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假如一個粒子順時針旋轉,它的映象粒子從鏡中看起來就是逆時針旋轉,但是這個旋轉的所有定律都是相同的,因此,鏡內鏡外的粒子是宇稱守恆的。按照諾特定理,與空間反射不變性對應的就是宇稱守恆。
在某種意義上,我們可以把同一種粒子下的個體粒子理解成彼此互為映象的。假設一個電子順時針方向自旋,另一個電子逆時針方向自旋,一個電子就可以把另一個電子當成映象中的自己,就像人透過鏡子看自己一樣。由此推斷,根據宇稱守恆理論,所有電子自身環境和映象環境中都應該遵循同樣的物理定律,其他粒子的情況也是如此。
很早就有人提出了牛頓定律具有映象對稱性。不過,以前科學家們提出的那些具有映象對稱的物理定律大多是宏觀的,而宇稱守恆則是針對組成宇宙間所有物質的最基本的粒子。如果物質最基本層面的對稱能夠成立,那麼對稱就成為宇宙物質的根本屬性。
現代物理將物質間的相互作用力分為四種:引力、電磁力、強力和弱力。在強力、電磁力和引力作用的環境中,宇稱守恆理論都得到了很好的驗證:粒子在這三種環境下表現出了絕對的、無條件的對稱。
在普通人眼中,對稱是完美世界的保證;在物理學家眼中,宇稱守恆如此合乎科學理想。於是,弱力環境中的宇稱守恆雖然未經驗證,也理所當然地被認為遵循宇稱守恆規律。
20世紀50年代初,科學家們從宇宙射線裡觀察到兩種新的介子:θ和τ。這兩種介子的自旋、質量、壽命電荷等完全相同,很多人都認為它們是同一種粒子。但是,它們卻具有不同的衰變模式,θ衰變時會產生兩個π介子,τ則衰變成三個π介子,這說明它們遵循著不同的運動規律。
假使τ和θ是不同的粒子,它們怎麼會具有一模一樣的質量和壽命呢?而如果承認它們是同一種粒子,又怎麼會具有完全不一樣的運動規律呢?
為了解決這一問題,物理學界曾提出過各種不同的想法,但都沒有成功。物理學家們都小心翼翼地繞開了“宇稱不守恆”這個可能。當時的物理學家們不能想象:一個電子和另一個電子的運動規律不一樣嗎?或者一個介子和另一個介子的運動規律不一樣嗎?
1956年,李政道和楊振寧兩位物理學家在深入細緻地研究了各種因素之後,大膽地斷言:θ和τ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裡和鏡子外居然不一樣!即“θ…τ”粒子在弱相互作用下是宇稱不守恆的。
類比說明:假設有兩輛互為映象的汽車,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;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。
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?
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,在粒子世界裡,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。
最初,“θ…τ”粒子只是被作為一個特殊例外,人們還是不願意放棄整體微觀粒子世界的宇稱守恆。此後不久,物理學家吳健雄用一個巧妙的實驗驗證了“宇稱不守恆”,吳健雄用兩套實驗裝置觀測鈷60的