为了定义长度,我们告诉外星人的不是银河系的半径或者地球到太阳的距离,因为这些量在原理上可以在很大范围内变化。我们告诉外星人的是氢原子的半径,这是全宇宙统一的,只要懂得量子力学就能计算出来,所以外星人能够理解。
而如何才能定义左右呢?它们互为镜像,所以这个问题等价于在一对镜像中指定一个为左,一个为右。
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左右镜像
比如说,你在镜子前挥舞左手,镜子中的你在挥舞右手。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。
为什么无法分辨呢?因为镜像世界和现实世界服从相同的物理规律,两者同样都是有可能出现的现象。
这种状况,就叫做宇称守恒(parity conservation)。我们平常所知的物理规律,无论是力学规律、电磁学规律还是热学规律,全都是宇称守恒的,也就是说无法分辨镜像和现实。
也许你还想问,“宇称”(parity)这个词是什么意思?
宇称是一种对称性,“称”字来自对称。“宇”字表示空间,正如古人常说的:“四方上下曰宇,往古来今曰宙。”所以看到宇称这个词,你很容易就可以理解它是一种关于空间的对称性。
具体而言,宇称是关于空间反演的对称性。所谓空间反演就是把坐标矢量反向,也就是把x变成-x,把y变成-y,把z变成-z,由此造成的效果相当于镜像。所以在宇称守恒的操作下,一个现象如果是可以出现的,那么它的镜像同样也是可以出现的,两者同等的合法。
了解了这些定义之后,显而易见的想法就是:物理规律当然应该是宇称守恒的,这简直是天经地义的。怎么可能不是呢?你能想象大自然天生就区分左右吗?
然而,杨振宁和李政道说的就是,宇称其实并不守恒!他们指出了一类物理现象,这类现象会出现,而它的镜像不会出现。我们由此就可以分辨现实世界与镜像世界,也就可以定义绝对的左右。
回到跟外星人通话的例子,现在我们可以对他们说:在极低温下给大量的钴-60原子核加个磁场,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!
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宇称不守恒实验
这些话对普通人也许难以理解,但如果外星人精通物理学,他们就会去按这样做个实验,然后恍然大悟:原来你们说的左边就是这边,明白了!
大家现在可以理解这是多么震撼了吧?怪不得他们在1956年发表这个成果,1957年就拿了诺贝尔奖。一般而言,从做出诺贝尔奖的工作到获奖,往往要等待几十年。但李杨二人却创造了一个奇迹,第二年就获奖了。这充分表现了,这个成果是多么基本,多么伟大。
特别值得一提的是,他们是以中国国籍获奖的。这对中华民族提升对科研的自信心,当然是一个了不起的贡献!
如果你还想问,宇称不守恒的是什么样的物理现象呢?回答是:所有涉及弱相互作用的现象。
让我们做一个简短的说明。人类已知的基本作用力有四种,分别是万有引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用。其中前两种是大家非常熟悉的,初中就学到了,后两种是比较高深的。
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四种基本相互作用
在原子核中,把质子和中子束缚在一起的,就是强相互作用。对,就是《三体》中用来制造“水滴”的那个。