宇稱不守恆定律

宇稱不守恆定律是指在弱相互作用中，互為鏡像的物質的運動不對稱。由華裔科學家吳健雄率先用鈷60驗證。1956年以前，科學界一直認為：一個粒子的鏡像與其本身性質完全相同，即遵循所謂的宇稱守恆。1956年，科學家發現θ和γ兩種介子的自旋、質量、壽命、電荷等完全相同，多數人認為它們是同一種粒子，但θ介子衰變時產生兩個π介子，γ介子衰變時產生3個，這又說明它們是不同種粒子，即出現了宇稱不守恆。

1956年，李政道和楊振寧在深入細緻地研究了各種因素之後，大膽地斷言：γ和θ是完全相同的同一種粒子(後來被稱為K介子)，但在弱相互作用的環境中，它們的運動規律卻不一定完全相同，通俗地說，這兩個相同的粒子如果互相照鏡子的話，它們的衰變方式在鏡子里和鏡子外居然不一樣！用科學語言來說，“θ-γ”粒子在弱相互作用下是宇稱不守恆的。

最初，人們認為“θ-γ”粒子只是一個特例。但不久，同為華裔的物理學家吳健雄用一個巧妙的實驗驗證了“宇稱不守恆”，從此，“宇稱不守恆”真正被承認為一條具有普遍意義的基礎科學原理。

吳健雄用兩套實驗裝置觀測鈷60的衰變，她在極低溫(0.01K)下用強磁場把一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向左旋，把另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向右旋，這兩套裝置中的鈷60互為鏡像。實驗結果表明，這兩套裝置中的鈷60放射出來的電子數有很大差異，而且電子放射的方向也不能互相對稱。實驗結果證實了弱相互作用中的宇稱不守恆。

為了便於理解宇稱不守恆，我們舉一個現實的例子。假設有兩輛互為鏡像的汽車，汽車A的司機坐在左前方座位上，油門踏板在他的右腳附近；而汽車B的司機則坐在右前方座位上，油門踏板在他的左腳附近。現在，汽車A的司機順時針方向開動點火鑰匙，把汽車發動起來，並用右腳踩油門踏板，使得汽車以一定的速度向前駛去；汽車B的司機也做完全一樣的動作，只是左右交換一下—他反時針方向開動點火鑰匙，用左腳踩油門踏板，並且使踏板的傾斜程度與A保持一致。現在，汽車B將會如何運動呢？

也許大多數人會認為，兩輛汽車應該以完全一樣的速度向前行駛。遺憾的是，吳健雄的實驗證明了，在粒子世界里，汽車B將以完全不同的速度行駛，方向也未必一致！粒子世界就是這樣不可思議地展現了宇稱不守恆。

在微觀世界里，基本粒子有三個基本的對稱方式：一個是粒子和反粒子互相對稱，即對於粒子和反粒子，定律是相同的，稱為電荷(C)對稱；一個是空間反射對稱，即同一種粒子之間互為鏡像，它們的運動規律是相同的，叫宇稱(P)；一個是時間反演對稱，即如果我們顛倒粒子的運動方向，粒子的運動是相同的，這被稱為時間(T)對稱。

這就是說，如果用反粒子代替粒子、把左換成右，以及顛倒時間的流向，那麼變換后的物理過程仍遵循同樣的物理定律。

自從李政道和楊振寧提出宇稱不守恆后，科學家很快又發現，粒子和反粒子的行為並不是完全一樣的！一些科學家進而提出，可能正是由於物理定律存在輕微的不對稱，使粒子的電荷(C)不對稱，導致宇宙大爆炸之初生成的物質比反物質略多了一點點，大部分物質與反物質湮滅了，剩餘的物質才形成了我們今天的物質世界。如果物理定律嚴格對稱，宇宙連同我們自身就都不會存在—宇宙大爆炸之後應當誕生了數量相同的物質和反物質，但正反物質相遇后就會立即湮滅，那麼，星系、地球乃至人類就都沒有機會形成了。

接下來，科學家發現連時間本身也不再具有對稱性了！

日常生活中，時間是不可倒流的。不過，在物理學家眼中，時間卻一直被視為是可逆轉的。比如說一對光子碰撞產生一個負電子和一個正電子，而正負電子相遇則同樣產生一對光子，這兩個過程都符合基本物理學定律，在時間上是對稱的。如果用攝像機拍下其中一個過程然後播放，觀看者將不能判斷錄像帶是在正向還是逆向播放。從這個意義上說，時間沒有了方向。

然而，1998年年末，物理學家們卻首次在微觀世界中發現了違背時間對稱性的事件。歐洲原子能研究中心的科研人員發現，正負K介子在轉換過程中存在時間上的不對稱性：反K介子轉換為K介子的速率要比其逆轉過程，即K介子轉變為反K介子來得要快。

至此，粒子世界的物理規律的對稱性全部破碎了。然而粒子的本質是電磁作用。粒子與粒子或粒子與物質間同樣存在相互作用，在正物質宇宙環境下也許正是這種粒子的相互作用影響差異使得粒子能量運動狀態發生改變而導致宇稱不守恆。

楊振寧、李政道和吳健雄是中國老百姓耳熟能詳的名字，他們的事業巔峰和“宇稱”緊密相連。

宇稱是內稟宇稱的簡稱，是表徵粒子或粒子組成的系統在空間反射下變換性質的物理量。在空間反射變換下，粒子的場量只改變一個相因子，這相因子就稱為該粒子的宇稱。我們也可以簡單地理解為，宇稱就是粒子照鏡子時，鏡子里的影像。以前人們根據物理界公認的對稱性認為，宇稱一定是守恆的。這就像正電子，就一定要有負電子與之相對應一樣。

1951年，楊振寧與李政道合作；1956年，兩人共同提出了“弱相互作用中宇稱不守恆”定律。這個道理其實很好理解。對稱性反映不同物質形態在運動中的共性，而對稱性的破壞才使得它們顯示出各自的特性。對稱性的破壞使事物不斷發展進化，變得豐富多彩。

楊振寧和李政道的親密合作是他們取得巨大成就的基礎。1946年秋，李政道到芝加哥大學當研究生，和楊振寧相識，並成為好友。1948年，楊振寧和李政道合作研究衰變及俘獲，發現這些相互作用與衰變具有非常相似的強度。

1953年，李政道到了哥倫比亞大學。為了繼續合作，兩人訂立了相互訪問的制度。這種例行互訪保持了6年，開展了一系列非常富有成果的合作。1957年，兩人因宇稱不守恆定理而雙雙獲得諾貝爾獎。

除楊振寧、李政道之外，在“‘宇稱不守恆'的革命”中，傑出的中國女性吳健雄也做出了重大貢獻。

楊振寧和李政道從理論上提出宇稱不守恆后，為了證明他們的預言，找到了吳健雄博士。在楊李提出請求后不久，吳健雄博士就與華盛頓的美國國家標準局的阿貝爾博士商討合作這一實驗的可能性，實際工作在3個月後開始。她在極低溫度（絕對零度以上0.01開爾文）的磁場中，觀測鈷60衰變為鎳60，及電子和反微子的弱交換作用，果然發現：電子及反微子均不遵守宇稱守恆原理。

實驗成功了，吳博士證明了楊振寧和李政道的理論，推翻了物理學上屹立不移三十年之久的宇稱守恆定律。這一發現，使瑞典皇家科學院立即將1957年的諾貝爾物理獎，頒發給楊振寧和李政道兩位博士。

雖然吳健雄沒有得到諾貝爾獎，但她工作的重要性不可否認。宇稱不守恆原理徹底改變了人類對對稱性的認識，促成了此後幾十年物理學界對對稱性的關注。

“宇稱不守恆原理”的影響是深遠的。許多人說：“很難想象，假若沒有楊和李等的工作，今天的理論物理會是什麼樣子？！”1998年年末，物理學家發現首例違背時間對稱性事件。歐洲原子能研究中心的科研人員發現，正負K介子在轉換過程中存在時間上的不對稱性。這一發現雖然有助於完善宇宙大爆炸理論，但卻動搖了“基本物理定律應在時間上對稱”的觀點。

物理學家眼中，時間卻一直被視為是可逆轉的。物理學上這種不辨過去與未來的特性被稱為時間對稱性。經典物理學定律都假定時間無方向，而且也確實在宏觀世界中通過了檢驗。但近幾十年來，物理學家一直在研究時間對稱性在微觀世界中是否同樣適用。歐洲原子能研究中心的一個小組經過長達三年的研究終於獲得了突破。他們的實驗觀測首次證明，至少在中性K介子衰變過程中，時間違背了對稱性。

由來自九個國家近百名研究人員組成的這一小組在實驗中研究了K介子反K介子相互轉換的過程。介子是一種質量比電子大，但比質子與中子小，自旋為整數，參與強相互作用的粒子，按內部量子數可分為π介子、ρ介子和K介子等。研究人員在實驗中發現，反K介子轉換為K介子的速率要比其時間逆轉過程、即K介子轉變為反K介子來得要快。這是物理學史上首次直接觀測到時間不對稱現象。

現代宇宙理論曾認為，宇宙大爆炸之初應該產生等量物質和反物質，但當今的宇宙卻主要為物質世界所主宰，這一現象一直讓人困惑。歐洲核子中心新實驗證明，反物質轉化為物質的速度要快於其相反過程，因此它為宇宙中物質量為何遠遠超過反物質量提供了部分答案。另外，新成果對物理學基本對稱定律研究也有重要意義。物理學家們一直認為，除了基本物理定律不受時間方向性影響外，物體在空間物理反射的過程以及粒子與反粒子的變換過程也應遵循對稱性。時間、宇稱和電荷守恆定律被認為是支撐現代物理學的基礎之一。

本世紀50年代來，物理學家先後發現一些守恆定律有時並不完全滿足對稱性。美籍華人物理學家楊振寧和李政道曾提出弱相互作用中宇稱不守恆理論並經實驗證實，之後美國人詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇又發現K介子衰變過程違背宇稱和電荷聯合對稱法則，他們都因此而獲諾貝爾物理學獎。由於時間、宇稱和電荷作為一個整體被認為應該守恆，物理學家們曾猜想說，時間在特定情況下會違背對稱性。歐洲核子中心的成果首次證實了這一猜想。

1999年3月，科學家稱直接觀測證明電荷宇稱定律有誤。美國費米實驗室宣布說，該實驗室以前所未有的精度，基本“確切無疑”地證明中性K介子在衰變過程中直接違背了電荷宇稱聯合對稱法則。這一結果被認為是物質和反物質研究領域的一項重要進展。

目前普遍接受的物理學理論認為，每一種基本粒子都有其對應的反粒子。譬如說與帶負電的電子相對應，就存在質量相同、攜帶電荷正好相反的正電子。在反物質理論提出后，科學家們一直認為，粒子和反粒子之間在特性上存在對稱，就象人們通過鏡子看自己一樣。這些對稱特性主要包括基本物理定律不受時間方向性影響，以及空間反射下的物理過程以及粒子與反粒子的變換過程遵循對稱，它們分別被稱為時間、宇稱和電荷守恆定律。

1964年，美國物理學家克洛寧和菲奇發現，K介子與其反物質反K介子之間違背宇稱和電荷聯合守恆定律。但兩位物理學家主要通過K介子與反K介子的量子力學波動效應而觀測到其違背電荷宇稱守恆現象，因此被認為是一種間接觀測。自60年代以來，世界各國物理學家也先後得出一些類似結果，但基本也都屬於間接觀測範疇。而要想直接證明K介子違背宇稱和電荷聯合守恆定律，其主要途徑是研究K介子衰變為其它粒子的過程。K介子可衰變為兩個介子。物理學家們曾從理論上指出，通過實驗測量出一定數量K介子中有多少衰變為介子，這一比值如果不接近零，那麼即可被視為直接證明了宇稱和電荷聯合定律不守恆。

據報道，各國科學家們近年來一直在從事K介子衰變為介子比值的測算，但所獲得結果都無法被認為是確切的證明。而費米實驗室所獲得的最新數值結果（0.00280誤差0.00041），由於其精確度比此前實驗都有所提高，從而直接證明了宇稱和電荷守恆定律確實有局限性。

宇稱和電荷聯合定律不守恆最早發現者之一、曾獲1980年諾貝爾物理獎的克洛寧教授在評價費米實驗室新成果時稱，這是自發現違背宇稱和電荷守恆定律的現象35年來，人們首次獲得的有關該問題真正新的認識。普林斯頓大學教授瓦爾·菲奇說：“這個結果讓人極其詫異，這是完全沒有預料到的，它非常、非常有意思。”

科學家計劃繼續在費米實驗室進行實驗和計算，以驗證這些最新觀察結果是否確實。與此同時，如果你想知道世界為什麼會是現在這個樣子，答案完全就在於左右之間的差異—你只要看看鏡子就行了。