作為中華民族之一員，不能理解宇稱不守恒，應(yīng)該汗顏吧。發(fā)現(xiàn)不易，理解應(yīng)該不成問(wèn)題。

1. 什么是宇稱？

宇稱（Parity） 是物理學(xué)中描述“空間對(duì)稱性”的概念。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它對(duì)應(yīng)的是“鏡像反射”操作后的性質(zhì)。

• 鏡像反射：想象你站在鏡子前，鏡子里的世界是你的鏡像。宇稱問(wèn)題就是：真實(shí)世界的物理規(guī)律和鏡子里的規(guī)律是否完全相同？
• 宇稱守恒：如果物理規(guī)律在鏡像反射后不變，比如鏡子里的蘋(píng)果和現(xiàn)實(shí)中的蘋(píng)果遵循同樣的運(yùn)動(dòng)定律，我們說(shuō)“宇稱守恒”。
• 宇稱不守恒：如果鏡像世界的物理規(guī)律與現(xiàn)實(shí)不同（比如鏡子里的蘋(píng)果下落軌跡變了），則稱為“宇稱不守恒”。

從矢量和贗矢量的角度來(lái)考察：

• 矢量（如速度、動(dòng)量）：在鏡像反射（宇稱變換）下方向反轉(zhuǎn)。
• 例：鏡子中的你向右跑，真實(shí)世界的你向左跑。
• 贗矢量（如角動(dòng)量、磁場(chǎng)）：在鏡像反射下方向不變。
• 例：鏡子中的陀螺逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，真實(shí)世界的陀螺也逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（鏡像反射不改變旋轉(zhuǎn)方向）。

關(guān)鍵點(diǎn)：
在物理相互作用中，若涉及矢量與贗矢量的耦合（如自旋與動(dòng)量的結(jié)合），會(huì)產(chǎn)生贗標(biāo)量（在鏡像反射下改變符號(hào)）。

• 贗標(biāo)量示例：自旋（贗矢量）與動(dòng)量（矢量）的點(diǎn)積 σ?p。
• 宇稱變換下，動(dòng)量 p→?p，自旋 σ→σ（贗矢量不變），因此 σ?p→?σ?p。
• 贗矢量的作用：贗矢量與矢量結(jié)合生成贗標(biāo)量（如 σ?p），這些項(xiàng)在鏡像反射下改變符號(hào)，破壞對(duì)稱性。

對(duì)宇稱不守恒的影響：
弱相互作用（如β衰變）的哈密頓量包含贗標(biāo)量項(xiàng)（例如 σ?p）。這種項(xiàng)在鏡像世界中符號(hào)改變，導(dǎo)致物理規(guī)律不對(duì)稱，從而宇稱不守恒。

2. 經(jīng)典物理中的對(duì)稱性

在經(jīng)典物理中，大多數(shù)現(xiàn)象（如牛頓力學(xué)、電磁學(xué)）都遵循宇稱守恒。例如：

• 拋體運(yùn)動(dòng)：鏡子里的拋體軌跡和現(xiàn)實(shí)中完全對(duì)稱。
• 行星軌道：鏡像中的行星也會(huì)繞太陽(yáng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（假設(shè)現(xiàn)實(shí)中是逆時(shí)針）。
  此時(shí)，物理學(xué)家認(rèn)為“對(duì)稱性”是自然界的普適規(guī)律。

3. 宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)

關(guān)鍵人物：楊振寧和李政道（1956年提出理論）、吳健雄（實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）。
問(wèn)題起源：1950年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)兩種粒子（θ和τ）的衰變方式不同：

• θ粒子衰變?yōu)閮蓚€(gè)π介子（偶數(shù)宇稱），τ粒子衰變?yōu)槿齻€(gè)π介子（奇數(shù)宇稱）。
  但實(shí)驗(yàn)表明θ和τ其實(shí)是同一種粒子（質(zhì)量、壽命相同）。矛盾由此產(chǎn)生：為何同一種粒子有兩種宇稱？

楊振寧和李政道的突破：
他們提出，在弱相互作用（一種基本力，如β衰變）中，宇稱可能不守恒。這意味著，物理規(guī)律在鏡像反射后可能不同。重點(diǎn)考察贗標(biāo)量的變化。

4. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：吳健雄的鈷-60實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原理（簡(jiǎn)化版）：

1）鈷-60原子核：在極低溫下，用磁場(chǎng)使鈷-60原子核的自旋方向?qū)R（像小磁針指向同一方向）。

2）β衰變：鈷-60衰變時(shí)會(huì)發(fā)射電子（β粒子）。

3）關(guān)鍵觀察：如果宇稱守恒，電子應(yīng)該對(duì)稱地向上和向下發(fā)射（鏡像中的情況應(yīng)與現(xiàn)實(shí)相同）。

4）實(shí)際結(jié)果：電子更傾向于朝著自旋方向的反方向發(fā)射（如自旋向上時(shí)，電子向下發(fā)射更多）。

5）鏡像中的矛盾：鏡子里的鈷-60自旋方向反轉(zhuǎn)，但電子發(fā)射方向不變，導(dǎo)致鏡像中的衰變模式與現(xiàn)實(shí)不同。

結(jié)論：弱相互作用（β衰變）中，宇稱不守恒！

5. 宇稱不守恒的簡(jiǎn)化推導(dǎo)

宇稱算符（P）：數(shù)學(xué)上，宇稱操作將坐標(biāo)變?yōu)殓R像坐標(biāo)（x→?x,y→?y,z→?z）。

• 守恒條件：若物理系統(tǒng)的哈密頓量（能量算符）滿足 [H,P]=0，則宇稱守恒。
• 不守恒條件：若 [H,P]≠0，則宇稱不守恒。

楊-李理論的核心：

在弱相互作用中，哈密頓量包含“手征性”（左右不對(duì)稱）的項(xiàng)，導(dǎo)致 [H,P]≠0。
例如，β衰變中涉及的中微子永遠(yuǎn)以“左旋”方式運(yùn)動(dòng)（類似螺絲的旋轉(zhuǎn)方向），而反中微子為“右旋”，導(dǎo)致鏡像世界中的現(xiàn)象無(wú)法對(duì)稱。

[H, P] ≠ 0 的根源：弱相互作用的哈密頓量包含贗標(biāo)量項(xiàng)，宇稱變換后哈密頓量形式改變，導(dǎo)致對(duì)易子非零。

6. 宇稱不守恒的意義

• 顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知：證明自然界并非完全對(duì)稱，某些力（如弱力）具有“方向偏好”。
• 應(yīng)用影響：解釋了宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱性，推動(dòng)了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的建立。
• 諾貝爾獎(jiǎng)：楊振寧和李政道因此獲得1957年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

小結(jié)：

• 宇稱：鏡像反射后的對(duì)稱性。
• 宇稱不守恒：弱相互作用中，物理規(guī)律在鏡像中不再成立（如鈷-60衰變的電子方向不對(duì)稱）。
• 核心公式：哈密頓量與宇稱算符不對(duì)易（[H,P]≠0）。
• 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：吳健雄通過(guò)β衰變實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)到電子發(fā)射的方向性偏好。

類比：
想象一個(gè)向右旋轉(zhuǎn)的螺絲（左旋螺絲不存在），在鏡像中它變成了向左旋轉(zhuǎn)的螺絲，但現(xiàn)實(shí)中只有右旋螺絲存在——這就是宇稱不守恒的直觀表現(xiàn)！