如何通俗易懂地解释「弱相互作用中宇称不守恒」?

如何通俗易懂地解释「弱相互作用中宇称不守恒」?

@长尾科技 和 @探索之子 的回答中存在严重错误。

诺特定理(Noether Theorem)所说的是连续变换对称性对应着守恒律,这一点可以从诺特流(Noether current)的推导中清楚地看出来。连续变换(continuous transformation)指的是那些能用连续的参数来描述的变换,比如在三维空间中的相对于z轴的旋转变换可以用一个连续参数 来表述,写成矩阵的形式就是 。另一个简单的例子就是洛伦兹变换(Lorentz transformation)。

但宇称变换(parity transformation)并不是连续变换。它跟另外两种变换(即charge conjugate transformation和time-reversal transformation)都是物理学里面重要的离散变换(discrete transformation)。对于这些离散变换,诺特定理是不能适用的。 @长尾科技 在其回答中所说的“但是到了量子力学这里,压根就没有连续的东西,一切都是量子化的,所以这种差异就没有了”是错误的,完全是似是而非的臆想。在量子力学中也是有连续变换和离散变换之分的,连续变换的例子之一就是 变换,而宇称变换在量子力学里仍然是离散变换。

简单地说,宇称变换就是把空间轴都反向的操作,即 。在有些科普书中宇称变换被解释为镜像变换,这两种解释在物理学中是等效的。因为空间轴反向变换其实就相当于镜像变换和一个旋转变换的叠加,因此在默认旋转对称性的前提下空间轴反向变换和镜像变换是等效的。在宇称变换下,各个物理量会遵循不同的变换规则,而根据这些变换规则又可以把物理量分成若干类型:第一种类型是标量(scalar),这些物理量在宇称变换下会保持不变(invariant),比如质量;第二种类型是向量(vector),这些物理量的空间分量会在宇称变换下得到一个负号,比如速度和电场 ;第三种类型是赝向量(pseudo-vector),这些物理量的空间分量在宇称变换下会保持不变,比如角动量和磁场 ;第四种类型是赝标量(pseudo-scalar),这些物理量会在宇称变换下得到一个负号,比如我们可以利用上述电场 和磁场 的性质构造出赝标量 ;其他类型就包括更高阶的各种张量(tensor),它们的变换规则可以从比较低阶的零件的变换规则推导出来,比如电磁张量(electromagnetic tensor) 。

宇称对称性所对应的宇称守恒跟诺特定理并没有关系。在量子力学和量子场论中,宇称变换被算符 表示。算符 有两个本征值,分别是 和 。在吴健雄所做的钴-60 衰变实验中发生的反应是 。实验结果是大部分电子的的发射方向是跟核自旋(nuclear spin)相反。自旋是一个赝向量,在宇称变换下保持不变;而电子的发射速度是向量,在宇称变换下会改变符号。因此吴健雄的实验的镜像是不会发生的,这就是一个宇称不守恒现象,也可以叫做宇称违背(parity violation)。parity violation的说法其实更清楚,不会使人想当然地与诺特定理作不存在的联系。

在四种基本相互作用中,引力、电磁力和强相互作用被认为是有宇称对称性(parity symmetry)的,而弱相互作用已经被证明存在宇称违背的情况。但在粒子物理的标准模型中强相互作用的拉格朗日密度(Lagrangian density)是允许宇称违背的情况发生的,因为其中存在一个可以不为零的参数。这个参数为什么刚好那么小使得强相互作用满足宇称对称性仍然是一个open question,被称为Strong CP Problem。其中最有引人注意的解决方案就是Peccei和Quinn提出的轴子(axion)理论,那又是另一个大领域了。