为什么破镜不能重圆？杨振宁的宇称不守恒理论告诉你答案

　　一百岁的杨振宁到底给世界带来了什么？在回答这个问题之前，首先必须肯定的是，杨振宁是当今世界尚在的最伟大的物理学家，没有之一，在人类物理学大厦的丰碑上，他的名字仅次于牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦几位寥寥巨擎。
　　杨振宁可以达到诺奖级别的成就有13项，其中最著名的有两项，一个就是获得诺贝尔奖的宇称不守恒理论，另一个就是大名鼎鼎的杨米尔斯方程。宇称不守恒是什么意思？
　　我们先来说说宇称不守恒理论，这里有一个关键词宇称，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，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，镜子里的影像是不对称的。
　　这里所说的粒子又是什么呢？就是以自由状态存在的最小物质组成部分，是比原子更小的单位，现代物理学中的粒子有数百种，包括电子、介子、夸克、轻子等。
　　了解了粒子和宇称的概念，再来看宇称不守恒的定义：在弱相互作用力中，互为镜像的物质的运动不对称。翻译成通俗的语言就是：在原子核内部的粒子，在弱相互作用力中照镜子，运动轨迹是不对称的，是不是有点奇怪？毕竟常识告诉我们，镜子里的镜像和镜子外的物体，应该是完全对称才对，就像你照镜子，镜子中的你不仅和你长的一样，动作也完全一致。
　　注意这里的不对称还有一个前提，就是在弱相互作用下的微观粒子，粒子我们已经说过了，弱相互作用力又是什么呢？
　　我们目前发现的宇宙中存在四大基本力，分别是引力，电磁力，强核力，弱核力；引力我们都知道，就是牛顿小时候被苹果砸了脑袋之后发现的那个，电磁力包括电力和磁力两部分，它是指基本粒子在电荷、电流和磁场的相互作用下产生的力。在我们日常生活中最常见的摩擦力、支撑力、弹力之类的，归根结底都是电磁力的作用。电磁力也好理解，你拿一把梳子梳一下头发，梳子就能吸起小纸屑，这就是电磁力。
　　有点难理解的是强力和弱力，因为它是发生在原子层面的，我们都知道，原子是由原子核和核外电子组成的，而原子核又是由质子和中子组成的，这个强核力就是把质子和中子hold住，不让原子核散架的力，与强力相对应的就是弱力，弱力就是主导核裂变的力，如果说强力是搞团结的力，弱力就是搞分裂的，当质子和中子越来越多，强力也就hold不住弱力了，这个时候核裂变就发生了，比如原子弹就是利用铀235发生核裂变释放出巨大能量的原理制成的。
　　明白了什么叫弱相互作用力，我们再来看看宇称不守恒的定义，就是在善于搞分裂的弱核力作用力下，粒子在照镜子时，发现镜子里的那个影像，竟然跟自己的动作不对称。这实在是太不可思议了！
　　在宇称不守恒理论出现之前三十年里，物理学界一直认为在微观世界里，基本粒子由三种基本的对称方式，一个是粒子和反粒子的互相对称，这里解释一下什么叫反粒子，就是所有的粒子都有与其质量、寿命、自旋、磁矩大小相同，带电量相等且符号相反、磁矩和自旋的取向关系也相反的反粒子，比如电子e的反粒子就是正电子e，质子的反粒子就是反质子，粒子和反粒子相遇就会发生湮灭从而转变成别的粒子。
　　第二种对称就是空间反射对称，就是同一种粒子之间互为镜像，它们的运动规律是相同的，这就是宇称，也即是杨振宁公关的那个；第三种是时间反演对称，就是说如果我们颠倒粒子的运动方向，粒子的运动也是相同的，也就是时间对称。宇称不对称是怎么被发现的？
　　以上所说的微观世界的三种对称，因为符合常识所以看起来无懈可击，那么杨振宁又是怎么发现宇称不对称的呢？时间回到1956年，当时的科学家发现（西塔）和（套）两种介子的自旋、质量、寿命、电荷等完全相同，多数人认为它们是同一种粒子，但介子衰变时产生两个介子，子衰变时产生3个，这又说明它们是不同种粒子。
　　1956年，李政道和杨振宁在深入研究之后大胆断言：和是完全相同的同一种粒子（后来被称为K介子），但在弱相互作用的环境中，它们的运动规律却不一定完全相同，通俗地说，这两个相同的粒子如果互相照镜子的话，它们的衰变方式在镜子里和镜子外居然不一样！用科学语言来说就是，粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的。
　　一开始，科学家们认为，粒子只是一个特殊例外，可没多久，同为华裔的实验物理学家吴健雄用一个巧妙的实验验证了宇称不守恒，这时宇称不守恒才真正被承认为一条具有普遍意义的基础科学原理。宇称不对称是怎么被证明的？
　　吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变，她在0。01K的极低温，也就是摄氏0下273点14度下，用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明，这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异，而且电子放射的方向也不能互相对称。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。
　　东方居里夫人吴健雄
　　自从宇称守恒定律被李政道和杨振宁打破后，科学家很快又发现，粒子和反粒子的行为并不是完全一样的！一些科学家进而提出，可能正是由于物理定律存在轻微的不对称，才导致宇宙大爆炸之初生成的物质比反物质略多了一点点，大部分物质与反物质湮灭了，剩余的物质才形成了我们今天所认识的世界。如果物理定律严格对称，那么宇宙大爆炸之后应当诞生了数量相同的物质和反物质，但正反物质相遇后就会立即湮灭，那么，星系、地球乃至人类就都没有机会形成了。
　　再后来，科学家发现连时间本身也不再具有对称性了！
　　日常生活中，时间之箭永远只有一个朝向，就像老人不能变年轻，打碎的花瓶无法复原，过去与未来的界限泾渭分明。不过，在物理学家眼中，时间却一直被视为是可逆转的。比如说一对光子碰撞产生一个负电子和一个正电子，而正负电子相遇则同样产生一对光子，这两个过程都符合基本物理学定律，在时间上是对称的。但是如果用摄像机拍下其中一个过程然后播放，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，时间没有了方向。
　　1998年，物理学家们首次在微观世界中发现了违背时间对称性的事件。欧洲原子能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不对称性：反K介子转换为K介子的速率要比其逆转过程即K介子转变为反K介子来得要快。
　　至此，粒子世界的三种对称性理论全部被打破了，世界从本质上被证明了是不完美的、有缺陷的，粒子的本质是电磁相互作用。也许正是这种粒子的相互作用影响差异，使得粒子能量运动状态发生改变而导致宇称不守恒。宇称不守恒有什么实际意义？
　　说了这么多，宇称不守恒到底有什么实际意义呢？还是再回到日常照镜子的场景，由于粒子层面不存在绝对的守恒，所以镜像也并非完全对称，不仅我们在镜子中看到的一切是不真实的，就连时间也不具备对称性，也就是说不仅现实生活破镜无法重圆，就连看似可能的穿越时空回到过去也成为不可能。
　　不过，宇称不守恒理论的意义并不至于这些，最大的意义还是在于，它定义了绝对的左和右，在现实生活中，当我们照镜子的时候，你伸出的左手，镜子中的你就会伸出右手，所以说左和右实际上和我们所处的空间位置有关，当一个人和你面对面或者并排的时候，左和右实际上是相反的，这是因为你会认为镜子中的一切都是对称守恒的，所以没有绝对的左和右，也就是说，当你挥动左手，镜子中的你挥动右手，如果给别人看这两段录像，他能不能分辨哪个是镜子外的，哪个是镜子内的？在日常经验的范围内，答案显然是：无法分辨。
　　可现在杨振宁的宇称不守恒理论颠覆了这个常识，所谓的左和右是绝对的！
　　我们来假设一个场景，当我们遇到一个外星人，只能通话不能见面，怎样才能介绍自己呢？外星人问你，地球人有多高啊？你回答说，我有1米7，外星人又问，请问1米又是多高呢？外星人不会懂得地球人的度量衡，所以你必须用一种外星人能够理解的语言来描述，你可以说，你们知道氢原子吧？就是一个质子和一个电子组成的最小的原子。按照我们的单位制，1米大约是氢原子半径的200亿倍。这时候外星人就知道了，原来你的身高就是氢原子半径的340亿倍啊！外星人接着问，你们的心脏在哪边啊？你会说心脏在左边啊？外星人又蒙了，什么是左啊？这时候你一定也蒙了，怎么跟外星人解释左是什么呢？这个时候你就可以这样回答，只要在极低温下给大量的钴60原子核加一个磁场，让它们的自旋整齐地排列起来，然后观察它们发射出的电子的角度分布。假如宇称守恒，这个角度分布就是均匀的，从中不能提取出任何信息。但这里宇称不守恒，所以这个分布并不均匀。事实上，大多数电子是从与磁场相反的方向发射出去的。由此就可以把大多数电子的发射方向称为上，把磁场方向称为下。而在确定磁场方向时，用到了左手定则所以，把这种磁场方向定义为下的那只手就叫做左手！至于使用左手法则来判断磁力线方向，这是高中物理课本的知识，这里就不赘述了。
　　在1956年杨振宁和李政道提出宇称不守恒理论，到1957年获得诺贝尔奖，仅仅过了一年多时间，创下诺奖颁发最快时间记录，这要从一个侧面证明了这一理论的伟大意义。