2021-07-04 11:29:29

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宇称守恒,是指物理学关于对称性探索的一个重要进展是建立诺特定理,定理指出,如果运动定律在某一变换下具有不变性,必相应地存在一条守恒定律。简言之,物理定律的一种对称性,对应地存在一条守恒定律。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。

在量子力学和粒子物理学中,又引入了一些新的内部自由度,认识了一些新的抽象空间的对称性以及与之相应的守恒定律。

基本信息

  • 中文名称

    宇称守恒

  • 学科

    物理

  • 性质

    运动定律在某一变换下具有不变性

  • 提出时间

    1926年

折叠 编辑本段 概述

宇称守恒是指在任何情况下,任何粒子的镜象与该粒子除自旋方向外,具有完全相同的性质。

该定律于1926年提出,在强力、电磁力和万有引力中相继得到证明,但在1956年被证实在弱相互作用中不成立,此结论由美籍华人科学家李政道和中国科学家杨振宁提出,并因此获得诺贝尔奖(详见宇称不守恒定律)。

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。

折叠 编辑本段 提出

1926年提出,并相继在强力、电磁力和万有引力得到证实。

1956年被吴建雄证明在弱相互作用中不适用。具体推证见参考资料2。

人们脑中有一种事事追求完美的观念,所以是科学界希望证明一定程度上世界是完美的,所以有了此定律。

本定律是诺特定理的推广。

折叠 编辑本段 诺特定理

诺特定理是本定律的基础。

诺特定理是说,作用量的每一种对称性都对应一个守恒定律,有一个守恒量。对称和守恒这两个概念是紧密地联系在一起的。

由德国女数学家艾米·诺特于1918年发现。

参见诺特定理

折叠 编辑本段 宇称不守恒

物理定律的守恒性具有极其重要的意义,有了这些守恒定律,自然界的变化就呈现出一种简单、和谐、对称的关系,也就变得易于理解了。所以,科学家在科学研究中,对守恒定律有一种特殊的热情和敏感,一旦某一个守恒定律被公认以后,人们是极不情愿把它推翻的。因此,当我们明白了各种对称性与物理量守恒定律的对应关系后,也就明白了对称性原理的重要意义,我们无法设想:一个没有对称性的世界,物理定律也变动不定,那该是一个多么混乱、令人手足无措的世界!

诺特定理将物理学中"对称"的重要性推到了前所未有的高度。不过,物理学家们似乎还不满足,1926年,有人提出了宇称守恒定律,把对称和守恒定律的关系进一步推广到微观世界。 这就是一开始为什么说宇称的基础是诺特定理!让我们先来了解一下"宇称守恒"的含义。"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相同的性质--包括容貌、装扮、表情和动作。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"。

假如一个粒子顺时针旋转,它的镜像粒子从镜中看起来就是逆时针旋转,但是这个旋转的所有定律都是相同的,因此,镜内镜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。

在某种意义上,我们可以把同一种粒子下的个体粒子理解成彼此互为镜像的,例如,假设一个电子顺时针方向自旋,另一个电子逆时针方向自旋,一个电子就可以把另一个电子当成镜像中的自己,就像人通过镜子看自己一样。由此推断,根据宇称守恒理论,所有电子自身环境和镜像环境中都应该遵循同样的物理定律,其他粒子的情况也是如此。听起来,所谓的"宇称守恒"似乎并没有什么特别之处,至少在1926年之前,早已有人提出了牛顿定律具有镜像对称性。不过,以前科学家们提出的那些具有镜像对称的物理定律大多是宏观的,而宇称守恒则是针对组成宇宙间所有物质的最基本的粒子。如果这种物质最基本层面的对称能够成立,那么对称就成为宇宙物质的根本属性。

事实上,宇称守恒理论的确在几乎所有的领域都得到了验证--只除了弱力。我们知道,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。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:正如我们通常认为的那样,粒子在这三种环境下表现出了绝对的、无条件的对称。在普通人眼中,对称是完美世界的保证;在物理学家眼中,宇称守恒如此合乎科学理想。于是,弱力环境中的宇称守恒虽然未经验证,也理所当然地被认为遵循宇称守恒规律。然而在1956年,两位美籍华裔物理学家--李政道和杨振宁--大胆地对"完美的对称世界"提出了挑战,矛头直指宇称守恒定律,这成为上世纪物理学界最震撼的事件之一。引发这次震撼事件的最直接原因,是已让学者们困惑良久的"θ-τ之谜",它是宇称守恒定律绕不过去的坎。

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。

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,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。

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。

我们可以用一个类似的例子来说明问题。假设有两辆互为镜像的汽车,汽车A的司机坐在左前方座位上,油门踏板在他的右脚附近;而汽车B的司机则坐在右前方座位上,油门踏板在他的左脚附近。

汽车A的司机顺时针方向开动点火钥匙,把汽车发动起来,并用右脚踩油门踏板,使得汽车以一定的速度向前驶去;汽车B的司机也做完全一样的动作,只是左右交换一下--他反时针方向开动点火钥匙,用左脚踩油门踏板,并且使踏板的倾斜程度与A保持一致。汽车B将会如何运动呢?

也许大多数人会认为,两辆汽车应该以完全一样的速度向前行驶。遗憾的是,他们犯了想当然的毛病。吴健雄的实验证明了,在粒子世界里,汽车B将以完全不同的速度行驶,方向也未必一致!--粒子世界就是这样不可思议地展现了宇称不守恒。

三位华裔物理学家用他们的智慧赢得了巨大的声誉,1957年,李政道和杨振宁获得诺贝尔物理学奖,一项科学理论,在发表的第二年就获得诺贝尔奖是史无前例的。很遗憾的是,用精妙绝伦的实验证实了宇称不守恒的吴健雄一直没能获奖。

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。

关于时间没有方向性的论述,我在《变化》中有过论述。大家可以去看看。然而,1998年年末,物理学家们却首次在微观世界中发现了违背时间对称性的事件。欧洲原子能研究中心的科研人员发现,正负K介子在转换过程中存在时间上的不对称性:反K介子转换为K介子的速率要比其逆转过程--即K介子转变为反K介子来得要快。至此,粒子世界的物理规律的对称性全部破碎了,世界从本质上被证明了是不完美的、有缺陷的。

当"宇称不守恒"在上世纪50年代被提出时,大多数人对"完美和谐"的宇称守恒定律受到挑战不以为然。在吴健雄实验之前,当时著名的理论物理学权威泡利教授甚至说:"我不相信上帝是一个软弱的左撇子,我已经准备好一笔大赌注,我敢打赌实验将获得对称的结论。"然而,严谨的实验证明,泡利教授的这一次赌打输了。

近代微生物学之父巴斯德曾经说过:"生命向我们显示的乃是宇宙不对称的功能。宇宙是不对称的,生命受不对称作用支配。"自然界或许真的不是那么对称和完美,大自然除了偏爱物质、嫌弃反物质之外,它对左右也有偏好。

自然界的20种氨基酸中,有19种都存在两种构型,即左旋型和右旋型。在非生物反应产生氨基酸的实验中,左旋和右旋两种类型出现的几率是均等的,但在生命体中,19种氨基酸惊人一致地全部呈现左旋型--除了极少数低级病毒含有右旋型氨基酸。无疑,生命对左旋型有着强烈的偏爱。

也有人提出,生命起源时,氨基酸呈左旋型其实是随机的,它不过是顺应了地球围绕太阳转的磁场方向。但大多数科学家却认为,左旋型和右旋型的不对称意味着这两种能量存在着高低。通常认为,左旋型能量较低,也较稳定,稳定则容易形成生命。更令人费解的是,虽然构成生命体的蛋白质氨基酸分子都是左旋型的,但组成核酸的核糖和脱氧核糖分子却都是右旋型的--尽管天然的糖中左旋和右旋的几率几乎相同。看来,上帝对左右真的是有所偏爱,如果事事处处都要达到绝对的平衡对称,"万物之灵"的生命就不会产生了。

不管是故意也好,疏忽也罢,上帝或许真的并不是一个绝对对称的完美主义者。从某种意义上来说,正是不对称创造了世界。道理其实很简单。虽然对称性反映了不同物质形态在运动中的共性,但是,只有对称性被破坏才能使它们显示出各自的特性。这正如建筑一样,只有对称而没有对称的破坏,建筑物看上去虽然很规则,但同时却一定会显得非常单调和呆板。只有基本上对称但又不完全对称才能构成美的建筑。

大自然正是这样的建筑师。当大自然构造像DNA这样的大分子时,总是遵循复制的原则,将分子按照对称的螺旋结构联接在一起,构成螺旋形结构的空间排列也是基本相同的。但是在复制过程中,对精确对称性的细微的偏离就会在大分子单位的排列次序上产生新的可能性。因此,对称性被破坏是事物不断发展进化、变得丰富多彩的原因。

正如著名的德国哲学家莱布尼茨所说,世界上没有两片完全相同的树叶。仔细观察树叶中脉(即树叶中间的主脉)的细微结构,你会发现就连同一片叶子两边叶脉的数量和分布、叶缘缺刻或锯齿的数目和分布也都是不同的。绝大多数人的面部发育都不对称,66%的人左耳稍大于右耳,56%的人左眼略大,59%的人右半侧脸较大;人的躯干、四肢也不完全对称,左肩往往较高,75%的人右侧上肢较左侧长。

可以说,生物界里的不对称是绝对的,而对称只是相对的。实验研究证明,这是由于细胞内原生质的不对称性所引起的。从生物体内蛋白质等物质分子结构可以清楚地看到,它们一般呈不对称的结构形式。科学研究还发现,不对称原生质的新陈代谢活动能力,比起左右对称的化学物至少要快三倍。由此可见,不对称性对生命的进化有着重要的意义。自然界的发展,正是一个对称性不断减少的过程。

其实,不仅在自然界,即使在崇尚完美的人类文明中,绝对的对称也并不讨好。一幅看来近似左右对称的山水画,能给人以美的享受。但是如果一幅完全左右对称的山水画,呆板而缺少生气,与充满活力的自然景观毫无共同之处,根本无美可言。有时,对对称性或者平衡性的某种破坏,哪怕是微小破坏,也会带来不可思议的美妙结果。从这种意义上来说,或许完美并不意味着绝对的对称,恰恰是对称的打破带来了完美。"宇称不守恒原理"的影响是深远的。许多人说:"很难想象,假若没有杨和李等的工作,今天的理论物理会是什么样子?!"

物理学上这种不辨过去与未来的特性被称为时间对称性。经典物理学定律都假定时间无方向,而且也确实在宏观世界中通过了检验。但近几十年来,物理学家一直在研究时间对称性在微观世界中是否同样适用。欧洲原子能研究中心的一个小组经过长达三年的研究最近终于获得了突破。他们的实验观测首次证明,至少在中性K介子衰变过程中,时间违背了对称性。

由来自九个国家近百名研究人员组成的这一小组在实验中研究了K介子反K介子相互转换的过程。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。

研究人员在实验中发现,反K介子转换为K介子的速率要比其时间逆转过程、即K介子转变为反K介子来得要快。这是物理学史上首次直接观测到时间不对称现象。

现代宇宙理论曾认为,宇宙大爆炸之初应该产生等量物质和反物质,但当今的宇宙却主要为物质世界所主宰,这一现象一直让人困惑。欧洲核子中心新实验证明,反物质转化为物质的速度要快于其相反过程,因此它为宇宙中物质量为何远远超过反物质量提供了部分答案。另外,新成果对物理学基本对称定律研究也有重要意义。物理学家们一直认为,除了基本物理定律不受时间方向性影响外,物体在空间物理反射的过程以及粒子与反粒子的变换过程也应遵循对称性。时间、宇称和电荷守恒定律被认为是支撑现代物理学的基础之一。

本世纪50年代来,物理学家先后发现一些守恒定律有时并不完全满足对称性。美籍华人物理学家杨振宁和李政道曾提出弱相互作用中宇称不守恒理论并经实验证实,之后美国人詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇又发现K介子衰变过程违背宇称和电荷联合对称法则,他们都因此而获诺贝尔物理学奖

1999年3月,科学家称直接观测证明电荷宇称定律有误。美国费米实验室宣布说,该实验室以前所未有的精度,基本"确切无疑"地证明中性K介子在衰变过程中直接违背了电荷宇称联合对称法则。这一结果被认为是物质和反物质研究领域的一项重要进展。

物理学理论认为,每一种基本粒子都有其对应的反粒子。譬如说与带负电的电子相对应,就存在质量相同、携带电荷正好相反的正电子。在反物质理论提出后,科学家们一直认为,粒子和反粒子之间在特性上存在对称,就象人们通过镜子看自己一样。这些对称特性主要包括基本物理定律不受时间方向性影响,以及空间反射下的物理过程以及粒子与反粒子的变换过程遵循对称,它们分别被称为时间、宇称和电荷守恒定律。

1964年,美国物理学家克洛宁和菲奇发现,K介子与其反物质反K介子之间违背宇称和电荷联合守恒定律。但两位物理学家主要通过K介子与反K介子的量子力学波动效应而观测到其违背电荷宇称守恒现象,因此被认为是一种间接观测。

自60年代以来,世界各国物理学家也先后得出一些类似结果,但基本也都属于间接观测范畴。而要想直接证明K介子违背宇称和电荷联合守恒定律,其主要途径是研究K介子衰变为其它粒子的过程。K介子可衰变为两个介子。物理学家们曾从理论上指出,通过实验测量出一定数量K介子中有多少衰变为介子,这一比值如果不接近零,那么即可被视为直接证明了宇称和电荷联合定律不守恒。

据报道,各国科学家们近年来一直在从事K介子衰变为介子比值的测算,但所获得结果都无法被认为是确切的证明。而费米实验室所获得的最新数值结果(0.00280误差0.00041),由于其精确度比此前实验都有所提高,从而直接证明了宇称和电荷守恒定律确实有局限性。

宇称和电荷联合定律不守恒最早发现者之一、曾获1980年诺贝尔物理奖的克洛宁教授在评价费米实验室新成果时称,这是自发现违背宇称和电荷守恒定律的现象35年来,人们首次获得的有关该问题真正新的认识。普林斯顿大学教授瓦尔·菲奇说:"这个结果让人极其诧异,这是完全没有预料到的,它非常、非常有意思。"

摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》

即与宇称守恒相反,在弱相互作用中适用。

参见宇称不守恒定律

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