宇称不守恒与“CPT对称”

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所有物质的组成粒子的性质由一种叫作“CPT对称”的对称性所主宰。“C”代表电荷共轭：如果一个粒子的物理学性质在“C”对称性变换下不变，意味着将其电荷换成大小相等、符号相反的电荷（也就是说，用对应的反粒子来代替该粒子）以后，该粒子的性质不会发生改变。“T”代表时间反演：在描述该粒子动力学过程的方程中将t换成-t。虽然在我们的经验里，时间只会沿着一个方向流动，但物理学方程一般不管时间往哪个方向流动——不管事件是顺序发生还是倒序发生，方程都不变（我们称这种情况为物理学定律在T对称性反演下不变）。

“P”代表的则是宇称变换或宇称反演，关于这一点我需要多解释一下，让我们先从粒子描述转为波动描述。想象一道正弦波，它上下振荡，最高点是波峰，最低点是波谷。波函数的一半振幅是正的（在它从原点升向最高点又回来的过程中），一半振幅是负的（在它沿着轴向下降到波谷又回来的时候）。波函数的宇称描述的就是，如果我们改变所有的空间坐标轴的正反符号（即颠倒左右、上下、前后），会不会改变这道波的传播方向。同时改变三条坐标轴的方向，相当于把这道波变成了它在一面镜子中的倒影，它的视角也变了——左变成右，上变成下，前变成后。如果波函数在这样一面“宇称之镜”中的倒影与原本的波函数振幅相同，我们就说这个波函数具有偶宇称；如果镜中的倒影与原本的波函数振幅相反，我们就说这个波函数具有奇宇称。

同自旋一样，“宇称”这一概念在经典物理学中找不到太好的类比例子来帮助我们理解。它与基本粒子相互作用中的角动量密切相关，并深刻影响着它。直到20世纪50年代末，物理学家发现的所有相互作用中宇称和角动量都是守恒的。换句话说，如果发生相互作用的所有粒子的总宇称是偶宇称，那作用之后得到的所有粒子的总宇称也是偶宇称。总宇称为奇的粒子同样如此。这看起来是符合物理学家的直觉的。自然界的不变法则，怎么可能会偏向左右、上下、前后中的一个呢？

这样的推理看起来很合理，然而，这不符合物理学家观察到的实际现象。在所有电磁力、引力与强色力相互作用中，宇称都守恒，但1956年李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后，大胆断言：“K介子在弱相互作用下宇称不守恒”，20世纪50年代中晚期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。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。

后来，科学家进行的一系列实验表明，在弱相互作用中，大自然似乎更偏爱某一种“手性”。实际上，通常来讲，只有左手性的粒子和右手性的反粒子能进行弱相互作用。这一结果震惊了很多老一辈的理论物理学家，比如泡利。就在得知实验结果的几天前，他还写信对朋友说：“我不相信上帝是个弱左撇子，我愿意押一大笔钱赌实验会给出对称的结果。”幸运的是，他最终并没有投注，因为他后来承认道：“这会让我输一大笔钱（我可损失不起）。”

最困扰泡利的不是为何弱相互作用偏爱左手性，而是为何强相互作用没有显示出这种偏爱。区别在哪里？这种左手性和右手性统称手性。科学家曾以为，虽然电荷共轭和宇称守恒分别在一些粒子相互作用中会被破坏，但它们结合而产生的CP对称性仍然总是守恒的。然而，1964年普林斯顿大学的物理学家詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇在布鲁克海文国家实验室做的实验表明，在中性K介子（一种由下/反奇异夸克和奇异/反下夸克混合形成的介子）发生的某种衰变过程中，CP对称性也被破坏了。我们只有再加上时间反演对称性，才能让自然再次回到正常的状态。CPT对称性的组合才是永远不被破坏的对称性。没有人知道为什么会这样。

“宇称不守恒理论”

“宇称”是和我们所熟悉的“电荷”、“质量”一样性质的物理量，“宇称”这个物理量是描述基本粒子的某种性质。我们可以简单的理解为，所谓“宇称”就是指“一个物体与它的镜像对称”。

举个例子，小明站在镜子面前，镜子里面就有他的镜像，镜子里的小明和小明本人一模一样，但是左右互换了，当小明举起右手的时候，镜子里的小明是举起了左手。好了，现在小明右手里有一个小球，当他将小球向左边抛出的时候，镜子里的小明也将小球抛出，但方向却是向右。我们可以看到，虽然两个小球的运动方向相反，但是它们都遵守了牛顿运动定律，最终会沿着同样的运动轨迹落地。我们也可以设想一个场景，在现实中两个一模一样的人相对而立，他们按照上述方式来抛出一个小球，不用说其结果也会是一样的。

因此我们可以理解到，牛顿运动定律对于空间反演是不变的，也就是说这个定律具有“宇称不变性”，而这个过程就被称为“宇称守恒”。同样的，其他的物理规律也似乎完美的“宇称守恒”，在“宇称不守恒理论”提出之前，“宇称守恒”是科学界的一条铁律，科学家们认为任何物理规律都具有“宇称不变性”，一个物体在受到任何力的支配过程中都“宇称守恒”，这就像“苹果总是垂直的落向地面，而不是飞到空中”一样的显而易见。然而杨振宁和李政道却打破了这条铁律！

“杨-米尔斯理论”

用同一套理论来描述所有已知的物理现象，这是物理学追求的终极目标。比如说世界中存在着很多力，如压力、摩擦力、支撑力、浮力、弹力……等等等等，这些繁杂的力让人眼花缭乱。但经过科学家的不懈努力，到19世纪末，这些力已经被统一为引力和电磁力了。其中麦克斯韦方程组统一了光、电、磁，而引力则由牛顿的万有引力定律来描述。

在这个时期出现了一个尴尬的局面，即牛顿的经典力学是对的，麦克斯韦方程组也是对的，但是它们之间又是相互矛盾的。在这种情况下，大神爱因斯坦站出来了，他用一个全新的框架统一了这两者的关系，这个框架就是“狭义相对论”。然而引力并没有被统一进来，于是爱因斯坦之后又提出“广义相对论”来描述引力。

在这种复杂纷乱的情况下，杨振宁提出了“杨-米尔斯理论”，他通过一个非常巧妙的模型，完美的统一了电磁力、强力、弱力！四大基本力，“杨-米尔斯理论”一口气就统一了三个，你说牛不牛？事实上，“杨-米尔斯理论”自问世以来，几乎主导了整个物理学的发展，在过去的几十年里，有7个诺贝尔奖都是颁发给找到了“杨-米尔斯理论”中预测的粒子的科学家，甚至有人惊呼：“不是诺贝尔奖带给杨振宁荣耀，而是诺贝尔奖因杨振宁而闪光。”。

综上所述，杨振宁对物理学的贡献完全可以与牛顿、爱因斯坦媲美，他无愧于“当代最伟大的物理学家”的称号。

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