程,因此它为宇宙中物质量为何远远超过反物质量提供了<BR>部分答案。另外,新成果对物理学基本对称定律研究也有重要意义。<BR>物理学家们一直认为,除了基本物理定律不受时间方向性影响外,<BR>物体在空间物理反射的过程以及粒子与反粒子的变换过程也应遵循<BR>对称性。时间、宇称和电荷守恒定律被认为是支撑现代物理学的基<BR>础之一。<BR>  本世纪50年代来,物理学家先后发现一些守恒定律有时并不完<BR>全满足对称性。美籍华人物理学家杨振宁和李政道曾提出弱相互作<BR>用中宇称不守恒理论并经实验证实,之后美国人詹姆斯·克罗宁和<BR>瓦尔·菲奇又发现K介子衰变过程违背宇称和电荷联合对称法则,<BR>他们都因此而获诺贝尔物理学奖。由于时间、宇称和电荷作为一个<BR>整体被认为应该守恒,物理学家们曾猜想说,时间在特定情况下会<BR>违背对称性。欧洲核子中心的成果首次证实了这一猜想。<BR>  1999年3月,科学家称直接观测证明电荷宇称定律有误。美国<BR>费米实验室宣布说,该实验室以前所未有的精度,基本“确切无疑”<BR>地证明中性K介子在衰变过程中直接违背了电荷宇称联合对称法<BR>则。这一结果被认为是物质和反物质研究领域的一项重要进展。<BR>  目前普遍接受的物理学理论认为,每一种基本粒子都有其对应<BR>的反粒子。譬如说与带负电的电子相对应,就存在质量相同、携带<BR>电荷正好相反的正电子。在反物质理论提出后,科学家们一直认为,<BR>粒子和反粒子之间在特性上存在对称,就象人们通过镜子看自己一<BR>样。这些对称特性主要包括基本物理定律不受时间方向性影响,以<BR>及空间反射下的物理过程以及粒子与反粒子的变换过程遵循对称,<BR>它们分别被称为时间、宇称和电荷守恒定律。<BR>  1964年,美国物理学家克洛宁和菲奇发现,K介子与其反物质<BR>反K介子之间违背宇称和电荷联合守恒定律。但两位物理学家主要<BR>通过K介子与反K介子的量子力学波动效应而观测到其违背电荷宇<BR>称守恒现象,因此被认为是一种间接观测。自60年代以来,世界各<BR>国物理学家也先后得出一些类似结果,但基本也都属于间接观测范<BR>畴。而要想直接证明K介子违背宇称和电荷联合守恒定律,其主要<BR>途径是研究K介子衰变为其它粒子的过程。K介子可衰变为两个介<BR>子。物理学家们曾从理论上指出,通过实验测量出一定数量K介子<BR>中有多少衰变为介子,这一比值如果不接近零,那么即可被视为直<BR>接证明了宇称和电荷联合定律不守恒。<BR>  据报道,各国科学家们近年来一直在从事K介子衰变为介子比<BR>值的测算,但所获得结果都无法被认为是确切的证明。而费米实验<BR>室所获得的最新数值结果(0.00280误差0.00041),由于其精确度<BR>比此前实验都有所提高,从而直接证明了宇称和电荷守恒定律确实<BR>有局限性。<BR>  宇称和电荷联合定律不守恒最早发现者之一、曾获1980年诺贝<BR>尔物理奖的克洛宁教授在评价费米实验室新成果时称,这是自发现<BR>违背宇称和电荷守恒定律的现象35年来,人们首次获得的有关该问<BR>题真正新的认识。普林斯顿大学教授瓦尔·菲奇说:“这个结果让人<BR>极其诧异,这是完全没有预料到的,它非常、非常有意思。”<BR>  科学家计划继续在费米实验室进行实验和计算,以验证这些最<BR>新观察结果是否确实。与此同时,如果你想知道世界为什么会是现<BR>在这个样子,答案完全就在于左右之间的差异―――你只要看看镜<BR>子就行了。</font></pre>

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