10 月 3 日即将开启今年的诺奖季。在这个时节,我们不妨再来回顾一下华人科学家做出过的杰出成就。
假如有一天,我们与某个外星文明取得通讯联系。请你思考一下,如何用自然语言让外星人正确理解地球人对左和右的定义呢?这个问题看似简单,其实相当深刻。在 1956 年之前,科学家们的一致结论是:没办法!
这是因为那时的科学家们都有一个共同的信念,认为在宇宙中,所有的物理现象都是镜面对称的,你不可能找到一个物理实验的结果对左右方向有偏好。这句话也可以反过来这么说,如果我们观察一个物理实验,不论是直接观察,还是通过一面镜子来观察,最终得出的物理规律都是相同的。这个共同的信念在物理学上有一个名词,叫做宇称守恒。
每一个守恒规律中都蕴含着一个守恒量,比如能量守恒中的能量,它是可以被数值化的,也是可以被计算的。它是实实在在地存在于大自然中的一个可观测量,并不是科学家们在头脑中凭空创造出来的语言游戏。
而宇称守恒这个定律中也蕴含着一个守恒量,它被叫做“宇称”,英文简称 P,它如同质量和电荷一样,是描述基本粒子的一个实实在在的物理量。在 1956 年以前,宇称守恒与能量守恒一样,被认为是物理学中的共同信念。正是基于此,科学家们会告诉你,对不起,我们真的没有办法用自然语言让外星人的左右与地球上的保持一致,不管我们让他们做什么样的实验,左右都是完全对称的,没有任何区别。
1956 年,30 岁的李政道和 34 岁的杨振宁在纽约的一家咖啡馆中热烈地讨论一个问题:宇称有没有可能是不守恒的?
这不是他们突发奇想,而是自 1953 年以来,物理学家们在微观世界中发现了一个被称为“θ-τ”之谜的奇特现象,无法用现有的理论解释这个现象。但假如宇称是不守恒的,那么这个所谓的“奇特”现象就会变得平平无奇了。
在李和杨前并不是没有别的物理学家怀疑过宇称守恒,这种想法并不算是开脑洞,但问题在于,物理学家们只认实验数据,长期以来,有大量证实宇称守恒的实验证据,但没有任何一个可以证伪宇称守恒的证据。
李和杨的划时代贡献在于,他们提出了五个明确的物理实验,又给出了明确的需要测量的物理量,以及预言了可能的结果。他们的工作是极为扎实和细致的,绝对不是偶然的灵光乍现。只是,这五个实验中的任何一个都极难完成,凭他们自己没戏。
幸好,他们有一位当时世界上做物理实验的顶尖高手朋友,她就是著名的华人女物理学家吴健雄博士。吴健雄博士敏锐地感到,这个实验对物理学意义重大,她甚至退掉了回中国探亲的船票,决定去完成其中的一个实验。但著名物理学家费曼对此的评价是:那是一个疯狂的实验,不要浪费时间,我愿以 1000 赔 1 来赌这个实验绝不会成功。
然而,令所有的物理学家们大吃一惊的是,实验结果证实,宇称在弱相互作用中是不守恒的。因为这项划时代的成就,李和杨创下了诺奖历史上绝无仅有的当年出成果当年颁奖的传奇。
从此,我们可以对外星人说:
听着,你们先制造一块磁铁,然后把线圈绕上去,让电流通过,随后取一些 27 号元素钴,把温度降低到尽可能接近绝对零度,然后,再如此这般一通操作。好了,现在你们看到的电流流出的方向就是我们地球人所谓的左边。
大自然偏爱左边,这真是一个奇妙的宇宙!
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