当李奇维提出“宇宙来源于不对称”时,所有人都觉得不可思议。
这个世界上确实有很多不对称的现象。
比如人的外形虽然对称,但内脏是不对称的,人只有一个心脏,还存在于左半部分身体。
星球也不是标准的圆球,而是有一点“椭圆形”。
但是在物理学领域,对称的概念,不仅仅只是“对折”那么简单。
物理学家们在乎的是更本质更底层的对称。
时间对称、空间对称等。
对称是框架,不对称是细节!
只要框架对了,细节怎么样都无所谓。
所以,虽然诺特的论文在物理大佬们看来,没啥值得讨论的,但是它的正确性是毋庸置疑的。
而且诺特还把守恒跟对称联系在一起,也算是开拓创新了。
但也仅仅如此了。
可是,如果你非要震惊学界,震惊大佬,该怎么做呢?
物以稀为贵,这句话放在物理研究领域同样适用。
对称、守恒,物理学家觉得是理所应当的,自然界就是这样的。
但若是你提出“不对称、不守恒”,那绝对能惊爆眼球!
当所有人高呼宇宙对称的时候,李奇维突然说“不对称”。
造成的轰动可想而知!
此刻,会场沸腾了!
所有人震撼不已,激烈地讨论着。
“我觉得布鲁斯教授的这个猜想太大胆了!”
“如果没有对称性,世界早就乱套了。”
“相比第二种猜想,我还是觉得第一种猜想更合理。”
“......”
普朗克、爱因斯坦等大佬们,也在兴奋地交流着。
不过,他们倒是没有第一时间反对,而是保持着谨慎的态度。
毕竟量子力学发展到现在,已经颠覆了太多所谓的常识和直觉了。
这个世界的本质到底是什么,没人敢拍着胸脯保证。
“也许宇宙在某个东西上就是不对称的。”
李奇维看着众人各种各样的表情,心中感慨。
由诺特定理发展而出的,有一个大名鼎鼎的概念:宇称不守恒!
在后世,很多人都听过这个名词,但是100人里面恐怕都没有一个人能清楚知道它到底是什么。
因为绝大多数关于它的科普内容都是错的。
提到宇称不守恒,就不得不提华夏的两大绝世天骄:杨振宁和李政道。
真实历史上,诺特在发表诺特定理,提出守恒量和对称性的关系后,在物理学界的影响不是很大。
因为当时连量子力学都没有发展起来呢,物理学家们找不到该定律的作用。
但是,依然有一小部分物理学家愿意研究这个小众的领域。
维格纳就是其中之一。
在见识到妹婿狄拉克的绝世天资后,维格纳意识到,量子力学的主流内容已经被那些变态们给霸占完了。
普通物理学家只能蹲在下面可怜兮兮地喝汤。
因此,他决定另辟蹊径。
诺特定理已经证明,守恒必然来源于对称。
而且诺特还给出了三个例子。
时间平移对称→能量守恒;
空间平移对称→动量守恒;
空间旋转对称→角动量守恒。
所以,维格纳就想,如果自己能发现一个全新的对称,那岂不是就能提出一个全新的守恒定律?
这绝对是能震惊物理学界的成果!
说干就干!
他还要震惊冯·诺依曼呢!
但是,对称这玩意可不是那么好发现的。
诺特定理中,已经把时间、空间都涉及了,还有什么其它对称吗?
维格纳确实有物理天赋,而且他的运气还很好。
有一天,他在照镜子的时候,看到自己的帅脸,突发奇想:
“咦,镜子中的我和镜子外的我,不也是一种对称吗?”
“镜像对称!”
哗!
犹如醍醐灌顶一般,维格纳激动地手舞足蹈。
他发现了一种新的空间对称!
不,应该说不是他发现,而是他想到了。
毕竟,镜像对称这玩意不是啥新东西,在化学分子领域太常见了。
即便如此,至少目前还没有人研究过这种对称性在物理学中的意义。
维格纳仿佛已经看见诺奖在招手,各个大学争相邀请他担任教授的美好未来了。
镜像对称怎么理解呢?
如果有一面镜子,一个物理过程发生在镜子外,那么镜子内的过程应该也是同样的结果。
比如你在镜子外抛出一个苹果,然后落地,那么镜子内的苹果同样会落地,而不是飞上天。
后世,很多科普号就是用类似以上的例子来解释“宇称不守恒”的。
听起来特别形象易懂。
比如你和镜子里的自己猜拳,你出拳,镜子里的你却出了布。
这就是所谓的宇称不守恒。
这时,你肯定会觉得:
“哇,好腻害!我竟然听懂了哎!”
可惜,这种比喻是错的!
其内涵也是错的!
维格纳是个严谨且有天赋的物理学家,他立刻就意识到,镜像对称只是一种形象的比喻而已。
因为镜子中的世界并不是真正的世界!
不管是时间平移,还是空间平移,又或者是空间旋转,这些过程都是发生在真实世界中的。
你第一天在三楼做实验,第二天还是在三楼做实验,两次都是在同一个世界。
但镜子内外却截然不同!
所以,维格纳必须想办法,把镜像对称这种形式转换成严格的【物理语言】。
即让这个对称过程,发生在真实世界中。
他仔细研究后发现,所谓的镜像对称可以这样理解:
“在一个物理系统里,其中所有向量的方向,都根据镜像对称的方式,翻转过来。”
“那么此时,整个物理系统就全部反过来了。”
“系统的所有过程左右相反,但其它方面保持不变。”
就好比人的左右手,就是镜像的。
又比如一个旋转的小球,顺时针旋转和逆时针旋转,也是一种镜像。
而且,它们都发生在真实的空间内,而不是镜子内。
至此,维格纳终于把这种新对称用物理语言梳理清楚了。
他定义为“空间镜像对称性”。
但紧接着,严谨的维格纳又发现了一个致命的问题。
空间镜像对称性不符合诺特定理的定义!
还记得诺特定理的原话吗?
【系统中,每个连续的对称性,都对应着一个守恒量。】
请注意“连续”这个词。
时间平移是连续的,空间平移是连续的,空间旋转也是连续的。
但是空间镜像不是连续的过程!
镜像对称是一边直接换到另一边,没有中间过程,是间断的。
所以,它是不符合诺特定理的描述和证明的。
维格纳顿时有点心灰意冷。
但已经走到这个地步了,他不想中途放弃。
于是,他干脆抱着试一试的心态。
“或许这种不连续的对称性,也能有对应的守恒量呢?”
“总归要试一试。”
那么,空间镜像对称到底对应什么量的守恒呢?
经过了深入的研究之后,维格纳提出:
“空间镜像对称对应【宇称守恒】!”
宇称这个词非常容易引起误解,翻译的不是很好。
在中文里,上下四方曰宇,古往今来曰宙,所以宇表示的就是空间。
那么宇称,顾名思义就是指空间对称。
但这个内涵显然不符合维格纳的本意。
宇称守恒,宇称应该是和能量、动量等类似的物理表征量。
但“空间对称”这个词显然跟能量不太搭嘎。
“空间对称”守恒,怎么听怎么别扭。
这时,如果看宇称的英文名字,就非常好理解了。
宇称守恒的英文原版名字是“Parity conservation”。
其中conservation是守恒的意思,而Parity被翻译成了宇称。
但是它的本意其实是“平等、相等”,在物理里被引申为“奇偶性”。
所以,宇称守恒其实就是奇偶守恒。
那么奇偶守恒又是什么意思呢?
这就要用到数学的概念了。
小学三年级我们就学过,函数有奇函数和偶函数的区别。
如果f(-x)=f(x),那么函数f(x)就是偶函数。
如果f(-x)=-f(x),那么函数f(x)就是奇函数。
在量子力学中,波函数也是一个数学函数。
虽然它不是常规意义上的奇函数或者偶函数,但是它有着类似的“奇偶性”。
可以通过奇和偶来定义波函数的种类。
前面说了,空间镜像对称是不连续的,所以它不符合诺特定理。
但是维格纳灵机一动,既然这种对称是间断的,那么或许它适用于量子力学呢。
毕竟量子力学就是专门研究不连续的理论。
所以,维格纳通过严格的数学证明后,大胆提出:
任何两个互为镜像对称的物理系统,它们里面包含的量子的波函数的奇偶性守恒。
即,如果系统A中波函数有偶性,那么通过空间镜像对称转换成系统B后,B中的量子的波函数同样是偶性。
这种守恒就是所谓的奇偶守恒,也就是宇称守恒。
宇称守恒概念一经提出,立刻轰动了物理学界,维格纳名声大噪。
物理学家们几乎不假思索地就接受了这个理论,甚至都没有经过实验验证。
原因很简单也很朴素。
“大自然喜欢对称!”
“对称的就是最和谐最美的!”
后来,随着量子力学、粒子物理的发展,物理学家的实验手段越来越强。
宇称守恒果然不出所料,确实被证明是对的。
物理学家们在引力、电磁力、强力中,都验证了宇称守恒现象。
这时,大家都非常兴奋。
虽然弱力中的宇称守恒还没有验证,但不用想肯定也是对的。
如果故事只到这里,那确实是一个皆大欢喜的结局,我们的宇宙是对称的,和谐的。
可惜,不是。
不久,出现了一个小问题,困扰着众人。
那就是著名的【θ-τ之谜】。
当时,物理学家通过对撞机,发现了两种新粒子:θ粒子、τ粒子。
研究发现,这两种粒子的物理性质非常相似,几乎可以说是一样的。
质量相同、所带的电荷相同,甚至连寿命都是差不多的。
因此,有人认为,θ粒子和τ粒子其实就是同一种粒子。
但很快,一个奇怪的实验结果否定了这种观点。
物理学家发现,θ粒子和τ粒子的衰变产物是不一样的!
θ粒子会衰变为2个粒子,而τ粒子却衰变为3个粒子。
很显然,这个实验充分说明θ粒子和τ粒子并不是同一种粒子!
此外,物理学家还验证了两种粒子的奇偶性不同。
θ粒子的衰变产物的波函数是偶性,那么根据宇称守恒,θ粒子的波函数应该是偶性。
而τ粒子的衰变产物的波函数是奇性,因此,τ粒子的波函数是奇性。
现在问题来了,两种粒子不仅衰变产物不一样,奇偶性也不一样。
按理来说,它们很明显是不同的粒子。
但是测量结果又显示,两种粒子的性质可以说完全一致,最多有一些测量上的误差而已。
如此匪夷所思的现象,让当时的所有物理学家都摸不着头脑,觉得不可思议。
这就是所谓的“θ-τ之谜”。
直到两位年轻的华人物理学家对这个问题产生了兴趣。
他们就是大名鼎鼎的杨振宁和李政道。
二人系统地梳理了整个实验,发现了一个奇怪的点。
那就是衰变是弱力支配的范畴。
而根据已知的实验,宇称守恒在引力、电磁力、强力中都得到了验证,却唯独没有在弱力中得到验证。
因为物理学家们都默认,宇称守恒在弱力中肯定也是正确的。
年轻果然好啊!
胆大!
杨李二人在检索了大量资料后,提出了一个惊人的猜想:
“如果宇称在弱力中并不守恒呢?”
轰!
这个惊世骇俗的猜想,把两人都吓了一跳,实在太大胆了!
但但是如果真的承认宇称不守恒,那么就能完美解释θ-τ之谜了。
θ粒子和τ粒子其实就是同一种粒子,假设叫x粒子。
因为宇称在弱力下不守恒,所以当x粒子发生衰变时,产生了不同的镜像变化,出现了两种衰变过程。
若x粒子衰变为2个粒子,那么它就是θ粒子,而衰变为3个粒子,它就是τ粒子。
逻辑简直完美!
当杨李二人把论文发表后,简直掀起了物理学界的滔天巨浪!
所有人都认为他们两个疯了。
“不可能!绝对不可能!”
就连当世的很多超级大佬们也不认可。
他们觉得这简直和推翻能量守恒定律一样可笑。
是的,在当时的物理学界,宇称守恒和能量守恒都是颠之不破的真理。
杨振宁李政道是谁?
哗众取宠!
泡利甚至公开和人打赌,如果宇称不守恒,他就给对方一千美元。
不得不说,泡利的脸皮确实够厚,不知道被打了多少次了。
为了验证自己的猜想,杨李二人希望找到牛逼的实验物理学家来帮助他们,用实验验证。
可惜,没有人愿意帮助两个异想天开的华夏人。
就在这时,一个同为华裔的女性出手了!
她就是大名鼎鼎的吴健雄!
同为华裔,吴健雄自然对杨李二人很有好感,鼎力相助。
凑巧的是,当时的吴健雄正好是研究β衰变的实验物理学家,她对这个实验再熟悉不过了。
于是,三人合力,研究出一个可行的实验方案。
科学历史的车轮终于被华夏人转动了!
实验方案听起来非常简单:
首先找到一种具有放射性的粒子,然后分成两个部分,让其中一部分的自旋向左,另外一部分的自旋向右。
如此一来,这两部分粒子就满足空间镜像对称。
这时候,观测和记录两边粒子在发生β衰变时,其产生的放射线的性质是否满足宇称守恒。
最后,吴健雄根据自己的经验,选择了钴元素作为放射源。
钴元素衰变后会变成镍元素,并释放电子、中微子和γ射线。
其中电子是非常友好的粒子,很容易观测。
因此,只要检测放射出的电子的情况,就能完成实验。
方案搞定,接着就开始实验!
实验最难的一步就是制作出自旋不同的两种钴原子。
为此,吴建雄动用了自己的一切人脉关系,借到了当时美国最先进的低温装置。
它能把钴原子冷冻到无限接近绝对零度。
这时候的钴原子非常稳定。
然后,吴建雄再利用强磁场,把其中一部分钴原子的自旋方向极化,使其自旋相反,从而满足镜像对称关系。
实验正式开始!
此时,结果有两种可能的情况。
第一种,向左自旋的钴原子,其放射出的电子向右自旋;向右自旋的钴原子,其放射出的电子向左自旋。
这说明二者的衰变行为是一样的,宇称守恒。
第二种,向左自旋的钴原子,其放射出的电子向右自旋;但向右自旋的钴原子,其放射出的电子也向右自旋。
这说明二者的衰变行为是不同的,宇称不守恒。
(奇偶和自旋的关系,大家不用了解)
可想而知,当时杨振宁、李政道、吴健雄三人在等待实验结果时的心情是什么样的。
实验结果出来了!
是第二种!
皇天不负有心人!
他们证明了宇称不守恒!
那一刻,三人喜极而泣!
当论文发表的时候,造成了物理学界的超级大地震。
很快,不断有其他团队重复了吴健雄的实验。
实验结果全部证明,宇称在弱力下不守恒!
物理学界沸腾了!
仅仅第二年,1957年,杨振宁和李政道就因此获得了物理诺奖。
这放在整个诺奖的颁奖史上,都是极其罕见的速度,可见其震撼性!
当初被所有人看不起的两个年轻人,一跃成为当世最顶级的物理大佬,傲视群雄!
泡利的脸顺便也被打肿了。
当时杨李二人还是华夏籍,因此这是华夏在物理学界的突破!
但可惜的是,女中豪杰,号称“东方居里夫人”的吴健雄却无缘诺奖。
不久,整个物理学界都慢慢接受了宇称不守恒的事实。
而宇称不守恒其实就意味着空间镜像并不对称。
至少在物理学领域的弱力下,空间镜像并不对称。
这种不对称破坏了大自然的美感。
就好像上帝是个拙劣的画家,又或者宇宙的创造者是个蹩脚的程序员。
为什么要在那么和谐完美的宇宙系统中,塞了这样一个“Bug”进来。
于是,有部分大佬依然不甘心,想给这个bug打上一个补丁。
朗道就是其中之一,他提出了一个极其巧妙的观点。
不过,那就是另外一段故事了。
现在,让我们再回过头看,那个镜子的描述。
此时,大家应该知道,宇称不守恒和镜子其实没有任何关系。
用猜拳行为来解释也是不对的。
如果你非要用镜子和猜拳来比喻,讲给小学生听,可以这样说:
“宇称不守恒是指粒子在镜子内外的运动特性不一样!”
“比如你出拳,镜子里的你也出拳,但是它的拳头比你的小。”
“而不是你出拳,镜子里出布。”
是【同一个运动的特性】不对称,而不是【不同的运动方式】不对称。
此外,还有个常见的故事是,如何向外星人解释什么是“左”和“右”。
你用左手和右手肯定是不行的。
有人说,宇称不守恒证明了人类可以精确地定义左和右。
额,这其实也是个误解,纯粹是文字游戏而已。
宇称不守恒确实打破了对称性,但是和左右没什么关系,你想怎么定义都成。
你当面给外星人做个钴元素的衰变放射实验,选择其中的一半自旋方向,命名为左或者右都行。
后来,物理学家将宇称不守恒应用在大爆炸理论中,从而提出正物质比反物质多的猜想。
而这就是现在李奇维提出的“宇宙来自于不对称”的背后原理。
可以说,这个猜想领先了时代几十年。
若干年后,众人才会明白,这是一个多么惊世的预言!
它超越了时代的眼光!
此刻,李奇维显然不可能直接提出宇称不守恒,那步子扯得有点太大了。
他暂时只要提出一个猜想,开辟一个领域即可。
最后,他大力赞扬诺特的理论,认为其代表了物理学未来发展的一个新方向。
“从更宏观的角度,从对称和守恒的角度,来重新梳理物理学和这个世界。”
“对称很美,不对称更美!”
众人无不感慨:
“布鲁斯教授太尊重女性了。”