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宇称是物理学中描述空间反演对称性的概念。空间反演是指将所有空间坐标同时取反,相当于在镜子中观察物理系统。如果一个物理过程在空间反演后仍然遵循相同的物理定律,我们就说这个过程具有宇称对称性,或者说宇称是守恒的。
宇称守恒意味着物理定律在空间反演下保持不变,一个物理过程和它的镜像过程都同样可能发生。而宇称不守恒则意味着物理定律在空间反演下会发生变化,这表明"左"和"右"在基本物理定律中存在本质的区别。在四种基本相互作用中,强相互作用、电磁相互作用和引力相互作用都满足宇称守恒,而只有弱相互作用表现出宇称不守恒的特性。
1956年,李政道和杨振宁通过理论分析,指出在弱相互作用中可能存在宇称不守恒现象,以解释当时粒子物理中的一些疑难问题。1957年,吴健雄及其合作者通过钴-60的β衰变实验,首次在实验上证实了弱相互作用中的宇称不守恒现象。这个发现震惊了物理学界,因为它打破了人们长期以来认为的物理定律必须在空间反演下保持不变的观念。这一重大发现为李政道和杨振宁赢得了1957年的诺贝尔物理学奖。
吴健雄的实验设计非常巧妙。她使用了极低温下的钴-60原子核,这些原子核被强磁场极化,使它们的自旋方向一致。根据宇称守恒原理,如果宇称是守恒的,那么β粒子(电子)应该在所有方向均匀发射,不会有方向上的偏好。然而,实验结果显示,β粒子主要沿着原子核自旋的反方向发射,这明确证明了弱相互作用中的宇称不守恒。这个实验结果彻底改变了物理学家对基本物理定律对称性的认识。
总结一下,宇称不守恒是指物理定律在空间反演下不再保持不变的现象。在四种基本相互作用中,只有弱相互作用表现出宇称不守恒的特性,而强相互作用、电磁相互作用和引力相互作用都满足宇称守恒。1956年,李政道和杨振宁通过理论分析预测了这一现象,随后在1957年被吴健雄的实验所证实。这一发现彻底改变了物理学家对基本物理定律对称性的认识,表明自然界的基本规律并不总是具有我们直觉上认为应该具有的对称性。宇称不守恒的发现为粒子物理标准模型的建立奠定了重要基础,对现代物理学的发展产生了深远影响。