如何用通俗易懂的語言解釋「弱相互作用中宇稱不守恆」理論？

01-05

守恆定律一直是物理學的經典定律，這個不守恆的如何理解呢？

要理解這個問題，首先要解釋一下這裡的名詞。

弱相互作用：到現在為止，物理學家認為自然界中只有四種相互作用力。其中一種就是弱相互作用力。它的一個典型事例就是極化原子核的β衰變，此時一個原子核變化成其他粒子，其中一種粒子為電子。

宇稱：為簡單起見，這裡只說它是一種量子數，每一個粒子都帶有這麼一個量子數。對於一個物理體系，我們如果說它在某種作用力下宇稱守恆，那麼意味著這個系統在各種作用力下是鏡像對稱的。所謂鏡像對稱，是指一個物理過程在鏡中的過程也是一種可能發生的過程。比如我們向左踢球，球向著左面飛了。在鏡中，我們向右方踢球，球向著右方飛了。而鏡中的這個過程可以在實際中發生。這就是宇稱守恆。

宇稱守恆顯然符合常識，過去的物理學家也覺得這個是不證自明的。在強相互作用和電磁相互作用中宇稱確實是守恆的。但是弱相互作用中宇稱不守恆。舉個物理情景不恰當的例子，如果我們用弱相互作用力向左踢球，球向左飛。但是鏡像情況在實際中不可能發生。自然界禁止球向右飛。這裡的禁止是物理學規律意味上的禁止，比如在北極點球可以向南飛，但是不能向北飛，因為沒有更向北的地方了，這就是自然界的禁止。

這個不守恆的發現者是李振道和楊振寧。他們為了解決一個相關問題，查閱了資料，發現已有的實驗結果支持強相互作用和電磁相互作用中宇稱守恆，但是誤差不是足夠小，不能支持弱相互作用中宇稱守恆。他們提出了一些可能的實驗來探究到底守不守恆。

吳健雄隨後做了其中一個實驗，是鈷60的衰變實驗（典型的弱相互作用）。實驗中鈷60自旋方向一定，（這裡是近似說法）觀測β衰變後電子的運動方向，發現運動方向與鈷60自旋方向相反的電子比相反運動方向的更多。這個過程在經過一個特定方向的鏡面的反射後，自旋方向會變為反向（物理學知識），電子運動方向不變，於是鏡面中電子更喜歡與鈷60自旋方向同方向運動。按照上文，如果宇稱守恆，這種過程（稱為鏡像過程）也應該與原過程等可能發生。

然而，吳健雄在觀測了大量類似事例後，這種鏡像過程並沒有發生。所有電子都沿著與鈷60自旋方向相反的方向運動（重申，這是一個近似說法，具體情況參見他們的原始論文）。

所以我們知道了，在弱相互作用中宇稱不守恆。

宇宙這個詞是兩個字組成的，宇，代表無限的空間，宇稱，就是空間對稱的意思。

在生活中，我們有這樣的經驗，如果照鏡子，鏡子中的像總會做對稱的動作，這就是空間上的對稱。

現在假設有兩個鏡像的人，一人左手持槍，瞄準目標，開槍後正中靶心，經驗告訴我們，鏡像中右手持槍的人，瞄準後開槍，也一定能打中，事實上也確實如此，但量子力學卻會顛覆我們傳統的認知。我們把觀察的尺度縮小到微觀粒子，子彈由弱相互作用擊發，奇蹟發生了，完全鏡像的事情，居然一個打中了靶心，另一個打歪了。這就是宇稱不守恆。

事實上，不守恆規律廣泛的存在於宇宙中，除了宇稱不守恆之外，還存在電荷不守恆，即除了電荷正負不同外完全相同的粒子運動的形式完全不同，這被認為可能是宇宙奇點大爆炸的原因。

除此之外還存在時間反演的不對稱。

也許正像文學家描述的，缺憾也是一種美。

不對稱與對稱並存的宇宙才是這個世界最完美的詮釋。

宇宙、星團、星系、分子、原子、質子、中子、夸克甚至更小的微粒是對於人類來講的，而對於更小微粒來說，一個生活生長在其表面的微生物，想擺脫其生活的環境，到無邊無極廣茂無垠的宇宙夸克中探索，也是無法想像的，他們同樣需要科技，需要宇宙飛船，也得用天文望遠鏡，也要用光年來計時，到目前為之，他們現有的技術是無法探測到他們的宇宙夸克究竟有多大，就像人類一樣目前對於我們的宇宙來說只是一種推測猜想，我們也無法知道我們的宇宙有多大，宇宙之外還有什麼？也許我們的宇宙之外有我們想像不到的更大的生物，像我們看待小的不能再小的微粒夸克那樣在分析我們的銀河系甚至更小的小星系——太陽系，怎麼繼續分割下去而撓頭髮愁呢。