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
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”。
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。
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θ(西塔)和τ(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θ介子衰变时产生两个π介子,τ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:τ和θ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,“θ-τ”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,“θ-τ”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。
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。
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。
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。
破镜不能重圆的原因是什么物理
破镜不能重圆的原因是什么物理如下:破镜难重圆的物理原理是分子间存在斥力。因为物质是由分子构成的,通常情况下组成物质的分子有彼此平衡的距离,当镜摔破之后,再想接上去,断面间距远超平衡距离,所以无法重圆。拓展知识 斥力,指物体之间互相排斥之力,和引力相反。带同性电荷的物体之间、同性磁极之间...
破镜不能重圆是因为?(物理)
两片破镜之间的距离远远大于r几乎没引力,无法重圆.
为什么破镜不能重圆
就好像破镜重圆,破镜不是不能重新合起来。通常采用用胶布或者胶水将它们重新粘合起来,但它们所产生的缝隙是永远都去除不掉的,无法重新完美的粘合。而这条缝隙的存在就是熵元素的最好证明。通常在一些混乱的东西里面都有这个元素的身影。例如宇宙中。原子大爆炸或者行星碰撞后产生的无数粒子在宇宙中无...
破镜不能重圆说明什么物理原理
一、破碎的镜子不能重圆科学解释 从物理学的角度来解释镜子破碎不能重圆,是因为镜子是由分子组成,而分子间存在相互吸引的引力和相互排斥的斥力。正是分子引力的存在,固体才能保持一定形状。镜子破碎时裂面层次不齐,很难将他们紧密结合在一起,而分子引力作用范围很小,超出这个范围,引力很小了。镜子...
破镜不能重圆的原因是为什么破镜不能重圆
1、破镜不能重圆的原因是玻璃碎片间的距离太大,大于分子间发生相互吸引的距离。2、玻璃的硬度大,玻璃放在一起不容易发生形变,玻璃分子间的距离不能达到小于分子直径的10倍的程度,超出了分子力的作用范围,故无法产生引力。
破镜不能重圆因为什么啊
分子力表现为斥力,且随R的减少而急剧增加。(3)当R>r 时,斥力小于引力,分子力表现为引力,且随 R的增大而先增大后减小;当R大于分子力的有效作用距离(亦称分子力的有效作用半径,约10的负9次方米)时,引力很快趋于零,分子力可忽略不计。两片破镜之间的距离远远大于r几乎没引力,无法重圆....
破镜不能重圆说明了什么物理知识
破镜难圆说明了分子间存在引力同时也存在斥力。因为此时斥力远大于引力,所以固体状态破镜重圆是不可能的。
物理破镜难重圆的原因是什么
ACD、破镜不能重圆,是因为玻璃的硬度大,玻璃放在一起不容易发生形变,玻璃分子间的距离大于分子直径的10倍以上,远大于分子间平衡距离,超出了分子力的作用范围,分子间作用力很小,以致不能使碎片结合在一起.故AD错误,C正确;B、一切物质的分子都在不停地做无规则运动,故B错误.故选C....
破镜不能重圆的原因是
玻璃的硬度大,玻璃放在一起不容易发生形变,玻璃分子间的距离不能达到小于分子直径的10倍的程度,超出了分子力的作用范围,故无法产生引力。破镜重圆的典故:唐孟棨《本事诗情感》载:南朝陈太子舍人徐德言与妻乐昌 公主恐国破后两人不能相保,因破一铜镜,各执其半,约于他年正月望日卖破镜于都市,...
落花不返枝,破镜难重圆出处
宋·释道原的《景德传灯录》卷十七。原文是:“破镜不重照,落花难上枝。”并且从这两句诗中出来一个成语“破镜重圆”意思是打碎的镜子不能再重新使用。一般用来比喻夫妻关系破裂,无法恢复。
五耐晴世: 宇称不守恒定律 是指在弱相互作用中,互为镜像的物质的运动不对称.由吴健雄用钴60验证. 科学界在1956年前一直认为宇称守恒,也就是说一个粒子的镜像与其本身性质完全相同.1956年,科学家发现θ和γ两种介子的自旋、质量、寿命、电荷...
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五耐晴世:[答案] 宇称不守恒定律是指在弱相互作用中,互为镜像的物质的运动不对称.由吴健雄用钴60验证. 科学界在1956年前一直认为宇称守恒,也就是说一个粒子的镜像与其本身性质完全相同.1956年,科学家发现θ和γ两种介子的自旋,质量,寿命,电荷等完全...
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五耐晴世: 是"宇称不守恒"美籍华裔物理学家杨振宁和李政道发现.宇称守恒定律是拉柏铁1924年提出,维拉格用实验加以证明的.宇称是表征微观粒子运动特性的一个物理量.拉柏铁认为,...
盈江县13691978946: 中国杨振宁简介 - ?
五耐晴世:杨振宁,安徽省合肥市人.著名美籍华裔科学家、物理学大师、诺贝尔物理学奖获得者.1957年由于与李政道提出的“弱相互作用中宇称不守恒”观念被实验证明而共同获得诺贝尔物理学奖;其于1954年提出...
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盈江县13691978946: 杨振宁那个理论是读宇称(cheng)守恒还是宇称(chen)守恒 - ?
五耐晴世:[答案] cheng啊,你用搜狗输入法试一下就行了.宇称守恒是指在任何情况下,任何粒子的镜象与该粒子除自旋方向外,具有完全相同的性质.这里要说明的是:该定律于1926年提出,在强力、电磁力和万有引力中相继得到证明,但在1956...
盈江县13691978946: 有没有某个名人和他的朋友一起努力研究什么取得了成功? - ?
五耐晴世: 杨振宁和李政道(诺贝尔物理学奖)1956年杨振宁和李政道一起,深入研究了当时令人困惑的θ-τ之谜——即后来所谓的K介子有两种不同的衰变方式.一种衰变成偶宇...
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五耐晴世: 一、缘起 “杨振宁和李政道分手原因是迷雾 在杨振宁的生命中,李政道是一个举足轻重不可回避的人物,从1946年开始,两个人的合作长达16年之久,并因“宇称不守恒理论”同获诺贝...
盈江县13691978946: 诺贝尔奖获得者杨振宁怎么也做不好物理实验,就去做物理研究的故事 - ?
五耐晴世: 杨振宁1997年在纽约大学石溪分校被退休,纽约大学石溪分校在美国大学排名表是200名左右,相当于中国的江西理工大学左右.杨振宁不得不在1997年之后到香港来混混,现在在清华大学,由全国纳税人给他享受部长级待遇,住1000万元的...
盈江县13691978946: 杨振宁和原妻离婚的原因,原妻现在在哪 - ?
五耐晴世: 没离婚,他前妻死了. ----------------------------------- 编者按:4年前,82岁的华人诺贝尔奖得主杨振宁,与28岁的硕士生翁帆结婚的消息,引起了广泛的争议和关注.译林出版社2005年出版了叶中敏所著《人情物理杨振宁》一书,从他的...