出现问题的地方是当时高能粒子实验中发现的一些「奇异粒子」。
什么是「奇异粒子」呢?
奇异粒子是物理学家在加速器中通过粒子碰撞发现的两种新粒子,这两种粒子分别被命名为θ粒子和τ粒子。
之前科学家一直觉得它们应该是相同的粒子,因为θ粒子和τ粒子的物理性质非常一致,它们具有相同的质量,相同的电荷,就连寿命也是一样的。
那么后来怎么知道它们是两种粒子呢?
是因为发现它们的衰变产物不一样。
θ粒子和τ粒子的衰变公式
你看,按照它们的衰变公式,θ粒子可以衰变成两个粒子,包括一个??介子和一个??介子,而τ粒子衰变之后的产物则是两个??介子和一个??介子,有三个粒子,两者明显不同。
更重要的是:θ粒子衰变产物的波函数是偶宇称的,那么根据宇称守恒,θ粒子的波函数也应该是偶宇称的;而τ粒子的衰变产物是奇宇称的,所以τ粒子的波函数也应该是奇宇称的才对。
这样看,θ粒子和τ粒子被区别成不同的粒子应该毫无疑义,你看它们衰变产物不同,从衰变产物的属性又能得知它们的奇偶属性也不同,所以虽然它们两个其他方面长得很像,但也只是长得像的双胞胎而已,并不是同一种粒子。
但是,这两种粒子过高的相似性也引起了一些科学家的怀疑。
别的粒子之间都差别巨大,他们两个怎么会如此相似?
于是有人开始怀疑起来,有没可能这两种粒子其实就是同一种粒子呢?但宇称守恒明确地指出这是不可能的。
在当时这一现象也被称为「θ-τ之谜」,很多科学家试图弄清楚这件事情,这其中就包括了大名鼎鼎的两位华人科学家杨振宁和李政道,他们对这个现象也产生了很大的研究兴趣。
年轻的杨振宁和李政道
杨、李两人对衰变过程中起作用的「弱相互作用力」感兴趣起来。
我们都知道在物理理论中,宇宙中所有力的属性目前可以分为四大类,分别是「万有引力」、「电磁作用力」、「强相互作用力(又称强核力)」和「弱相互作用力(又称弱核力)」,这四类力又被称为四大基本作用力。
这四种力中,最强的是强交互作用力,其次是电磁作用力,然后是弱相互作用力,而能压扁恒星、塑造黑洞的万有引力其实是最弱的作用力。
强相互作用力是原子核之间的作用力,作用距离在核际范围,弱相互作用力是原子核内部的作用力,作用距离最短,而电磁力和引力则都是长程力,作用距离可以无限远。
科学家们认为所有的力都是由某种玻色子来传递的,比如电磁作用力表示电荷在磁场中所受到的力,它对应的玻色子就是光子。
传递强相互作用力的是胶子,传递弱相互作用里的是Z和W玻色子。
而传递万有引力则是目前还未找到的「引力子」,找到它也算是物理学家们还未了的一个心愿。
四大作用力
于是杨、李两人检查了之前所有关于宇称守恒的相关实验,果然发现四种力中只有弱相互作用力的宇称守恒还没有被任何实验验证过,也就是说大家只是默认在弱相互作用下,宇称应该也是守恒的,而这很可能是宇称的一个漏洞。
在粒子的衰变起作用的正好就是弱相互作用力,那么有没可能是弱相互作用下宇称其实是不守恒的,从而导致同种粒子在弱相互作用下衰变,结果因为镜像变化后产生出了差异才产生了两种衰变结果呢?
这对于当时的物理学界来说可是一个很惊人的猜想,因为这直接挑战了物理学家们的集体信念:宇宙中不可能存在宇称不守恒的现象。
虽然科学家对于宇称的对称没有之前那些连续量的对称性那么笃定,但是也是相当自信的。
但凡是惊人的论断自然需要惊人的证据,杨、李两人知道光凭借理论推导是不足以证明这一惊人论断的,于是他俩也同时构想出了两套检验观点的实验方法,希望用确凿的事实加以证明。
然后杨、李两人就开始寻找能帮助他们用构想的实验验证宇称不守恒现象的科学家。
不过他们找了很久都没有找到合适的人来帮助做这个实验,因为几乎所有人都认为这个实验不会成功的,因为要推翻宇称守恒几乎是不可能的。
其中不乏一些知名的大科学家都对此表示了质疑,其中包括泡利、费曼、朗道这样级别的科学家。
泡利甚至愿意花钱跟人打赌宇称一定是守恒的,而居然没有谁敢跟他对赌,可见当时整个物理学界对宇称守恒是多么信任。
就在杨、李两人快要陷入困境的时候,他们终于找到支持者,他们找到的是同为华裔身份的一位女物理学家吴健雄教授。
吴健雄教授
吴健雄当时也是相当有名的物理学家,尤其她当时已经是研究β衰变的知名专家,而β衰变正好是弱相互作用范围,正适合帮助两人实现他们构想的第一套实验方案,正好吴教授也对杨、李两人的猜想非常有兴趣,决定支持他们。
这么多正好凑在一起,历史看来就不得不隆隆前进了。
在杨李两人找到她之后,吴教授仔细研究了他们的想法和方案后立即决定放弃自己的假期和会议来进行这个实验,于是物理学上又一次跨时代的进步即将开始。
杨、李认为要验证宇称问题,最好的办法就是找到一种放射性的粒子,然后把它们弄成不同的自旋方向,让它们互为镜像,然后再观察不同自旋方向的放射粒子在衰变的时候发射衰变射线的情况会不会违背镜像原理即可验证宇称问题了,这就是他们构想出来的第一套实验方案。
吴健雄根据他们的方案,决定选择使用钴60元素作为放射源。
钴60会经过两步衰变成镍元素的过程中会放射出一份电子、一
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