如果没有杨振宁和李政道,人类还要多久才能发现“宇称不守恒”?

我们可以先给出答案:如果没有杨振宁和李政道,“宇称不守恒”也一定会很快被发现。(这里补充一句,对于杨振宁而言,宇称不守恒并不是他最重要的学术成果,可能连跻身前3都很困难,他的最大成就是杨米尔斯理论和杨巴斯特方程。)

不仅如此,实际上有人比杨振宁和李政道更早提出“宇称不守恒”,这个人就是当时苏联的科学家沙皮罗,如果我们从时间线上看,他比杨振宁和李政道正式提出“宇称不守恒”还要早几个月的时间,不过他当时是提交给苏联的物理学大佬朗道进行审核,希望朗道可以帮他发表。(朗道是苏联上世纪最杰出的物理学家,一个让诺奖委员会亲自到本国给他颁奖的存在,他的颁奖里有被称为:朗道十诫。)

不过,朗道看到论文之后,他觉得这个理论就是瞎胡扯,就放一边了,并没有帮沙皮罗发表。(这是因为在当时宇称守恒就如同1+1=2一样,因此没有人怀疑。)

后来,杨振宁和李政道获得了诺奖时,朗道悔的肠子都青了,苏联也因此错过了发现“宇称不守恒”和“诺贝尔奖”。

不过从这个角度来看,没有李政道和杨振宁,其实也一定有人可以提出这个理论,而且就在短时间内。为什么这么说呢?这是因为,“宇称不守恒”是那个时代理论发展的迫在眉睫的需求。


四大作用


上世纪50年代,科学家发现,在宇宙中存在着4中基本作用力,分别是:强力,弱力,电磁力和引力。

科学家一直在试图去统一这四种作用力,而与此同时,科学家还利用实验仪器找到了上百种的基本粒子,这就使得他们十分困惑,这些粒子和作用力有什么关系?

而杨振宁和他当时带着的学生米尔斯,受到数学家外尔的启发,想要从麦克斯韦电磁学理论寻找突破口,于是基于麦克斯韦方程,他们得到了一组杨米尔斯方程。

杨振宁是想要通过将“场”、“粒子”和“作用”串起来,这套方法也被称为规范场理论。

强力的机制被五位科学家利用杨米尔斯理论进行解释了,这五位科学家也因此获得了诺贝尔物理学奖。

这里补充一句强力的知识,强力其实是把夸克束缚在质子或者中子等粒子当中的力,也就是说,它是在原子核内的作用力,所以,我们平时是接触不到它的。如果我们把镜头拉向质子内部,一个质子是由三个夸克构成的,而它们就好像被三条弹簧绳拉住一样,而这个“绳子”就是胶子。也就是说,传递强力的是胶子。(当然,强力还有其他的传递粒子,这里就不赘述了。)通过这样的办法,就构建了“粒子”、“作用”、“场”之间的关系了。

但是弱力就一直没有办法得到解决,那什么是弱力呢?

最常见到的弱力的相关现象就是β衰变,中子衰变成一个质子、电子和中微子。

也就是说,弱力是和牛顿力学中的力完全不同的力,它不只是改变物体的运动状态,它是直接改变了粒子的种类。

那科学家就寻找传递弱力的粒子了,他们发现主要是W玻色子和Z玻色子在传递。这听起来其实好像没有什么,但是却让科学家很无奈。这是因为“质量”问题。

上文我们说到的传递强力的胶子是没有静止质量的,而传递电磁力的是光子,光子也是没有静止质量的。可问题是W玻色子和Z玻色子是奇葩,它不仅有质量,而且这质量还不小。这就和现行的理论发生了矛盾,这是因为在杨米尔斯理论当中,W玻色子和Z玻色子不应该具备质量,这就和实验观测是不相符的。

后来,许多科学家都投身到研究“粒子”质量来源的问题当中,“希格斯机制”也就被提了出来,在这套理论中,空间中存在着广泛的希格斯场,粒子可以在希格斯场中获得质量,但前提是“希格斯场”要出现不对称性。光子和胶子就没有办法引发这个问题,而W玻色子和Z玻色子则可以,因此,它们获得了质量。而2012年,欧洲LHC的发现了“希格斯玻色子”,也就证明了这个理论是正确的,因此,提出这个理论的科学还获得了2013年的诺贝尔物理学奖。

“宇称不守恒”的提出给了研究“弱力”的科学家很多启发,温伯格、格拉肖等人,就在基于杨米尔斯理论、希格斯机制以及宇称不守恒,提出了弱电统一理论,把弱力和电磁力进行了统一。虽然“对称性”如同真理一样,但是科学家为了解决“弱力”迟早还是会打“对称性”的主意,因此,“宇称不守恒”被提出是当时迫在眉睫的需求,即使没有杨振宁和李政道,也一定会有人提出来。

所以,时势造英雄,在牛顿时期,其实胡可等人也很接近“万有引力定律”了(只是因为数学不好);

而麦克斯韦时代,他的前辈法拉第也已经非常接近于统一“电”和“磁”(同样是因为数学不好);

即使到了爱因斯坦时代,洛伦兹和庞加莱也十分接近于提出狭义相对论了(这是因为物理直觉不太行)。

并没有哪个理论是一个科学家不存在就提不出来的,只是有些科学家特别出色,让这些理论提前一些时间被提出而已。