九卦

九卦

上帝是个左撇子

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作者/大栗博司

美国加州理工学院理论物理讲席教授,理论物理研究所(burkeinstitute.caltech.edu)所长,日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构(Kavli IPMU)研究主任。东京大学理学博士,发现了量子场论与超弦理论的深层数学构造,其研究曾获得美国数学学会大奖(2008年)、德国洪堡研究奖(2009年)、日本仁科纪念奖(2009年)、日本数学学会詹姆斯•西蒙斯奖(2012年),《超弦理论:探究时间、空间及宇宙的本原》获得2014年日本第30届日本讲谈社科学出版奖。著有前沿物理科普三部曲《引力是什么》《强力与弱力》《超弦理论》,数学入门科普《用数学的语言看世界》等。


在李政道和杨振宁解开弱力破坏宇称对称性(宇称不守恒)这一谜题之前,弱力的宇称对称性得到了实验的验证,而且人们对此深信不疑。

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李政道(1926—)与杨振宁(1922—)

如果这一预想成真,将轰动整个物理学界。在两年前发挥批判天性的泡利此时也没有痛快地接受这个观点。这次他没有直接对李、杨二人发表什么言论,而是给后来成为CERN(欧洲核子研究组织)所长的威斯科夫写了这样 一封书信。

“上帝应该不是左撇子。我愿意在以实验确认的左右对称(也就是宇称守恒)上赌上巨款。”

但是,李、杨二人的预想是正确的。进行实验的是李政道在哥伦比亚大学的同事吴健雄。虽然名字看上去像是个男人,但是通过“Madam Wu”的称呼我们可以得知她是一位女性研究者。作为β衰变实验的专家,吴健雄通过观察钴60的衰变现象,确认了宇称不守恒。因此该实验首次表明基本粒子的世界中存在“左右之别”的基本定律。

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吴健雄(1912—1997)

得知实验结果的泡利又给威斯科夫写了一封信。

“我刚从最初的打击中恢复过来,现在开始冷静下来了。要是不和你打赌就好了。不过,这已经成为了一个笑柄。其实我也没什么可苦恼的。现在让我感到震惊的并非上帝是个左撇子的事实,而是强力左右对称的性质。”

因为宇称不守恒的预言很快得到了实验的验证,所以次年李、杨二人获得了1957年的诺贝尔奖。在授奖演讲上,杨振宁做了如下的发言。

实验结果并没有确认弱力是否宇称守恒。然而,应该令人感到震惊的是在相当长的一段时期内大家错误地坚信弱力是宇称守恒的。更应该令人感到震惊的是,本次发现可能会让我们此前深信的时空对称性遭到破坏。不过,我们并不是抱着这样的野心去进行研究和发现的,只是一味苦心地钻研K介子的性质罢了。

获得诺贝尔奖之后,完成如此伟大发现的李政道和杨振宁二人的关系开始恶化,并于1962年遗憾地分道扬镳。作为芝加哥大学的同窗,从成为朋友以来,他们二人在16年的时间里从事了很多共同研究的工作,但是他们彼此好像都认为是自己先想到的“宇称不守恒”。

根据庆祝李政道60岁诞辰的国际会议记录,李政道当时回忆道,是他指出了弱力宇称不守恒的可能性,遭到了杨振宁的强烈反对。于是他邀请杨振宁来到了哥伦比亚大学,在吃午饭的过程中通过讨论让杨振宁认可了自己的观点。他正想说把自己的发现撰写成论文发表的时候,年长的杨振宁却强行插了一嘴道:“咱俩一起写论文吧”。

然而,杨振宁在自己的论文选集里添加的亲笔注释中,同样提到了他们二人在哥伦比亚大学附近的中餐厅里进行讨论的情景。不过,这里是杨振宁率先发现如果强力宇称守恒、弱力宇称不守恒就能解决“τ介子”和“θ介子”的衰变谜题。虽然最初遭到李政道的反对,但是他最终还是接受了自己的观点,于是二人一起验证了过去的实验。另外他还写道,在16年的共同研究过程当中,年长的自己发挥了指导性的作用。

可能是诺贝尔奖的名声破坏了他们二人共同研究的对称性。回想起当时的情况,杨振宁是这么说的:

遗憾的是,这样的名声把此前没有的东西带进了我们的关系之中。1962年4月18日,李政道和我在他的办公室里谈了很久,“从我们作为芝加哥大学研究生相识”,我们回忆了1946年以来发生的往事。……几个月后,我们就永别了……“16年的友情”是我人生中非常有意义的一段插曲。虽然我也为分别感到苦恼,但是人生路上有意义的事情基本都伴随着痛苦。

我认为像他们这种强大的研究团队关系出现破裂,不仅令其本人感到遗憾,对于科学的进步也是一件憾事。


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《强力与弱力:破解宇宙深层的隐匿魔法》以通俗易懂的语言解读了强力与弱力以及基本粒子的相互作用机制,用推理小说的线索追踪与解谜方式介绍了微观层面下的奇妙世界以及自然的基本结构,能够让你以全新的视角面对和反思宇宙、自然以及万物的存在。


量子纠缠

作者/JR Minkel

《科学美国人》编辑,纽约大学科学与环境报告学硕士。2006-2008年在“科学美国人”网站(ScientificAmerican.com)从事宇宙学和物理学领域的撰稿工作。此外,还在《科学美国人》《科技新时代》《新科学家》《发现》《科技纵览》以及《科学家》等杂志上发表文章。

量子力学的随机性已经够诡异了,但其诡异性远不止于此。根据量子规律,宇宙一端的粒子的行为能够同时决定宇宙另一端的另一个粒子的行为,并且两个粒子间不存在任何信号的传输。

这种量子关系称为量子纠缠,爱因斯坦曾经为之头疼过,并称之为“幽灵般的超距作用”,同时他认为这是量子力学并非宇宙最终规律的标志。今天很多不了解量子纠缠的研究者已经开始接受它了。

当粒子在同一个过程中产生的时候,它们就处于纠缠状态了,比如某些特殊的晶体将一个光子分裂成两个能量更低的光子。如果研究者生成了许多光子对,并测量每个光子的极化(空间取向),他们会发现光子对之间的对比结果都是随机的。

但他们发现每一对的测量结果总是存在某种特殊的联系。如果一对光子中的一个极化方向是垂直的,那么另一个光子的极化方向就是水平的,反之亦然。这就好像看立体画中的点,这些点本身看起来好像是随机的,但实际上可以分成两组,一只眼睛看一组,图像就浮现出来了。

利用量子纠缠,科学家已经建成了远程传输装置。虽然这些装置无法把物质分解,然后在另一个地点将之重现,但它们可以做一件近乎完美的事情。研究者利用量子纠缠已经实现了“瞬间转移”,即将一束光波中的量子态传递到一团原子云中,这种技术可以用来实现量子计算。不过,你不能像星际迷航中的斯科特船长那样被瞬间转移,瞬间转移只存在于那种简单干净的量子体系中,不适用于复杂的生物。

相关趣事

你可以利用量子纠缠传递密码信息。如果有窃听者企图中途截取信息,他会对纠缠态形成干扰,从而暴露自己。

2007年,研究人员在空气中将纠缠态的光子传输了144千米,从加那利群岛的拉帕尔玛岛传到了摩洛哥海岸的特内里费岛。下一步,可能最快到2014年,将实现从地球到国际空间站之间纠缠态光子的数千千米的 传输。


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《60秒科学:看宇宙——《科学美国人》专栏文集》精选自《科学美国人》的“60秒学科学”栏目,主要介绍宇宙中的物质和能量相关定理,量子力学的诡异性质,空间、时间和物质运动的神秘联系,太阳系的组成,银河系内外的奇幻成员,宇宙大爆炸等宇宙论,内容广泛涉及物理学和天文学知识,充满了自然奇趣。