宇称不守恒

宇称不守恒

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。

说明：介子是一种质量比电子大，但比质子与中子小，自旋为整数，参与强相互作用的粒子，按内部量子数可分为π介子、ρ介子和K介子等。

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！

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！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。

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。

不过，究竟为什么粒子在弱相互作用下会出现宇称不守恒呢？根本原因至今仍然是个谜。

宇称不守恒的发现并不是孤立的。在微观世界里，基本粒子有三个基本的对称方式：
1、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。
2、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）。
3、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。
但是，自从宇称守恒定律被李政道和杨振宁打破后，科学家很快又发现，粒子和反粒子的行为并不是完全一样的！一些科学家进而提出，可能正是由于物理定律存在轻微的不对称，使粒子的电荷（C）不对称，导致宇宙大爆炸之初生成的物质比反物质略多了一点点，大部分物质与反物质湮灭了，剩余的物质才形成了我们今天所认识的世界。
如果物理定律严格对称，宇宙连同我们自身就都不会存在了——宇宙大爆炸之后应当诞生了数量相同的物质和反物质，但正反物质相遇后就会立即湮灭，那么，星系、地球乃至人类就都没有机会形成了。
接下来，科学家发现连时间本身也不再具有对称性了！可能大多数人原本就认为时光是不可倒流的。日常生活中，时间之箭永远只有一个朝向，“逝者如斯”，老人不能变年轻，打碎的花瓶无法复原，过去与未来的界限泾渭分明。
不过，在物理学家眼中，时间却一直被视为是可逆转的。比如说一对光子碰撞产生一个电子和一个正电子，而正负电子相遇则同样产生一对光子，这两个过程都符合基本物理学定律，在时间上是对称的。如果用摄像机拍下其中一个过程然后播放，观看者将不能判断录像带是在正向还是逆向播放——从这个意义上说，时间没有了方向。
但这个意义并不严谨，因为我们不知道前提。即开始之前的环境。但时间没有方向是真的。过去是已成的事件，现在是正在发生的事件，未来是还没有发生的事件。时间是这个过程的度量。但不显示箭头。

对称性被破坏是事物不断发展进化、变得丰富多彩的原因。