56. 宇称为什么不守恒

侯工

1. 宇称守恒

宇称守恒理论是由德国女数学家艾米·诺特（1888-1927）提出来的。

“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的对应性，例如容貌、装扮、表情和动作都一一对应，这叫做所有性质完全相同。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”。

例如，一个粒子顺时针旋转，它的镜像粒子从镜中看起来是逆时针旋转，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。也就是说，无论何时，你照镜子，镜子反映的一定是你的镜像。

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——这里漏了结构力、重力和膨胀力，应该是7种力。宇称守恒理论除了弱力在几乎所有的领域都得到了验证。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：粒子在这三种环境下表现出了完全的对称，例如能量守恒，速度守恒，质量守恒等。（结构力、重力和膨胀力也得到验证，实际上在是6种环境中都得到了很好的验证）

2. 宇称不守恒

其实，诺特的宇称守恒理论是有条件的。在弱力条件下就不成立，因为弱力是结构力在宇宙球面上对微物质（粒子）里的一个分作用力，是专门负责分解物质的，另一个分作用力是强力，是专门负责稳定粒子的结构的，而弱力起主要作用，使粒子不断分解。

在1956年，两位美籍华裔物理学家李政道和杨振宁，从宇宙射线里观察到两种新的介子（质量介于质子和电子之间的粒子即不完整的质子）：θ和τ。这两种介子的自旋、质量、电荷与寿命等完全相同，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？

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（互为镜像）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，同为华裔的实验物理学家吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变，她在极低温（0.01K）下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明，这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异，而且电子放射的方向也不能互相对称。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。

李政道和杨振宁因为发现了宇称不守恒而获得诺贝尔奖。

3. 宇称为什么不守恒

现在关键问题是，宇称在弱力环境中为什么不守恒？

李政道、杨振宁和吴健雄都证实了宇称不守恒，但是他们不知道宇称为什么不守恒。在不了解最小粒子之前，人们不可能正确回答这个问题。

现在回到“（1）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？”和“（2）两套装置中的钴60互为镜像，但放射出来的电子数为什么有很大差异？而且电子放射的方向也不能互相对称？”这两个问题，人们百思不得其解。

其实，这些都是弱力使粒子分解成为最小粒子在作怪。

最小粒子具有能量，可以运动，但没有质量，没有自旋，也没有电磁性，因此人们不可能感知它，还以为它不存在，误以为是绝对的虚无，这就是人们常说的“真空”。但事实上它是存在的，并且充满整个宇宙空间。它构成了宇宙球面，是光和力的传播介质，而且牵引着宇宙万物同步前进。

在问题（1）里，虽然τ和θ是同一种粒子，如果互为镜像，就是旋转方向相反。由于两者所含的最小粒子数相同，结构一样，所以具有一模一样的质量和寿命。但是在衰变时却是随机的。比如在观察θ衰变时会产生两个π介子，τ则衰变成三个π介子，那是因为θ衰变时，其中有个π介子由于靠近球面膨胀产生的间隙，率先进一步分解了，已经分解成为最小粒子了，变得无影无踪了。同理，在问题（2）里，放射出来的电子数分解速度也不一样，有的分解快，快到已经分解成为最小粒子了，在眼前消失了，当然放射出来的电子数就有很大差异了，而运动方向取决于各自分解时的状态，由于各自状态不同，电子放射的方向当然不同，而且分解速度也不一样。

这两个实验，相当于你有两只耳朵，但是镜子里只看到一只耳朵，吓你个半死，这就是宇宙玩的魔术。在弱力作用下，宇宙可以使宇称守恒变得不守恒。如果宇称总是守恒的，物质就不能分解，无法补充膨胀的球面，世界就没有变化，宇宙也就因不能运动而湮灭了。

在宇称不守恒中，虽然质量不守恒，但是物质是守恒的——最小粒子的总数是守恒的，有质量的可观测的物质（体）变成了没有质量的不可观测的最小粒子。最小粒子是物质的另一种形态。当所有物质（体）分解完毕，最小粒子一个也不少。