宇称守恒是什么?宇称不守恒定律又是什么?
1956年2月22日,杨振宁(右图)和李政道(左图)共同发表了一篇文章,推翻了物理学的中心信息之一——宇称守恒?基本粒子和它们的镜象的表现是完全相同的。
李政道和杨振宁获得诺贝尔奖的那篇文章题目是:QuestionofParityConservationinWeakInteractions(PhysicalReview.104(1):254–258)。1957年李政道、杨振宁和吴之三人在《科学通报》上发表了《弱相互作用中的宇称守恒问题》一文,所以“宇称”就对应英语的Parity。
不过Parity翻成成“宇称”应该不是他们三人的首创,因为彭恒武先生在1955年的《科学通报》的《核子力的探讨》一文中就使用了“宇称”一词。中文期刊网可以检索到1900年的文章,但该网收录有“宇称”一词的最早文章就是彭先生这篇。
Parity源自新拉丁语paritas,后者语义是equality(均等)。在现代英语中,其通用语义依然是(很正规):Ifthereisparitybetweentwothings,theyareequal.(如果两个事物之间存在parity,则它们是对等的。)
在物理领域,parity有特殊含义。物理现象或特征可以用以空间坐标为自变量的波函数来刻画。如果改变空间自变量x变成-x,但波函数值不变,就说其特性为evenparity(有点类似偶函数),而若x变成-x后,波函数也变成相反数了,就说其特性为oddparity(类似奇函数)。
偶函数的图形曲线镜像对称,而奇函数是中心对称,不管哪种都有“称”。
至于“宇”可能是指的空间,即自变量x,y,z。汉语“宇宙”“宇宙”一词连用,最早出自《庄子》。在《尸子》中有:“上下四方曰宇,往古来今曰宙”。
“宇称”自然不是古语,翻译成汉语的年代应该在量子物理建立之后。按照上述理解“宇称”应读为yǔchèn,但它的流行读法是yǔchēng。称有三种读音,除了chèn,还有chēng 和chèng。读chēng的语义为“衡量物体轻重的器具。同‘秤’”,读[chèng]的语义是“
衡量物体轻重的器具。同‘秤’”。读chèn的语义是“适合;相当”,如”对称、匀称、称心”。
在微观世界里,基本粒子有三个基本的对称方式:一个是粒子和反粒子互相对称,即对于粒子和反粒子,定律是相同的,这被称为电荷(C)对称;一个是空间反射对称,即同一种粒子之间互为镜像,它们的运动规律是相同的,这叫宇称(P);一个是时间反演对称,即如果我们颠倒粒子的运动方向,粒子的运动是相同的,这被称为时间(T)对称。
这就是说,如果用反粒子代替粒子、把左换成右,以及颠倒时间的流向,那么变换后的物理过程仍遵循同样的物理定律。
宇称守恒说若物理定律的一种对称性,则存在一条对应的守恒定律。上述经典物理范围内的对称性和守恒定律相联系的诺特定理后来经过推广,在量子力学范围内也成立。定律于1926年提出,在强力、电磁力和万有引力中相继得到证明。
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。
在最初,“θ-τ”粒子只是被作为一个特殊例外,人们还是不愿意放弃整体微观粒子世界的宇称守恒。此后不久,华裔的实验物理学家吴健雄用一个巧妙的实验验证了“宇称不守恒”,从此,“宇称不守恒”才真正被承认为一条具有普遍意义的基础科学原理。