袁岚峰介绍李政道先生思想的演讲（一）

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　　导读
　　2021年5月29日，袁岚峰在上海交通大学李政道图书馆做报告《物理与美学的顶峰相遇——李政道先生思想的星辰之光》，庆祝李政道先生95岁华诞及其物理科普代表作《对称与不对称》新书发布（李政道新书发布会上 科普人诠释顶峰之光 | 中科院科学传播研究中心）。会场气氛热烈，同学们提问十分踊跃，提的问题也都很有思考，令人欣喜。以下为演讲稿的第一部分。视频链接：
　　西瓜视频： https://www.ixigua.com/6970978137211404807 本视频发布于2021年6月7日，播放量已超4万 精彩呈现：
　　大家好，非常荣幸在这里向大家介绍李政道先生的学术思想。
　　李政道《对称与不对称》新书发布会
　　从我小时候刚开始读书的时候，就看到了李政道先生和杨振宁先生获得诺贝尔物理学奖的故事。这对我当然是一个巨大的鼓舞，我相信对好几代人都是如此。那时中国科学界离世界前沿的距离比现在大得多，可以说是百废待兴。但中国人民的雄心壮志始终没有磨灭，一心向前进。现在看来简直有些天真，但这种天真正是一种可贵的精神。正如我经常引用的一句基辛格的格言：＂大事业往往需要一点天真去推动。＂在这种勇往直前背后，李政道先生和杨振宁先生的故事就是一个重大的动力源泉。
　　袁岚峰的报告《物理学与美学的顶峰相遇——李政道先生思想的星辰之光》
　　以上这些是所有人都能够理解的。要深入理解李政道先生的思想，首先当然需要理解他的科学成就。所有人都听说过，李政道先生和杨振宁先生得诺贝尔奖是因为发现＂宇称不守恒＂。但宇称不守恒是什么意思呢？大多数人大概就不清楚了。
　　袁岚峰回答同学的问题
　　其实，宇称不守恒的意思可以用一句话解释，就是定义绝对的左右。
　　左右镜像
　　这话是什么意思呢？让我们想想，我们平时是怎么定义左右的。其实最常用的定义就是：左手在左边，右手在右边。但是稍微一想就会发现，这是个循环定义，根本没有解决任何问题。这个循环定义居然能够奏效，是因为我们可以跟小朋友面对面地交流，拿着他的胳膊说，这个是左边，这个是右边。但如果不能见面，单凭语言交流，你就会发现定义左右是个非常困难的任务。所以，不要说是对小朋友了，即使是对成年人，分清左右也不是总能做到的。经常有人在跳舞或者军训的时候顺拐，这就是分不清左右的典型表现。
　　军训顺拐
　　当然，你可以说，人的心脏在左边，至少是大多数人的心脏在左边。这个定义比＂左手在左边＂好多了，但请仔细想一下，这真的是一个本质性的定义吗？
　　人的心脏位于左边
　　其实并不是。因为你可以想象一个镜中世界，其中每一个人、每一个物体以至每一个分子的左右方向都是跟我们相反的。这个镜中世界的人能不能存活呢？回答是可以，因为他并没有违反任何物理规律。这就触及到了问题的实质：物理规律的左右对称。所谓人的心脏在左边，只是一个偶然的现象，而不是物理规律。我们相信，在这个不对称的现象背后的物理规律仍然是左右对称的。也就是说，镜中世界的所有现象跟现实世界的所有现象同样地可以成立。你向着镜子挥舞左手，镜中的人向你挥舞右手，两者同样符合物理规律。你无法分辨哪个是真的，哪个是镜像。甚至可以说，你无法确认你现在是在真实世界里面，还是在镜像世界里面。两者是同等合理的，你无法分辨自己是在哪个里边。这就像伽利略提出的相对性原理：如果你在一条匀速直线运动的大船里面，你不向外看就不可能知道这条船是静止的还是运动的，因为你看到的所有现象都跟静止的船一样。如果在船里放一碗水，你看到的就是水面保持水平，而不是水面起伏不定。如果你在手里握一个球，然后松手，你看到的就是这个球落到正下方，而不是落到后面去。总之，一切都跟静止的船一样。
　　伽利略相对性
　　这种不可分辨性，使我们无法定义绝对的静止。同样，真实世界跟镜像世界的不可分辨性，使我们无法定义绝对的左右。如果一个现象的镜像跟它满足同样的物理规律，即这个现象无法区分左右，那么我们就说这个现象是宇称守恒的。广而言之，每一种对称性都会导致某些物理量无法定义，同时导致某些物理量守恒。本书的附录A里举了好几个例子，列了一张表。例如，空间平移的对称性导致不可定义绝对的位置，由此导致动量守恒定律，这就是刚才说的伽利略相对性。又如，时间平移的对称性导致不可定义绝对的时间，由此导致能量守恒定律。空间转动的对称性导致不可定义绝对的方向，由此导致角动量守恒定律。
　　物理学中对称性的例子（《对称与不对称》表A.1）
　　跟我们当前最相关的是，空间反射的对称性导致不可定义绝对的左右，由此导致宇称守恒定律。这话实际上只是告诉大家，存在宇称（parity）这样一个物理量，还没有说它是怎样定义的。宇称这个物理量的定义，我们留到后面解释。如果你理解到这一层，你的知识水平就超过了90%的人。李政道先生在这本书里，举了一个有趣的例子。设想有两辆汽车，造得一模一样，唯一的区别就是左右反转。我们不是把这两辆汽车称为a和b，而是称为b和d，因为b和d互为镜像。请问，这两辆汽车的性能是不是完全一样呢？
　　两辆除互为镜像外造得完全一样的汽车（《对称与不对称》图5.1）
　　常识的回答当然是，完全一样。然而惊人的答案来了：它们可以不一样！这就是宇称不守恒。具体而言是这样：如果这两辆汽车用到的全都是常规的物理原理，也就是我们平时用到的内燃机、电池等等，那么它们的性能确实会完全相同。但如果用到了一种超越日常生活的物理原理，即所谓＂弱相互作用＂（weak interaction），那么它们就会出现区别。哎，弱相互作用是什么意思？现在我们需要讲一下基本作用力，弱相互作用就是其中的一种。如果问，世界上的力有多少种？那当然可以数出很多，简直无穷无尽。但如果问，基础的力有多少种？那就变得屈指可数了，因为很多种平时见到的力是可以合并的，它们都是同一个来源。例如，化学反应中涉及的力其实全都是电磁力（electromagnetic force），因为化学反应中发生的就是电子的重新排布，这是由原子核与电子、电子与电子、原子核与原子核之间的电磁力驱动的。经过这样的合并之后，基本的相互作用就只剩下了三四种。到底是三种还是四种呢？常见的说法是四种，而这本书里说的是三种。常见的说法四种指的是：强相互作用（strong interaction）、电磁力、弱相互作用和万有引力（gravity）。而这本书里把电磁力和弱相互作用合并称为电弱相互作用（electroweak interaction），所以只有三种。这是因为在四种的基础上，物理学家们又提出了一种理论，把电磁力和弱相互作用统一了起来。
　　粒子物理的目前状态（《对称与不对称》表16.1）
　　现在人们还在尝试再把强相互作用和电弱相互作用统一起来，也就是把引力之外的所有作用都统一起来。这叫做大统一理论（grand unified theory），目前还没有成功。还有人在尝试把包括引力在内的所有相互作用都统一起来，这个目标就更加宏大了，当然离成功就更远。公众经常听说的超弦理论（superstring theory），就是这些尝试中的一种。下面，我们简单地解释一下这四种相互作用。
　　四种基本相互作用
　　强相互作用就是把质子（proton）和中子（neutron）结合成原子核（atomic nucleus）的力。大家都知道，原子核是由质子和中子组成的，中子不带电，质子带正电。质子与中子统称核子（nucleon）。这些带正电的质子之间离得这么近，它们之间肯定有很强的静电排斥力。但原子核居然没有炸开，而是紧密地结合在一起，这说明什么？说明核子之间肯定有更强的吸引力，克服了静电排斥。这种更强的吸引力就是强相互作用，或者称为核力（nuclear force）。它的强度比电磁力高两个量级。值得一提的是，在强相互作用的层面上，质子跟中子是完全一样的。也就是说，质子跟质子之间、质子跟中子之间以及中子跟中子之间的强相互作用都相等。所以对于核力而言，重要的只是核子这个统称，而不需要区分质子和中子。然后是电磁力。其实我们日常生活中用到的几乎所有的力都是电磁力，除了万有引力之外。因为我们前面说了，所有的化学反应都来自电磁力，而人力、畜力等等都来自化学反应。至于家用电器的能量，那更是显而易见来自电磁力。除非你用到了核电站，那是核裂变（nuclear fission），或者氢弹，那是核聚变（nuclear fusion），核裂变与核聚变都来自强相互作用。然后是弱相互作用。这不是日常生活中常见的。如果一定要找一个跟日常生活最近的，大概就是医院的伽马刀手术，伽马刀的γ射线来自Co-60的β衰变（β decay）。什么叫做β衰变呢？人们最初发现放射性的时候，把放出的射线分为α、β和γ三种。后来发现，所谓α射线就是He的原子核，即两个质子加两个中子；所谓β射线就是电子；所谓γ射线就是光子，只不过是很高能量的光子。所以，放出电子的核反应被称为β衰变。
　　三种射线
　　电子的质量比核子小得多，β衰变的时候核子数没有发生变化，只是一个中子变成了质子，原子核的电荷数增加1，同时放出一个电荷为-1的电子。因此在强相互作用的层面上，没有发生任何变化。那么是什么导致了β衰变呢？就是弱相互作用。弱到什么程度呢？比强相互作用弱13个量级。大家可以记住，只要一个核反应属于β衰变，就涉及到了弱相互作用。最后是万有引力。它的强度简直低得惊人，比强相互作用低38个量级。所以在其他任何一种力占主导的情况下，引力都是可以忽略的。但它最大的特点就是只有相加没有相减，因此在宇宙尺度上，引力笑到了最后。
　　四种相互作用的相对强度（摘自杨振宁的诺贝尔奖演讲，https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1957/yang/lecture/）
　　好，介绍完了这四种力，请问，在确定左右方面其中哪种是特殊的？答案是弱相互作用，因为只有它是宇称不守恒的。回顾一下前面说的互为镜像的两辆汽车，如果它们用到弱相互作用，比如说用Co-60的β衰变来打火，那么它们的性能就会出现不同。这当然不是一眼就能看出来的。下面我们来解释，李政道和杨振宁是如何发现这一点的。 扩展阅读：
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　　《李政道到底有多厉害？》（https://www.zhihu.com/question/67277930/answer/959865106）
　　背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，＂科技袁人＂节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选＂典赞·2018科普中国＂十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。