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二十世纪十大物理实验之二:谁动了我的镜子?

时间:2018-12-05来源:南航物理实验教学中心点击:937

       世人评说美女,溢美之词从古至今不绝于耳,其实归根结底也无非是两点,其一曰容貌,其二曰身材,两者的完美结合就是传说中的stunning beauty.物理学也是一门极度崇尚美感的科学,它的美也无非是两点,其一曰简洁,其二曰对称。两者一结合也是一种骇人听闻的Beauty,典型的如电磁学中的麦克斯韦方程(Maxwell equation)。有修过电磁学的人大概都有同感,在经历过眼花缭乱的电学和磁学的公式以后,突然出现在末尾的麦克斯韦方程简直给人一种惊艳如斯的感觉,简简单单几个朴素的联立方程竟然把整个电磁学囊括其中。当然,很多人对这种突如其来的美感的欣赏也只是停留在很肤浅的层次,确切的说是局限在它的简洁美。这其中甚至包括它的创始者Maxwell本人。如果有人能从电磁学读本中的麦克斯韦方程中看到更深刻的东西,譬如对称性,那么恭喜你,你实实在在是有作物理学大师的潜力。

 

  历史上就是有个人从方程中读出了关于对称性的另类东西,并且以此为突破口敲响了统治数百年之久的牛顿力学的丧钟。那个人就是爱因斯坦,那篇突破性的文献就是《论运动物体的电动力学》,直接宣布了狭义相对论的诞生。

 

  将美学贯彻研究生涯始终的大概也就爱因斯坦一人而已。他年轻的时候早就觉得伽利略-牛顿体系的绝对空间,绝对时间不够漂亮,终于从麦克斯韦方程中寻得突破导出狭义相对论。后来,他又一次觉得传统物理学对于惯性系和非惯性系的生硬分隔实在不够美,终于又一次从引力理论入手,导出了广义相对论。广义相对论的诞生完全是一场爱因斯坦的个人秀,因为当时并无强大的实验压力。它可以说是爱因斯坦美学观念的直接产物。对称性在数学上的语言叫群论,其在二十世纪后五十年的物理学中的地位可谓如日中天。当人们沉醉在对称所带来的种种美感和成就的同时,孰料没过多久就突然被重重敲打了一棒。

 

  事情起因于粒子物理早期著名的TAO,THETA之谜。TAO粒子和THETA粒子是在加速器中发现的两个性质极其类似的粒子,他们的质量,电荷,角动量等等都是完美的一致,然而要命的是在TAO和THETA的不同衰变道中表现出的宇称(镜像对称性)完全相反,因此人们还是忍痛把他们分为两种不同的粒子。

 

  其实还可以有另一种解释,他们根本是同一种粒子,之所以在两个衰变中表现的宇称不同仅仅是因为在衰变过程中宇称并不守恒而已!!这种几乎如同皇帝的新装里那个儿童的大喊,在当时也是视为笑谈。甚至如大名鼎鼎的物理学家,哥本哈根学派的中坚人物泡利( W. Pauli)也不以为然地说,我不相信上帝是一个软弱的左撇子,我已经准备好下一笔大赌注,我敢打赌实验将获得对称的结论。泡利关于物理学的打赌几乎是个神话,几十年来凡是他看准的东西从未错过。

 

  这个案例可以说是常识误导人的又一个经典。上帝似乎是个恶作剧专家,他不停地微笑着告诫人们,众人阿,我是爱你们的,可是,你们一定要警惕啊。

 

  还是有不信邪的人,一位哥伦比亚大学的著名实验物理学家和美国国家标准局合作,试图检验在弱相互作用下的宇称守恒问题。这个实验在概念上是很简明的,主要是要利用一个很强的β放射源(Co60),然后在适当控制下极化这个β放射源,使其具有某一个方向性,再放在一个利于观测的环境中,测量这个放射源是不是有一种先天的方向性。当然,其中涉及到诸如低温下的原子核的极化等等技术问题,这位伟大的实验家也是一一克服。

 

  实验的结果很明确,正如这位实验物理学家确认后立即给那个先前提出不守恒理论的那个理论物理学家打的电话里说的一样,“一句话,宇称守恒已经死了!”纽约时报很快以头版刊出了这个大新闻,他们用的标题是“物理的基本观念宣称已经由实验而推翻”。随后,美国物理学会在纽约大饭店举行了一次史无前例的年会(三千多人参加),来纪念宇称不守恒的发现。与会的一位著名物理学家感慨万千,“经历过相对论和量子力学的洗礼,我还以为这辈子的激情已经燃烧殆尽,不料今天我和诸位又一次站到了历史的转折点 ”

 

  说到这里大家已经很清楚了,提出宇称不守恒的理论物理学家正是李政道与杨振宁,而证实它的那位实验物理学家正是有物理科学的第一夫人之称的吴健雄。本人最高兴的一点正是在此,一个著名的理论从提出到证实,都是中国人自己作的,这是真正值得全体华人骄傲的事情阿。而吴健雄的这个证实弱相互作用中宇称不守恒的经典实验也足可跻身二十世纪物理学十大实验之列。 

 

(版权所有:meemei 原作)


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