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什么是宇称守恒？

粗略地说，宇称可以理解为双边对称或双边交换。按照这个解释，宇称不变性就是双边交换不变性。或者“镜像与原物对称”。对称现象普遍存在于自然界的事物中，人们也普遍认为事物运动变化的规律是对称的。在物理学中，对称性有更深一层的含义，指的是物理规律在一定变换下的不变性。长期以来，物理学家认为，在这样的镜像反转下，所有的自然规律都保持不变。比如进行牛顿运动定律实验时，前面放一面镜子。如果我们看镜内的物理规律，和镜外是一模一样的。例如，如果一个球A向右移动，我们可以在镜子中看到一个球A向左移动。虽然A和A的运动方向相反，但都遵循规律，也就是说力学规律对镜像反演不变，具有空间反演不变性。同样，麦克斯韦方程和薛定谔方程对空间反演是不变的。不变性原理通常与守恒定律联系在一起。比如动量守恒定律就是物理定律不变性在空间平移中的体现；能量守恒定律与时间平移的不变性有关；角动量守恒定律是物理定律和空间旋转对称性的体现。在微观世界中，微观粒子的状态是用波函数来描述的，也就是说波函数的值是随坐标变化的。为了描述这个与空间反演对称性有关的物理量，引入了宇称的概念。因为两个连续的空间反演(镜面反射)等于自身的第一次反射和第二次反射。所以宇称不同于能量、动量等物理量，是不断变化的。它只能取两个离散值(1)或(-1)，也就是说当镜像对称时，波函数有两种可能：第一种情况称为正(1)，第二种情况称为负(-1)。对于多粒子系统，系统的总宇宙称为系统中每个粒子宇称的乘积。有了上面的概念，就可以根据左右对称推导出“宇称守恒定律”，表述为：无论多粒子组成的系统在相互作用后发生什么变化(包括粒子数可能发生的变化)，如果它的总宇称不变，它就是正的，相互作用后它仍然是正的；本来是负面的，互动后还是负面的。这个定律对很多情况都成立，比如强相互作用，电磁相互作用。所以对于弱相互作用来说不言而喻，同样如此。这种弱相互作用下宇称守恒的观点已经保持了30年。然而，1954年至1956年，人们在粒子物理的研究中遇到了一个难题，即所谓的“-之谜”，即带电的介子有两种衰变方式，一种叫做介子，另一种叫做介子。质量、电荷、寿命、自旋等。这两种粒子几乎完全相同，以至于人们不禁怀疑它们是同一个粒子。但是，另一方面，它们的衰变情况不同，表现出不同的宇称。粒子衰变时产生三个介子，它们的空间称为负(由根树决定的介子的空间称为-1和宇称守恒定律)，而粒子衰变时产生两个介子，它们的空间称为正。也就是说粒子和粒子衰变的宇称完全相反。如何解释这种现象？只有两种可能的答案：一种是承认宇称守恒定律，那么粒子和粒子是两种不同的粒子。因为它们的宇称不同，所以相互作用过程的宇称应该保持不变，但不能解释为什么和粒子具有相同的性质。另一种是确认和是同一种粒子，那么宇称守恒定律就不成立。李政道和杨振宁在1956年研究这个问题时，仔细分析了关于宇称守恒的各种实验数据，发现至少在弱相互作用领域，宇称守恒定律从未被实验验证，而只是一种理论推断。

因此，根据“-之谜”的揭示，他们提出弱相互作用过程前后宇称可能不守恒，还指出衰变(也是弱相互作用)的实验可以用来证实或否定他们的猜想。人们对弱效应的研究由来已久，从放射性发现至今已有半个多世纪。费米提出衰变理论已经二十多年了。在这段漫长的时间里，人们对弱作用做了大量的实验，尤其是对衰变做了大量的实验，但都没有证明宇称是否守恒。这是因为从来没有人怀疑过左右对称。人们总是相信它，应用它，从来不想去测试它。当然，要怀疑这样一个基本规律，必须采取非常谨慎和严肃的态度。李政道和杨振宁对所有做过的弱作用实验进行了彻底的研究，发现在他们提出宇称在弱作用下可能不守恒的推测之前，没有一个实验曾经证明宇称是否守恒。然而，毕竟双边对称的原理是如此的明显和自然，以至于人们很难相信宇称真的会守恒。著名物理学家泡利曾打趣道：“我不相信上帝是左撇子？”宇称是否守恒，只能通过实验来判断。为此，李政道和杨振宁设计了一系列实验方案，用来检验宇称是否守恒。设计的原理是安排两套实验装置，严格来说是互为镜像，然后观察这两套装置中的弱作用过程，看两套装置是否互为镜像。几个月后，上述假设被另一位美籍华人物理学家吴健雄教授和美国华盛顿州国家标准局的几位物理学家用一个出色的实验证实了，这个实验是关于极化60CO核的衰变的实验。在这个实验中，他们用确凿的证据证明了弱相互作用

用过程中宇称守恒定律不成立，弱相互作用下宇称不守恒的发现和实验验证，可以说是第二次世界大战以来最伟大的发现。正是由于这一震惊物理学界的杰出贡献，李政道和杨振宁共同获得了1957年诺贝尔物理奖，这时距他们发表宇称不守恒的研究成果还不到两年，速度之快在诺贝尔奖金史上是罕见的。 这是很了不起的贡献，虽然杨先生的人品一般，但他绝对是二十世纪最好的科学家之一。该定律表明:如果描述系统初态的波函数具有偶(奇)宇称,则描述终态的波函数也具有偶(奇)宇称。对于弱相互作用,此定律不成立！

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