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2016-12-28 02:00 网络整理 教案网

按照直观的理解,粒子的“左右手”应该是对称的,左旋粒子只是右旋粒子的镜像而已,他们应该遵循相同的物理规律,这就是所谓的”手征对称性“,而在粒子相互作用时,就体现为所谓的”宇称守恒“。但是,这个直观的看法却是错误的,因为听起来很荒谬,但从目前各种实验上看,上帝的确是有所偏向的。

我们先不谈太复杂的物理。即使在其它领域,手征性也是比较明显的。比如制药领域。很多时候必须分清左右旋药物的不同药物动力学机制,如果两者很不相同,我们只需要其中一种,就必须进行提纯(否则有可能另一种镜像药物会吃死人)。在化工领域更是了。从结构上讲,一种“左旋“结构体只是另一种”右旋“结构体的镜像而已,按常理不会出现较大差异,可是自然规律却真不是这样。

大家都知道杨振宁和李政道获得诺贝尔奖的贡献是因为“发现宇称不守恒”,可是这个背后究竟是什么呢?当时还没有粒子物理的标准模型(也可以说李杨对此建立也做出了贡献),而物理学家根据”常理“相信自然界(基础物理,非化学)左右手是对称的,而且实验上在QED(量子电动力学)和强相互作用中也看到了这种对称性。左右手对称性是镜像对称的一种,镜像对称用数学语言讲就是宇称,宇称简单讲就是一种粒子的属性,粒子波函数在某种反演下,比如电荷(C)、空间(P)、时间(T)反演下的固定性质,如果波函数不变,类似偶函数,叫偶宇称,如果波函数相差个负号,类似奇函数性质,叫奇宇称。宇称守恒的意思是反应前后各粒子宇称相乘是一样的(跟函数奇偶性一样,奇*奇=偶,奇*偶=奇,偶*偶=偶)。大多数散射过程(粒子反应过程)实验中,人们都发现,宇称的确是守恒的。但后来人们发现了”两个“粒子:θ/τ,电荷、质量、其它量子数都是一样的,只是宇称不同,而人们观测其宇称的办法,是他们的衰变产物:θ粒子衰变成2个π介子而τ粒子衰变成三个π介子。π介子是赝标量粒子,宇称为奇,这样如果宇称是守恒的,θ/τ应该是两个粒子,一个是宇称为偶的一个是宇称为奇的。但因为他们其它的属性都一摸一样,人们相信这应该是相同的粒子。这就是当年著名的θ/τ疑难。

讲到这里大家是不是觉得很高大上,就左右手这么简单的东西,竟然联系到了诺贝尔奖的工作,哈哈,想想自己也不是很笨。但是要注意的是,物理学中,第一个提出来跟后面跟风的是完全两码事情。在当年人们坚信宇称守恒跟能量守恒同等地位的前提下(大家不要看到这个就想到自己能否能量守恒定律,这是完全两码事情,我后面会提到),李政道和杨振宁(事后他们是是非非很多,我们也不管究竟谁先提出)提出了弱相互作用过程中宇称不守恒,是需要很大勇气和魄力的。里面复杂的物理就不说了,简单说他们认为在弱相互作用过程中宇称不守恒,θ/τ是一个粒子(现代称为K介子)。

直至标准模型建立之后,人们对对称性和弱相互作用又有了新的看法。物理学家发现自然界的基本相互作用都可以用规范对称性描述(引力能否纳入现在不得而知):电磁对称性是U(1),弱相互作用是SU(2)_L,强相互作用是SU(3)。这些是什么东西,大家可以不用管,只是眼尖的人会发现,那个弱相互作用里的L是什么意思?为什么会与其它不同?

但是宇称守恒和能量守恒是不同的两码事情。在QED(电磁相互作用)和QCD(强相互作用)中,宇称守恒是比较自然的,因为传递相互作用的是光子和胶子,这两个粒子都是无质量的,在外部能量很大的情况下,费米子也可以看成是无质量的。对无质量的理论,手征对称性可以最大限度得到保持,这样左右手是等价的。而在弱相互作用过程中,不仅弱电对称性有自发破缺(破缺之后残余的对称性构成QED),传递弱相互作用的矢量粒子带质量,而且散射过程必须考虑费米子的质量,一个有质量的理论,其手征性必然遭到破坏(质量项M Ψ_L Ψ_R破坏手征对称性)。而前面讲的所有规范对称性,都是内部对称性,内部对称性可以有不同的形式,而宇称依赖内部对称性,但他们都必须都遵守”外部“的时空对称性,而能量守恒定律是时空对称性的结果。