宇称

粒子在空间反演下变换性质的相乘性量子数

宇称是描述粒子在空间反演下变换性质的相乘性量子数，引记为P。它只有两个值+1和－1。如果描述某一粒子的波函数在空间反演变换(r→－r)下改变符号，该粒子具有奇宇称(P=－1)，如果波函数在空间反演下保持不变，该粒子具有偶宇称(P=+1)；n个粒子组成的系统的宇称等于这n个粒子宇称之积再乘以这n个粒子之间的n－1个轨道宇称之积；轨道角动量量子数为1时，其轨道宇称为(－1)。玻色子及其反粒子内禀宇称之积为+1；费米子及其反粒子内禀宇称之积为－1。在强相互作用和电磁作用过程中宇称守恒，在弱作用过程中宇称不守恒。

原理

假定我们把每一个亚原子粒子都挂上标签：要么是A，要么是B，二者必居其一。再进一步假定，一个A粒子只要分裂成两个粒子，这两个粒子要不是统统属于A类，就必定是统统属于B类。这时我们可以写出A=A+A或A=B+B。一个B粒子如果分裂成两个粒子，这两个粒子当中总是有一个属于A类，另一个属于B类，所以我们可以写出 B=A+B。你还会发现另一种情形:如果两个粒子互相碰撞而分裂成三个粒子，这时你就可能发现A+A=A+B+B或A+ B=B+B+B。但是，有些情形却是观察不到的。例如，你不会发现A +B=A+A或A+B+A=B+A+B。

为什么会这样呢?好吧，让我们把A看作2，4， 6这类偶数当中的一个，而把B看作3，5，7这类奇数。两个偶数相加总是等于偶数（6=2+4），所以A=A+ A。两个奇数相加也总是等于偶数（8=3+5），所以A =B+B。但是，一个奇数和一个偶数之和却总是等于奇数（7=3+4），所以B=A+B。换句话说，有些亚原子粒子可以称为“奇粒子”，另一些亚原子粒子可以称为“偶粒子”，因为它们所能结合成的粒子或分裂成的粒子正好与奇数和偶数相加时的情况相同。当两个整数都是偶数或者都是奇数时，数学家就说这两个整数具有“相同的奇偶性”；如果一个是奇数，一个是偶数，它们就具有“不同的奇偶性（宇称）”。这样一来，当有些亚原子粒子的行为象是奇数，有些象是偶数，并且奇数和偶数的相加法则永远不被破坏时，那就是过去所说的“宇称守恒”了。1927年，物理学家魏格纳指出，亚原子粒子的宇称是守恒的，因为这些粒子可以看作是具有“左右对称性”。真有这种对称性的东西与它们在镜子里所成的像（镜像）完全相同。数字0和8以及字母H和X都具有这样的对称性。如果你把8，0，H和X转一下，让它们的右边变成左边，左边变成右边，那么，你仍旧会得到8，0，H和X。字母 b和p就没有这种左右对称性。要是你把它们转个180°，

b就会变成d，p就变成q——成为完全不同的字母了。 1956年，物理学家李政道和杨振宁指出，在某些类型的亚原子事件中宇称应该不守恒，并且实验很快就证明他们的说法是对的。这就是说，有些亚原子粒子的行为好像它们在某些条件下是不对称似的。由于这个原因，人们研究出了一个更普遍的守恒律。在一个特定粒子不对称的地方，它的反粒子（即具有相反的电荷或磁场）也是不对称的，但两者的模样相反。因此，如果粒子的形状象p，它的反粒子的形状就象q。如果把电荷（C）和宇称（P）放在一起，就能建立一条简单的法则，来说明哪些亚原子事件能够发生，哪些亚原子事件不能够发生。这个法则称为“CP守恒”。后来，人们又明白了，为了使这个法则真正保险，还必须考虑到时间（T）的方向；因为一个亚原子事件看起来既可以是在时间中向前推进，也可以是在时间中向后倒退。添上时间以后的法则称为“CPT守恒”。

不变性

所谓“宇称”，粗略的说，可理解为“左右对称”或“左右交换”，按照这个解释，所谓“宇称不变性”就是“左右交换不变”。或者“镜像与原物对称”。对称的现象普遍存在于自然界的事物中，事物运动变化的规律左右对称也是人们的普遍认识。在物理学中，对称性具有更为深刻的含义，指的是物理规律在某种变换下的不变性。在相当长的一段时间内，物理学家们相信，所有自然规律在这样的镜像反演下都保持不变。例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性，则同镜外完全相同。比如一个小球A向右运动，我们在镜内看到有一个小球A向左运动，虽然A与A运动方向相反，但它们都遵从力学规律，也就是说力学规律对于镜像反演不变，具有空间反演不变性。同样对于麦克斯韦方程组和薛定谔方程都具有空间反演不变性。

不变性原理通常与守恒定律联系在一起，比如动量守恒定律是物理定律在空间平移下的不变性的体现；能量守恒定律与时间平移不变性相联系；角动量守恒定律是物理定律空间旋转对称性的体现等。在微观世界中微观粒子的状态用波函数ψ描写即表示波函数的数值随坐标而变。为了描述这种与空间反演对称性相联系的物理量，引入了“宇称”的概念。因为连续两空间反演（镜像反射）就等于本身，第一次反射，第二次反射。因此宇称这个量同能量、动量等连续变化的物理量不同，它只能取两个分立的值（+1）或（-1），也就是说波函数在镜像对称时有两种情形：

第一种情形宇称为正（+1），第二种情形宇称为负（-1），对于一个多粒子系统来说，此系统的总宇称为各该系统粒子的宇称之乘积。

有了以上概念后，根据左右对称性就可引伸出“宇称守恒定律”，表述如下：由许多粒子组成的体系，不论经过相互作用发生什么变化（包括可能会使粒子数发生变化），它的总宇称保持不变，则原来为正，相互作用后仍为正；原来为负，相互作用后仍为负。这一定律对于许多情况都是正确的，像强相互作用和电磁相互作用就是如此。因而便认为对于弱相互作用也不言而喻，同样如此。

τ-θ之谜

不相同

弱相互作用下的宇称守恒的这一看法一直维持了三十年。但在1954~1956年间人们在粒子物理研究中遇到了一个难题，即所谓的“τ-θ之谜”，就是荷电的κ介子有两种衰变方式，一种记为τ介子，一种记为θ介子。这两种粒子的质量、电荷、寿命、自旋等几乎完全相同，以致于人们不能不怀疑它们是同一粒子。然而另一方面，它们的衰变情形却不相同，表现为宇称不相同，当τ粒子衰变时，产生三个π介子，它们的宇称为负（根椐已确定了的π介子的宇称为-1和宇称守恒定律），而θ粒子衰变时产生两个π介子，它们的宇称为正，也就是说，τ粒子与θ粒子衰变时具有完全相反的宇称。

现象解释

如何解释这个现象？可供选择的答案只有两种：一种承认宇称守恒定律，则τ粒子与θ粒子是两种不同的粒子，因为它们的宇称不同，相互作用过程宇称应不变，但无法解释为什么θ、τ粒子性质如此相同。另一种确认τ和θ是同一种粒，则宇称守恒定律不成立。

1956年李政道、杨振宁在研究这个问题时，仔细地分析了关于宇称守恒的各种实验资料，发现至少在弱相互作用领域，宇称守恒定律从未得到过实验的验证，而只不过是一个理论上的推论而已。因此根据“τ-θ之谜”的启示，他们提出在弱相互作用过程前后，宇称可能不守恒，并且还指出可以用β衰变（也是一种弱相互作用）的实验来证实或否定他们的推测。人们对于弱作用的研究已经有了相当长的历史，从发现β放射性算起，已经历了半个多世纪;即使从费米提出β衰变理论算起，也已有二十多个年头。在这漫长岁月中，人们对于弱作用，尤其对于β衰变，已经作过大量实验，然而却没有一个实验曾经证明过宇称是否守恒。这是因为左右对称性从未有人怀疑过，人们一直相信它，应用它，从未想去检验它。当然，要怀疑这样一条基本定律，必须持非常慎重的严肃态度，李政道和杨振宁正是在彻底研究了所有已经作过的弱作用实验，并发现还没有一个实验曾证明过宇称是否守恒后，才提出弱作用中宇称可能不守恒的猜测。

但是，毕竟左右对称原理太明显，太自然了，以致人们很难相信宇称真的会不守恒。著名物理学家泡利就曾俏皮地说过：“我就不相信上帝竟然会是一个左撇子?”究竟宇称是否守恒，只有让实验来作出判断，为此，李政道和杨振宁设计了一系列可用来检验宇称是否守恒的实验方案，设计的原则是要安排两套实验装置，它们严格地互为镜像，然后在这两套装置中观测弱作用过程，看看两套装置中出现的是不是互为镜像的现象。

不守恒

几个月之后，以上设想被另一位美籍华裔物理学家吴健雄教授与美国华盛顿国家标准局的几位物理工作者一起用出色的实验所证实，这是一个关于极化60Co原子核 β蜕变的实验。在这个实验中，他们以确凿无疑的证据表明，在弱相互作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。

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