诺贝尔物理学奖：宇称不守恒

宇称(Parity)：宇，空间；称，对称。因此，宇称简单来说就是空间对称。它本质上是一种非常简单的数学运算，只是翻转坐标轴的符号。因此每当将P变换应用于给定的物理现象时，物理量就会以坐标系本身翻转其符号的方式发生变化。

例如，我们有坐标轴(X, Y, Z)，当进行P变换时，最终会得到(-X, -Y, -Z)。这意味着将坐标轴XYZ倒置，从右手坐标系转到左手坐标系。因此，每当我们谈论P变换时，我们通常会联想到镜像，因为当我们站在镜子前面时，我们的右手就会变成左手。

当我们应用这种P变换时，某些物理量的符号可能会发生变化，而某些物理量的符号可能不会发生变化。例如，粒子的位置矢量r是相对于坐标系定义的位，因此在P变换下经历符号翻转变成-r。类似地，动量p也将变为-p，加速度a也将变为-a。根据牛顿第二定律，力的方向也将发生改变。

但是，一些物理量的符号却不会发生变化,例如角动量L。角动量是位置矢量和动量的叉积，而位置矢量和动量同时改变符号而互相抵消。因此，即使在P变换下，角动量的方向也保持不变。同理可推，量子粒子的自旋角动量S的方向，在P变换下也不会发生方向变化。

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现在我想说的是，假设一个粒子在某种力的情况下形成了一个轨迹，该轨迹的镜像也是该力的镜像所形成的。因此，轨迹和轨迹的镜像都是相同的，它们是牛顿第二定律的结果，牛顿第二定律不区分粒子是否在(X, Y, Z)参考系或(-X, -Y, -Z)参考系。因此从某种意义上说，牛顿第二定律对于这种明显的变换是不变的，它并不能区分我们是在右手坐标系中还是在左手坐标系中。

不仅是牛顿第二定律，万有引力定律、麦克斯韦方程甚至是量子力学在P变换下都是不变的。也就说说，不管是经典物理还是量子物理，都不能用来区分我们是在左手宇宙还是右手宇宙。这就是所谓的宇称守恒，在很长一段时间内都被认为是正确的想法。直到1950年代后期，在涉及弱相互作用时，杨振宁和李政道提出了宇称不守恒。

当时，科学界出现了“θ-τ”疑难。实验中发现的θ粒子和τ粒子性质非常相似，但它们具有两种不同的衰变方式：θ粒子会衰变到2π模式，τ粒子会衰变到3π模式。杨振宁和李政道在1956年发表了《弱相互作用中的宇称守恒质疑》的论文，认为基本粒子弱相互作用宇称不守恒，θ和τ是同一种粒子。吴健雄在杨振宁和李政道的建议下，使用钴60进行实验，验证了弱相互租用下的宇称不守恒。

要理解这个实验，我们要先了解中微子的手性。当自旋的方向与动量的方向相同时，我们称它是右手中微子；反之，我们称之为左手中微子。在P变换下，上面已经说过，自旋的方向不会改变，而动量的方向会改变。因此，在P变换下，中微子的手性会改变。但在现实宇宙中，只有左手中微子和右手反中微子的存在，而其他基本粒子都是同时拥有左手性和右手性。如果宇称是守恒的，那么应该也要存在右手中微子和左手反中微子。

说回吴健雄实验，钴60静止在一个强磁场中，这样它的自旋方向就会与磁场对齐。在β衰变中，钴60变成镍60并放出一个电子和一个反中微子。如果宇称守恒，那么实验预估会出现两种概率相当的结果：第一种结果是电子的运动方向与钴60的自旋方向相反，也就是说电子是左手性的；第二种结果是电子的运动方向与钴60的自旋方向相同，也就是说电子是右手性的，具体如下图所示。

如果存在宇称守恒，发射出来的左手电子应该与右手电子数量相当。但是，实验结果出乎意料，左手电子的数量比右手电子的数量多得多。只有宇称守恒被破坏了，不然没有理由会优先发射特定方向的电子。1957年1月15日，吴健雄实验结果宣布，在弱相互作用下宇称守恒被推翻了。杨振宁和李政道也因此获得了诺贝尔奖。