物理学史――宇称不守恒的发现历程课件.ppt

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1、物理学史方君炜之宇称不守恒的发现历程004美籍中国物理学家杨振宁和李政道因为发现在弱相互作用过程中宇称不守恒，共享了1957年度诺贝尔物理学奖。这是中国人首次获得诺贝尔物理学奖。让我们对他们表达敬意！我们知道，在一件科学大事发生后，引起的轰动还没有稳定的时候，过早的报道和评价史有危险的。诺贝尔奖评选委员会深知这种危险，往往推迟授予一项奖金到应获奖的发现之后10年。例如，马克思·波恩将薛定谔的波函数解释为概率波后近30年，才获得诺贝尔物理学奖。然而杨振宁和李政道在发表关于宇称不可能守恒的第一片论文1年后，即对他们的假说作出那个惊人的实验证明后仅仅几

2、个月，就被评选为诺贝尔物理学奖获得者。这个例外足以说明他们的理论对物理学产生的重大影响。能量守恒动量守恒角动量守恒宇称守恒时间平移对称性（时间均匀性）空间平移对称性（空间均匀性）空间转动对称性（空间各向同性）空间反射不变性（左右对称）1924年，德国物理学家拉波特在对极复杂的铁元素光谱进行分析时观测到，复杂的原子的能级可以分为两类：偶能级和奇能级。在吸收或者放出一个光子的电磁跃迁中，能级的改变总是从偶到奇，或者从奇到偶。为了解释拉波特发现的这个经验规律，魏格纳在1927年引入了宇称这个概念。人们规定：偶能级带有正宇称，奇能级带有负宇称。在原子核物

3、理、介子物理和奇异粒子物理中，处于各种状态的粒子也具有奇或偶宇称宇称守恒定律指出：一个体系若是由两个各有偶宇称的小体系组成，那么这个体系也是偶宇称的。有两个奇宇称组成的体系要形成偶宇称的体系。反之，一个偶宇称的粒子体系衰变成两个粒子时，这两个粒子要么都是偶宇称，要么都是奇宇称。偶＋偶＝偶奇＋奇＝偶这与奇数、偶数的运算法则是相同的由此相对应奇＋偶＝奇一个奇宇称的粒子分成两个粒子时，必然是一奇一偶的，一奇一偶的两个粒子组成的体系也必然是奇宇称的现在我们来看拉波特发现的经验规律奇能级负宇称光子负（奇）宇称能级由奇能级变为偶能级这样，宇称和宇称守恒定律给

4、体系或粒子进行分类并对可能出现的情况加以限制，从而说明为什么有些过程是不可能观察到的原因实践证明宇称守恒定律同能量守恒，动量守恒等守恒率一样在已知情况中都太正确了，太有用了，太能说明问题了。绝大多数的物理家都认为宇称守恒等一切守恒定律在所有的物理现象中都的成立的，也就是对称性的成立，我们的物理世界是建立在绝对对称的美感之上的。这种对世界的误解就像当年人们认为天体都是绝对的球体，它们的运行轨迹也是完美的圆形一样。这种观点在20世纪50年代受到了来自弱相互作用方面的冲击。K介子随着实验事例增多和分析精细化，英国的达里茨首先发现这些粒子的质量以及其他性

5、质都相同，似乎应当将它们视为同一种粒子。矛盾是怎样形成的呢？从原子核撞击出来的短寿命粒子按6种不同的衰变方式，设想有6种基本粒子介子的空间宇称为负奇＋奇＋奇＝奇奇＋奇＝偶根据宇称守恒的结论是：粒子是奇（负）宇称，粒子是偶（正）宇称，粒子与粒子是不同的两种粒子。反之，如果粒子与粒子是同一种粒子，则宇称守恒不成立。这便是当时曾现在粒子物理学家面前的一个著名的矛盾，叫做“”之谜。为了揭开“”之谜，物理学家们发生了很大的争论，无多物理学家想在不违背宇称守恒的前提下解开这个谜，但是，我们的杨振宁与李政道先生没有盲从，他们以惊人的勇气与胆识对宇称守恒的普遍性

6、提出了怀疑。1956年夏天，杨振宁与李政道一起查阅了所有的与“宇称守恒”有关的实验论文后，得出结论：和一般人确信的相反，虽然在强相互作用和电磁相互作用中宇称守恒以为实验所证实，但是在弱相互作用过程中宇称守恒定律仅仅是一个被推广的“假设”而已，并没有被实验证实过。于是，杨振宁与李政道提出了他们的看法，并向实验物理学家提出建议，用衰变（中子变成质子时放出一个电子的现象，是典型的弱相互作用）等实验来验证他们的推测。他们的论文在1956年10月美国《物理评论》杂志发表后，立即引起了世界物理学家的关注。然而，“上帝的鞭子”－－著名的物理学家泡利则认为这是完

7、全不可能的，他曾说过：“我就不相信上帝竟然会是一个左撇子！”在没有别的比这件事更能说明人头脑中旧观念的顽固和杨振宁、李政道的胆识了。由上可知：杨振宁、李政道的成功似乎归结于他们的胆识，但是，我认为他们之所以有这种胆识是因为他们坚信物理是一门实验的科学，所有的理论都应建立在实验的基础之上，理论要经得起实验的检验。正是他们对这种信念的坚持超过了对没有实验基础的对称美学的盲从成就了他们的也是中国人的第一个诺贝尔物理学奖！第一个用实验验证杨振宁与李政道的理论的是哥伦比亚大学的吴健雄和她领导的小组。他们在美国华盛顿国家标准局低温实验室中做了极化钴核的衰变实

8、验，看其在衰变中向两边发射电子的数目是不是对称。该实验通过测量原子核的取向和电子动量之间的夹角和处分布的不对称性，即出现一边电子多，一边