一个人在睡觉的时候,朝左侧睡或朝右侧睡,不会改变自己的性别。
这就是所谓自然规律的“宇称守恒性”。
美国于1977年发射的旅行者1号和2号,是人类飞行的最远的飞行器。在遥远的距离没有办法使用太阳能为设备做供电,所以它们携带的是一种特殊的电池,由放射性物质衰变转换为电能。
在我们的自然界,有四大作用力,除了万有引力在量子尺度会表现的非常微弱以外。其他三大力,强互作用力、弱互作用力和电磁力都是微观世界的主宰者。
原子弹的材料核裂变释放的巨大能量,来自于强互作用力。而放射性同位素电池的能量,来自于弱相互作用。
然而,弱互作用力所主导的放射性物质的衰变,有一个让所有物理学家都感到害怕的特点:“宇称不守恒”。
可以简单的理解为:人在镜像中的影像多长出来1个头,或者人体旋转180度,改变了性别!
一般的情况下,我们大家都认为在镜子外面表现出一个动作,在镜子里面所表现出来的动作虽然是相反的,但是它的规律是相同的。
也就是说,我们在镜子外面如果发射一颗子弹,那么它的运动轨迹是抛物线,在镜子里面运动轨迹也是二次曲线。
》杨振宁和李政道认为在放射性物质的衰变中,宇称并不守恒。
著名的实验物理学家吴建雄,用带有放射性的钴原子,在冷却到接近绝对零度的情况下,让原子向相反的方向自旋。
因为我们大家都知道,根据量子力学,全同粒子是不可分辨的。自旋相反的全同粒子,可以看成互为镜像。
钴60具有放射性,它通过β衰变释放出一个电子。如果宇称守恒,那么自旋方向相反的钴60原子会表现出相同的衰变特性。
结果发现:不同自旋方向的钴60原子,在进行贝塔衰变的时候,发射出来的电子数目相差巨大。
“人体旋转了180度以后,改变了性别。”
中国神话传说里有一种“照妖镜”,就是说外面的人和镜子里的人是不同的。
我们大家可以把吴建雄的实验看成是一个“照妖镜”,这样我们就不觉得神话传说里面的照妖镜有什么奇怪。
杨振宁和李政道因为发现弱互作用中宇称不守恒,而获得了1957年诺贝尔奖。
》科学之所以备受尊崇,就是因为描述了一种物质内在运动的不变性规律。
根据现代量子力学,强互作用力、弱互作用力和电磁力,可以用统一的数学形式来描述,在高能标上会统一为一个力。
正是在这种规律的指导下,人类才得以创造文明,如果自然界的运动规律时刻在改变,那么我们将面对一个无所适从的世界。
20世纪前,科学家已经知道能量守恒、动量守恒,但是并不清楚其背后的原理。
只能把它当作一种世界客观存在的必须法则。
1917年,距离爱因斯坦广义相对论发表2周年,女科学家艾米诺特证明了一个很重要的定律:诺特定律。
诺特定理的简要内容如下:如果一个数学形式经过某种变换保持形式上的不变,则必然有一个守恒流形与之相对应。
》诺特定律揭示了守恒性背后的原因~对称性。
能量守恒是因为空间的平移对称性,动量守恒是因为空间的旋转对称性。
一旦对称性被打破,则守恒性就会被打破。宇宙刚刚诞生的时候,充斥在宇宙空间中的只有能量而没有质量,当温度冷却到某些特定的程度以后,出现了对称性破缺,能量的守恒性被打破,于是能量转化为质量。
但是,宇称不守恒意味着物理规律在某种情况下可能会失效。
飞船在空中飞行,旋转180度以后,可能会莫名其妙的堕入奇异引力场。
费曼还跟别人打赌说,如果是宇称不守恒被证实,他就输掉1万美元。后来他信心不足,逐步降低赌注,最后输了50美元。
》规律的改变,意味着世界不再可以被把握。
在现实世界中有一定的概率会突然冒出来让人匪夷所思的物理现象。但是我们却对此一无所知。
很多科学家不愿意接受这样的现实,甚至还有科学家愿意为此打赌这个现象不存在。
我们大家都知道,在现实世界中,空间有三个维度,时间有一个维度。爱因斯坦把空间的3个维度和时间的1个维度,合并成了四维空间,并且以他的中学老师闵可夫斯基的名称命名为:闵氏空间。
人站在哈哈镜面前,会发现了自己的影像变了形,但是这并不代表物理学规律的改变,因为我们大家可以通过一个“变换”还原原来的影像。
所以,物理学的规律描述的是物质的运动规律在某种数学变换下的不变性。
牛顿力学描述的是:在四维时空中,物质的运动规律,在伽利略变换下的不变性。
狭义相对论描述的是:在四维时空中,物质的运动规律在洛伦兹变换下规律的不变性。
我们大家都知道时间是永不停息的流逝的,物质在世界上的存在,在闵氏四维空间中表示为一条连续的轨迹线。我们墙上挂着的时钟,记录的是这条轨迹线的长度。
》如果出现“宇称不守恒”的情况,世界线就会出现分叉或者是断点。
物体或者突然同时出现在两个时空中,或者突然从时空中消失。
这在某种程度上预示着原本单一的维度,可能其实就是有多个维度卷曲在一起组成的。就好像一面很厚的镜子,会照出人的重影来。
世界就像一个迷宫,而人类在其中探索。但是,杨振宁、李政道的发现告诉我们:“迷宫会移动”。