研究不對稱 7人榮摘諾貝爾獎

科學報導

中國時報 B4/科學周報 2009/1/11

【陳至中/專題報導】
  自然界中處處可見對稱或不對稱的事物,直到1956年之前,物理學界總認為主宰這些現象的「物理律」是「左右對稱」的。在那年,李政道及楊振寧提議「弱作用中的宇稱不守恆」,並透過吳健雄的實驗證實,才打破該成見。至今包含去年,有關「不對稱」的研究,至少讓7名學者拿到諾貝爾物理獎。
  本報與中央大學舉辦「遇見科學」系列演講,邀請東吳大學物理系教授劉源俊以「物理對稱知多少」為題,進行演講。他說,自然界有許多左右對稱的事物,例如蝴蝶蘭、荷花的花朵,若以鏡子置中,鏡中顯示的一半影像和真實的一半一模一樣;有些事物表面上沒左右對稱,但在統計上有對稱,例如颱風在北半球是逆時鐘轉、在南半球則順時鐘轉。
  還有些是在統計上是明顯不對稱,例如慣用右手的人類,明顯較慣用左手的多,大部分的貝殼是右手螺旋。也有些事物一定左右不對稱,例如DNA分子一定是右手螺旋等。
  萬物左右對稱 1956年前是鐵律
  有關左右對稱的實驗,最早是在1848年。法國科學家Louis Paste ur在研究時發現,酒石酸可分為有旋光性的酒石酸(tartaric acid )和沒旋光性的消旋酒石酸(racemic acid)兩種,兩者的化學性質除旋光性外,其它竟然完全相同。
  主宰這些現象的物理律,過去科學家大多認為絕對是「左右對稱」,例如,在牛頓力學的三大運動律、萬有引力律及電磁律中的庫侖律、高斯律、安培律、法拉第律,無一不呈現左右對稱。
  但物理律的左右對稱已被科學界打破,這是一個天大的發現!話說 1956年,李政道與楊振寧提議「弱作用的宇稱不守恆」驚動了物理學界。兩人推論宇稱守恆在弱作用中若不成立,也就是說物理律左右不對稱,就應會發現左右不對稱的基本現象。
  楊、李宇稱不守恆轟動物理界
  李、楊當時是分析θ粒子與τ粒子的衰變,發現θ衰變時會產生兩個π粒子,為偶性;τ衰變時則產生三個π粒子,為奇性,兩種粒子的質量、電荷完全相同。過去物理界基於物理律的對稱特性,認定為兩種不同的粒子。而李、楊在《物理評論》上發表的〈弱作用裡宇稱守恆的問題〉,大膽推測θ粒子與τ粒子是同一種粒子,只是奇偶性(宇稱)在弱作用裡「不守恆」。
  該文一出,轟動物理學界,許多人不相信,知名的瑞士物理學家W olfgang Pauli即說:「我不相信上帝是個弱的左撇子!」直到吳健雄於是依照論文的建議從事鈷60的衰變實驗,她在極低溫下用強磁場使鈷60原子核的自旋方向排列整齊。
  吳健雄實驗 證實李、楊理論
  吳健雄1956年底的實驗發現,鈷60原子核的β衰變方向總與電流方向皆呈現左手螺旋的關係,以此證實李、楊的推論。所以,基本粒子在弱作用中,的確存在左右不對稱的現象。李政道與楊振寧於翌年獲得諾貝爾物理獎,吳健雄實是最大的功臣。這一發現對往後的宇宙論、基本粒子物理、生命起源論產生革命性的影響,也開啟後來一連串關於「破稱」(broken symmetry)的思惟與研究。
  劉源俊並提出一個有趣的問題:人類如何與遠星人辨別左右?他表示,照理說只要做「吳健雄實驗」,得出結果永遠是「左手螺旋」,便能確定何謂「左」與「右」。問題是,如果遠星人是「反物質」組成,他們的「吳健雄實驗」就與人類互為鏡像,換言之,還是搞不清是左是右。
  研究「破稱」 能與遠星人辨左右
  幸好在1964年,科學界又有新發現,美國高能物理實驗家J.W. Cr onin和V.L. Fitch發現K粒子與其反粒子衰變為π+π-的速率不同。因此做K粒子衰變的實驗,就能分辨出「遠星人」所處的世界是物質或反物質組成;該研究使兩人獲得1980年的諾貝爾物理獎。
  劉源俊說,至此可以總結,只要先做K粒子衰變的實驗,再做吳健雄的實驗,就能「和遠星人辨別左右」。而關於物理律的不對稱現象,已讓4人獲得諾貝爾物理獎。但歷史的腳步並未停歇,2008年日本學者南部陽一郎、小林誠、益川敏英又以「自發對稱性破缺」獲獎。後來發現的B粒子及其反粒子,其衰變也有不對稱的現象─小林與益川的理論就與此有關。