物理|宇称为什么不守恒?

宇称不守恒是一种非常有趣的物理现象 , 它使得诸多物理概念和数学理论建立深刻的联系 , 不同的物理思想与理论也在这种物理现象中被连成了一个整体 。 笔者将在本文中阐述一种理解宇称不守恒的相对简单易懂的方法 , 并阐述出这一物理现象背后深刻地物理思想 。 我们将从 诺特定理、 粒子的宇称与弱相互作用   中微子的自旋和宇称不守恒  三部分展开叙述这一主题 。
第一章:诺特定理——对称与守恒的交响曲
“宇称”这一基本物理概念的提出 , 离不开一个看起来十分平凡 , 却在物理学中至关重要的数学定理:诺特定理 。 在介绍这个定理之前 , 我们先来了解一下量子数和对称性这些基本的物理学概念 。
在我们所生活的这个高度信息化的时代 , 每个人都被赋予了很多不同的“身份标签” , 例如姓名 , 指纹 , 长相 , 国籍 , 学历 , 宗教信仰等等 。 通过这些身份的标签 , 我们便能区别每一个不同的人 , 因而可以说如今我们生活在一个标签化的时代 。

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图一:每个人都被附上专属自己的标签
对于其他的生命体也同样有此类标签 , 生物学也专门为区分不同的物种设置了分类系统:“界 , 门 , 纲 , 目 , 科 , 属 , 种” , “生物分类学”就是专门用来寻找可以区分不同物种的“身份标签”的学科 。
既然所有生命都有自己的标签 , 那么非生命体呢?换言之 , 在粒子尺度的微观世界中 , 微观粒子的“身份标签”都有什么?
当人类具有能力探索微观的基本粒子世界(小编注:19 世纪中后期)时 , 人们发现 , 微观世界中基本粒子的种类也是丰富多彩的 —— 我们听说过的就有原子 , 中子 , 质子 , 电子 , 夸克等等 。 在物理学中 , 每一个被用于区分不同粒子的“身份标签”都被称作量子数(quantum number) 。 量子数种类繁多 , 包括读者们熟悉的质量 , 电荷 , 寿命 , 以及许多读者不太熟悉的 , 基本粒子的自旋 , 宇称 , 轻子数等 。 这些量子数都可以在实验中被精密地测定 。

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图二:不同基本粒子也有不同的标签
我们今天要介绍的“宇称”也是其中一种被用于标识基本粒子身份的“标签“ , 每一种基本粒子都有宇称(Parity , 记做 π) , 它只取 ±1 两个值 , 其符号可以由具体的实验来确定 。
那么“宇称”这种量子数是如何被发现的呢?它又有何种魅力 , 引起了物理学界对它的高度重视?

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