宇称不守恒定律（1956年杨振宁提出的定理）

基本概述

宇称不守恒定律是指：在弱相互作用中，互为镜像的物质的运动不对称，由吴健雄用钴60验证。

科学界在1956年前一直认为宇称守恒，也就是说一个粒子的镜像与其本身性质完全相同。

1956年，科学家发现θ和τ两种介子的自旋、质量、寿命、电荷等完全相同，多数人认为它们是同一种粒子，但θ介子衰变时产生两个π介子，τ子衰变时产生3个，这又说明它们是不同种粒子。

实验验证

李政道（左）和杨振宁（右）

最初，人们认为“θ-γ”粒子只是一个特例。但不久，同为华裔的物理学家吴健雄用一个巧妙的实验验证了“宇称不守恒”，从此，“宇称不守恒”真正被承认为一条具有普遍意义的基础科学原理。

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。

举例说明

为了便于理解宇称不守恒，我们举一个现实的例子。假设有两辆互为镜像的汽车，汽车A的司机坐在左前方座位上，油门踏板在他的右脚附近；而汽车B的司机则坐在右前方座位上，油门踏板在他的左脚附近。现在，汽车A的司机顺时针方向开动点火钥匙，把汽车发动起来，并用右脚踩油门踏板，使得汽车以一定的速度向前驶去；汽车B的司机也做完全一样的动作，只是左右交换一下—他反时针方向开动点火钥匙，用左脚踩油门踏板，并且使踏板的倾斜程度与A保持一致。现在，汽车B将会如何运动呢？

也许大多数人会认为，两辆汽车应该以完全一样的速度向前行驶。遗憾的是，吴健雄的实验证明了，在粒子世界里，汽车B将以完全不同的速度行驶，方向也未必一致！粒子世界就是这样不可思议地展现了宇称不守恒。

不守恒

宇称不守恒定律

这就是说，如果用反粒子代替粒子、把左换成右，以及颠倒时间的流向，那么变换后的物理过程仍遵循同样的物理定律。

自从李政道和杨振宁提出宇称不守恒后，科学家很快又发现，粒子和反粒子的行为并不是完全一样的！一些科学家进而提出，可能正是由于物理定律存在轻微的不对称，使粒子的电荷(C)不对称，导致宇宙大爆炸之初生成的物质比反物质略多了一点点，大部分物质与反物质湮灭了，剩余的物质才形成了我们今天的物质世界。如果物理定律严格对称，宇宙连同我们自身就都不会存在—宇宙大爆炸之后应当诞生了数量相同的物质和反物质，但正反物质相遇后就会立即湮灭，那么，星系、地球乃至人类就都没有机会形成了。

接下来，科学家发现连时间本身也不再具有对称性了！

日常生活中，时间是不可倒流的。不过，在物理学家眼中，时间却一直被视为是可逆转的。比如说一对光子碰撞产生一个负电子和一个正电子，而正负电子相遇则同样产生一对光子，这两个过程都符合基本物理学定律，在时间上是对称的。如果用摄像机拍下其中一个过程然后播放，观看者将不能判断录像带是在正向还是逆向播放。从这个意义上说，时间没有了方向。

然而，1998年年末，物理学家们却首次在微观世界中发现了违背时间对称性的事件。欧洲原子能研究中心的科研人员发现，正负K介子在转换过程中存在时间上的不对称性：反K介子转换为K介子的速率要比其逆转过程，即K介子转变为反K介子来得要快。

至此，粒子世界的物理规律的对称性全部破碎了。然而粒子的本质是电磁作用。粒子与粒子或粒子与物质间同样存在相互作用，在正物质宇宙环境下也许正是这种粒子的相互作用影响差异使得粒子能量运动状态发生改变而导致宇称不守恒。

发现过程

杨振宁、李政道和吴健雄是中国老百姓耳熟能详的名字，他们的事业巅峰和“宇称”紧密相连。

宇称是内禀宇称的简称，是表征粒子或粒子组成的系统在空间反射下变换性质的物理量。在空间反射变换下，粒子的场量只改变一个相因子，这相因子就称为该粒子的宇称。我们也可以简单地理解为，宇称就是粒子照镜子时，镜子里的影像。以前人们根据物理界公认的对称性认为，宇称一定是守恒的。这就像正电子，就一定要有负电子与之相对应一样。

杨振宁教授1951年与李政道教授合作，并于1956年共同提出“弱相互作用中宇称不守恒”定律。

这个道理其实很简单。对称性反映不同物质形态在运动中的共性，而对称性的破坏才使得它们显示出各自的特性。如同建筑和图案一样，只有对称而没有它的破坏，看上去虽然很规则，但同时显得单调和呆板。只有基本上对称而又不完全对称才构成美的建筑和图案。大自然正是这样的建筑师。当大自然构造像DNA这样的大分子时，总是遵循复制的原则，将分子按照对称的螺旋结构联接在一起，而构成螺旋形结构的空间排列是全同的。但是在复制过程中，对精确对称性的细微的偏离就会在大分子单位的排列次序上产生新的可能性，从而使得那些更便于复制的样式更快地发展，形成了发育的过程。因此，对称性的破坏是事物不断发展进化，变得丰富多彩的原因。

杨振宁和李政道的亲密合作是他们取得巨大成就的基础。杨振宁对此回忆说：我1948年6月获得芝加哥大学哲学博士学位后，在密执安大学度过了那一年的夏天。秋后，我返回芝加哥大学，被聘为物理系的讲师。我一边教课，一边继续做核物理和场论方面的研究。1948年尾，李政道和我合作研究衰变及俘获，发现这些相互作用与衰变具有非常相似的强度。

李政道1946年秋到芝加哥大学当研究生。我俩早些时候在中国或许见过面，然而，只是到了芝加哥才真正彼此相识。我发现他才华出众，刻苦用功。我们相处得颇投机，很快就成了好朋友。我长他几岁，又先他几年当研究生，便尽力帮助他。后来，费米做了他的学位论文导师，但他总是转而向我寻求指导。因此，在芝加哥的岁月里，事实上我倒成了他的物理老师。

1953年，李政道到了哥伦比亚大学。为了继续合作，我们订立了相互访问的制度。我每周抽一天时间去哥伦比亚，他则每周抽一天到普林斯顿或布鲁克海文来。这种例行互访保持了6年。而这段时间我们的兴趣有时在基本粒子理论方面，有时则在统计力学方面。这是一种非常富有成果的合作，比我同其他人的合作更深入广泛。这些年里，我们彼此相互了解得如此之深，以致看来甚至能知道对方在想些什么。但是在气质、感受和趣味等诸方面，我们又很不相同，这些差异对我们的合作有所裨益。我们的交往始于1946年，这种交往是亲密的，它基于相互尊重、相互信任和相互关心。接着，迎来了1957年，以及我们的成功（双双获得诺贝尔奖）。在我同李政道做朋友的16年间，我对他就像一位兄长。这种合作对物理学的贡献良多，人们对此感到艳羡。李政道自己也断言，这种合作对他的事业和成长具有决定性的影响。

吴健雄

杨振宁和李政道从理论上怀疑宇称律作用于基本粒子弱相互作的正确性后提出，如果在弱交换作用下，奇偶性不守恒，那么一群有向原子核的β射线应呈轴向的不对称分布。两位科学家为了证明他们预言的正确性，找到了吴健雄博士。吴健雄有许多新巧的物理实验技术广泛为其他物理学家所采用，许多物理学家在实验上遭遇到困难，也会寻求她的协助。在杨李提出请求后不久，吴健雄博士就与华盛顿的美国国家标准局的阿贝尔博士商讨合作这一实验的可能性，实际工作在3个月后开始。她在极低温度（绝对零度以上0.01开尔文）的磁场中，观测钴60衰变为镍60，及电子和反微子的弱交换作用，果然电子及反微子均不遵守宇称守恒原理。

实验成功了，吴博士证明了杨振宁和李政道的理论，推翻了物理学上屹立不移三十年之久的宇称守恒定律。这一发现，使瑞典皇家科学院立即将1957年的诺贝尔物理奖，颁发给杨振宁和李政道两位博士，因为他们指正了过去科学家所犯的严重错误，更开启基本粒子“弱交换作用”一些规则的研究，使人类对物质结构内层的认识迈进了一大步。美国作家李·伊得逊说：吴健雄博士经过了不知多少次艰辛而复杂的实验，方使杨、李二位在理论上的突破，获得了实验上的证明。吴健雄在实验中发现了电子倾向于左手旋的现象，不仅改变了物理科学中“宇称守恒”的基本信念，同时也影响到化学、生物、天文和心理学的发展。虽然吴健雄博士没有得到诺贝尔奖，但她所从事工作的重要性并不因此而降低，反而因其他荣推崇和荣誉和纷至沓来，而更显得成就辉煌。普林斯顿大学授予她荣誉哲学博士学学位时，校长郑重地宣布：吴健雄博士已充分获得被称誉为世界上最伟大物理实验学家的权利。宇称不守恒原理彻底改变了人类对对称性的认识，促成了此后几十年物理学界对对称性的关注。

发现历史

美国物理学家理察·T·考克斯（Richard Threlkeld Cox）可能早在1928年就观察到了β衰变中宇称的不守恒性。科学家在1956年之前已发现θ和τ两种介子的自旋，质量，电荷完全相同，一度以为是同一种粒子，然而θ衰变时产生两个π介子，τ衰变时产生3个π介子，奇数个π介子的总宇称是负的，而偶数个π介子的总宇称是正的。如此看来又似乎不是同一种粒子。1956年4月第六届罗彻斯特高能核物理年会在纽约州北部罗彻斯特大学举行，会议上讨论了θ-τ的衰变中，有科学家提出宇称是否有可能不守恒？1956年6月李政道与杨振宁在美国《物理评论》上共同发表《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内存在“不守恒”，θ和τ是两种完全相同的粒子。

1957年1月9日吴健雄与安布勒（E．Ambler）、海沃德（R．W．Hayward）、霍普斯（D．D．Hoppes）等科学家从观测钴60（Co）的衰变的实验证实了这项推测，她以两套装置中的钴60互为镜像，一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，结果发现在极低温（绝对零度以上0.01K）下放射出来的电子数有很大差异，实验结果推翻了物理学上屹立不移三十年之久的宇称守恒定律（在强相互作用和电磁相互作用中宇称一直是守恒的）。1957年1月15日，美国哥伦比亚大学物理系举行新闻发布会，公布了吴健雄小组的实验结果，并且宣布宇称守恒这个物理学基本定律在弱相互作用中被推翻了。

次日，《纽约时报》发表一篇《外表与真实》的报导。1月17日苏黎世联邦理工学院的泡利写信给韦斯可夫表达了他关于宇称不守恒的怀疑，泡利写道：“我不相信，上帝是个弱的左撇子。我准备拿一大笔钱打赌，实验一定会得出对称的结果。”。1957年10月李政道与杨振宁因宇称不守恒理论而获得诺贝尔物理学奖。杨在他获诺贝尔奖金的致词中：“对称原理之一，即左右对称，是与人类文明一样古老的观念。自然界是否具有这样一种对称性，过去的哲学家们一直争论不休。……然而，物理定律过去却一直显示出左右之间的完全对称性。”

摘自灵遁者量子力学书籍《见微知著》

原理影响

“宇称不守恒原理”的影响是深远的。许多人说：“很难想象，假若没有杨和李等的工作，今天的理论物理会是什么样子？！”1998年年末，物理学家发现首例违背时间对称性事件。欧洲原子能研究中心的科研人员发现，正负K介子在转换过程中存在时间上的不对称性。这一发现虽然有助于完善宇宙大爆炸理论，但却动摇了“基本物理定律应在时间上对称”的观点。

物理学家眼中，时间却一直被视为是可逆转的。物理学上这种不辨过去与未来的特性被称为时间对称性。经典物理学定律都假定时间无方向，而且也确实在宏观世界中通过了检验。但近几十年来，物理学家一直在研究时间对称性在微观世界中是否同样适用。欧洲原子能研究中心的一个小组经过长达三年的研究终于获得了突破。他们的实验观测首次证明，至少在中性K介子衰变过程中，时间违背了对称性。

由来自九个国家近百名研究人员组成的这一小组在实验中研究了K介子反K介子相互转换的过程。介子是一种质量比电子大，但比质子与中子小，自旋为整数，参与强相互作用的粒子，按内部量子数可分为π介子、ρ介子和K介子等。研究人员在实验中发现，反K介子转换为K介子的速率要比其时间逆转过程、即K介子转变为反K介子来得要快。这是物理学史上首次直接观测到时间不对称现象。

现代宇宙理论曾认为，宇宙大爆炸之初应该产生等量物质和反物质，但当今的宇宙却主要为物质世界所主宰，这一现象一直让人困惑。欧洲核子中心新实验证明，反物质转化为物质的速度要快于其相反过程，因此它为宇宙中物质量为何远远超过反物质量提供了部分答案。另外，新成果对物理学基本对称定律研究也有重要意义。物理学家们一直认为，除了基本物理定律不受时间方向性影响外，物体在空间物理反射的过程以及粒子与反粒子的变换过程也应遵循对称性。时间、宇称和电荷守恒定律被认为是支撑现代物理学的基础之一。

宇称不守恒定律

1999年3月，科学家称直接观测证明电荷宇称定律有误。美国费米实验室宣布说，该实验室以前所未有的精度，基本“确切无疑”地证明中性K介子在衰变过程中直接违背了电荷宇称联合对称法则。这一结果被认为是物质和反物质研究领域的一项重要进展。

目前普遍接受的物理学理论认为，每一种基本粒子都有其对应的反粒子。譬如说与带负电的电子相对应，就存在质量相同、携带电荷正好相反的正电子。在反物质理论提出后，科学家们一直认为，粒子和反粒子之间在特性上存在对称，就象人们通过镜子看自己一样。这些对称特性主要包括基本物理定律不受时间方向性影响，以及空间反射下的物理过程以及粒子与反粒子的变换过程遵循对称，它们分别被称为时间、宇称和电荷守恒定律。

1964年，美国物理学家克洛宁和菲奇发现，K介子与其反物质反K介子之间违背宇称和电荷联合守恒定律。但两位物理学家主要通过K介子与反K介子的量子力学波动效应而观测到其违背电荷宇称守恒现象，因此被认为是一种间接观测。自60年代以来，世界各国物理学家也先后得出一些类似结果，但基本也都属于间接观测范畴。而要想直接证明K介子违背宇称和电荷联合守恒定律，其主要途径是研究K介子衰变为其它粒子的过程。K介子可衰变为两个介子。物理学家们曾从理论上指出，通过实验测量出一定数量K介子中有多少衰变为介子，这一比值如果不接近零，那么即可被视为直接证明了宇称和电荷联合定律不守恒。

据报道，各国科学家们近年来一直在从事K介子衰变为介子比值的测算，但所获得结果都无法被认为是确切的证明。而费米实验室所获得的最新数值结果（0.00280误差0.00041），由于其精确度比此前实验都有所提高，从而直接证明了宇称和电荷守恒定律确实有局限性。

宇称和电荷联合定律不守恒最早发现者之一、曾获1980年诺贝尔物理奖的克洛宁教授在评价费米实验室新成果时称，这是自发现违背宇称和电荷守恒定律的现象35年来，人们首次获得的有关该问题真正新的认识。普林斯顿大学教授瓦尔·菲奇说：“这个结果让人极其诧异，这是完全没有预料到的，它非常、非常有意思。”

科学家计划继续在费米实验室进行实验和计算，以验证这些最新观察结果是否确实。与此同时，如果你想知道世界为什么会是现在这个样子，答案完全就在于左右之间的差异—你只要看看镜子就行了。