Ένα μη συμμετρικό Νόμπελ φυσικής
Το Νόμπελ φυσικής του 1957

Άρθρο, 27 Δεκεμβρίου 2002

Το βραβείο Νόμπελ 1957 στη φυσική απονεμήθηκε στους θεωρητικούς φυσικούς Tsung Dao Lee  και Chen Ning Yang για τις έρευνες τους πάνω στους νόμους της συμμετρίας στις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων. Στις 27 Δεκεμβρίου 1957 σε ένα δύσκολο πείραμα, στο Εθνικό Γραφείο Μετρήσεων, βρήκαν ότι στην διάσπαση β, μια ασθενής αλληλεπίδραση, ο κόσμος μας είναι διακριτός ως προς την κατοπτρική του εικόνα. Έτσι ανέτρεψαν την από μακρού υφιστάμενη άποψη για την συμμετρία των νόμων της φύσης, όσον αφορά την αριστερόστροφη και δεξιόστροφη συμμετρία. Στη γλώσσα των φυσικών αυτό συνεπάγεται ότι δεν διατηρείται η ομοτιμία (parity P) στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις.

Όταν δημιουργήθηκαν τα πρώτα ατομικά μοντέλα οι φυσικοί έμειναν με την άποψη ότι ήταν  αδιαίρετα και αμετάβλητα. Η πραγματικότητα όμως αποδείχθηκε ότι ήταν πολύ μακριά από την ιδανική εικόνα που είχαν πλάσει οι πρώτοι ατομικοί φυσικοί.  Αμέσως είδαν ότι τα άτομα είχαν δομή και σαν συνέπεια αυτών των ανακαλύψεων, δημιουργήθηκε η κβαντική θεωρία.  

Μια άλλη βασική πτυχή της κβαντικής μηχανικής και της κβαντικής θεωρίας πεδίου είναι οι συμμετρίες των κυματοσυναρτήσεων και των πεδίων ως προς το χώρο (P), χρόνο (T) και φορτίο (C). Η συμμετρία που αναφέρεται σαν ομοτιμία (parity), αναφέρει ότι δεν υπάρχει διάκριση ανάμεσα σε αριστερόστροφα και δεξιόστροφα συστήματα.

Οι φυσικοί γνωρίζοντας από την κλασσική φυσική ότι οι εξισώσεις του Νεύτωνα και Γαλιλαίου ότι ήταν συμμετρικές ως προς το χώρο και χρόνο είχαν υποθέσει ότι και οι στοιχειώδεις αντιδράσεις των σωματιδίων είναι κατοπτρικά συμμετρικές. Μάλιστα αυτή η υπόθεση είχε παίξει σημαντικό μέρος και στην επεξεργασία της θεωρίας Fermi. Και αυτή η υπόθεση τους φαινόταν πολύ φυσιολογική, αν λάβουμε υπόψη τη θεωρία Dirac, σύμφωνα με την οποία τα ηλεκτρόνια δεν κατείχαν κανένα χαρακτηριστικό γνώρισμα που θα επέτρεπε μια διάκριση μεταξύ δεξιού και αριστερού προσανατολισμού.

Το 1956, οι Κινέζοι φυσικοί Tsung-Dao Lee (γεν. 24 Νοεμβρίου 1926 στην Σαγκάη της Κίνας) και Chen Ning Yang (γεν. 22 Σεπτεμβρίου 1922 στο Hofei της Κίνας) τόλμησαν να αμφισβητήσουν την συμμετρία των νόμων της φυσικής σε συστήματα με κατοπτρική συμμετρία.

Η αφετηρία των Lee και Yang, για να αναθεωρήσουν ολόκληρο το εποικοδόμημα της φυσικής για την συμμετρία στις στοιχειώδεις αντιδράσεις των σωματιδίων, ήταν ορισμένες παράξενες παρατηρήσεις σχετικά με ένα είδος νέων σωματιδίων, των μεσονίων Κ. Αλλά αν κι αυτές οι παρατηρήσεις μπέρδεψαν αρκετά τους φυσικούς, μόνο οι Lee και Yang πήραν σοβαρά τις συνέπειες αυτών των παρατηρήσεων.

Το αποτέλεσμα της έρευνάς τους ήταν απροσδόκητο, δηλαδή ότι η ισχύς της υπόθεσης της συμμετρίας, ακόμα και στις καλύτερα γνωστές διαδικασίες, δεν είχε καμία πειραματική υποστήριξη.  Η αιτία για αυτό ήταν ότι οι φυσικοί είχαν δεχθεί την συμμετρία a priori.

Οι Lee και Yang δεν περιορίστηκαν μόνο σε αυτή την εξέταση αλλά επινόησαν διάφορα πειράματα που θα καθιστούσαν πιθανό να εξετάσουν τη συμμετρία αριστερό-δεξιό σε διαφορετικούς μετασχηματισμούς στοιχειωδών σωματιδίων, και τα πρότειναν στους πειραματικούς συναδέλφους τους.

Το πρώτο από αυτά τα πειράματα πραγματοποιήθηκε από την Κινέζα φυσικό, C.S. Wu. Πολύ σχηματικά ήταν το εξής πείραμα: Οι πυρήνες ενός ραδιενεργού ισοτόπου του κοβαλτίου εκτέθηκαν σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο -οι πυρήνες είναι και οι ίδιοι μικροί μαγνήτες. 

Τα ηλεκτρόνια όμως που εκπέμπονταν από τους πυρήνες φανέρωναν μια προτίμηση προς ορισμένη κατεύθυνση (προς τα κάτω). Το κατοπτρικό είδωλο του πυρήνα κοβαλτίου, ενώ περιστρέφεται αντίθετα συνέχιζε να εκπέμπει ηλεκτρόνια πάλι κατά την ίδια κατεύθυνση, προς τα κάτω. Επιβεβαίωσαν έτσι ότι οι φυσικές αλληλεπιδράσεις δεν μπορούν πάντα να είναι συμμετρικές όσον αφορά το κατοπτρικό τους είδωλο (μπορούν δηλαδή να είναι διαφορετικές όπως φαίνονται σε έναν αριστερόστροφο και ένα δεξιόστροφο σύστημα συντεταγμένων).

Αυτό σημαίνει ότι μια ιδιότητα της κυματοσυνάρτησης, που λέγεται "ομοτιμία" και παριστάνεται με το σύμβολο "P", δεν διατηρείται όταν το σύστημα εκτίθεται σε μια τέτοια αλληλεπίδραση και η ιδιότητα ανάκλασης μπορεί να μεταβληθεί.

Η εργασία των Lee και Yang ήταν η αφετηρία για μια έντονη αναζήτηση τέτοιων αποτελεσμάτων και αποδείχθηκε σύντομα ότι η β αποσύνθεση αλλά και η διάσπαση π->μ, οι οποίες προκαλούνται από την  "ασθενή αλληλεπίδραση",  δεν διατηρούν την ομοτιμία.

Η καταστροφή αυτής της συμμετρίας συντάραξε τις βεβαιότητες της θεωρητικής φυσικής και οδήγησε σε νέες επιστημονικές γνώσεις. 

Στους Lee και Yang απονεμήθηκε από κοινού το βραβείο Νόμπελ φυσικής το 1957.