什么是宇称守恒？

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樓主

發表於 2023-2-11 12:03:57 |只看該作者 |正序瀏覽

　　让我们先来了解一下“宇称守恒”的含义。“宇称”，就是指一个基本粒子与它的“镜像”粒子完全对称。人在照镜子时，镜中的影像和真实的自己总是具有完全相同的性质——包括容貌、装扮、表情和动作。同样，一个基本粒子与它的“镜像”粒子的所有性质也完全相同，它们的运动规律也完全一致，这就是“宇称守恒”。假如一个粒子顺时针旋转，它的镜像粒子从镜中看起来就是逆时针旋转，但是这个旋转的所有定律都是相同的，因此，镜内境外的粒子是宇称守恒的。按照诺特定理，与空间反射不变性(所谓空间反射，一般指的是镜像)对应的就是宇称守恒。

　　在某种意义上，我们可以把同一种粒子下的个体粒子理解成彼此互为镜像的，例如，假设一个电子顺时针方向自旋，另一个电子逆时针方向自旋，一个电子就可以把另一个电子当成镜像中的自己，就像人通过镜子看自己一样。由此推断，根据宇称守恒理论，所有电子自身环境和镜像环境中都应该遵循同样的物理定律，其他粒子的情况也是如此。

　　听起来，所谓的“宇称守恒”似乎并没有什么特别之处，至少在1926年之前，早已有人提出了牛顿定律具有镜像对称性。不过，以前科学家们提出的那些具有镜像对称的物理定律大多是宏观的，而宇称守恒则是针对组成宇宙间所有物质的最基本的粒子。如果这种物质最基本层面的对称能够成立，那么对称就成为宇宙物质的根本属性。

　　事实上，宇称守恒理论的确在几乎所有的领域都得到了验证——只除了弱力。我们知道，现代物理将物质间的相互作用力分为四种：引力、电磁力、强力和弱力。在强力、电磁力和引力作用的环境中，宇称守恒理论都得到了很好的验证：正如我们通常认为的那样，粒子在这三种环境下表现出了绝对的、无条件的对称。

　　在普通人眼中，对称是完美世界的保证；在物理学家眼中，宇称守恒如此合乎科学理想。于是，弱力环境中的宇称守恒虽然未经验证，也理所当然地被认为遵循宇称守恒规律。

　　李、杨的真知灼见

　　然而，真理终究要自己站出来说话。1956年，两位美籍华裔物理学家——李政道和杨振宁——大胆地对“完美的对称世界”提出了挑战，矛头直指宇称守恒定律，这成为上世纪物理学界最震撼的事件之一。引发这次震撼事件的最直接原因，是已让学者们困惑良久的“θ-τ之谜”，它是宇称守恒定律绕不过去的坎。

　　20世纪50年代初，科学家们从宇宙射线里观察到两种新的介子(即质量介于质子和电子之间的粒子)：θ和τ。这两种介子的自旋、质量、寿命电荷等完全相同，很多人都认为它们是同一种粒子。但是，它们却具有不同的衰变模式，θ衰变时会产生两个π介子，τ则衰变成三个π介子，这说明它们遵循着不同的运动规律。

　　假使τ和θ是不同的粒子，它们怎么会具有一模一样的质量和寿命呢？而如果承认它们是同一种粒子，二者又怎么会具有完全不一样的运动规律呢？

　　为了解决这一问题，物理学界曾提出过各种不同的想法，但都没有成功。物理学家们都小心翼翼地绕开了“宇称不守恒”这个可能。你能想像，一个电子和另一个电子的运动规律不一样吗？或者一个介子和另一个介子的运动规律不一样吗？当时的物理学家们可没这胆量。

　　1956年，李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后，大胆地断言：τ和θ是完全相同的同一种粒子(后来被称为K介子)，但在弱相互作用的环境中，它们的运动规律却不一定完全相同，通俗地说，这两个相同的粒子如果互相照镜子的话，它们的衰变方式在镜子里和镜子外居然不一样！用科学语言来说，“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的。

　　李政道和杨振宁的观点震动了当时的物理学界，他们在完美的物理学对称世界撕出了一个缺口！