UC8,乐盈,55世纪

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宇稱不守恒（Parity anomaly）是指，在弱相互作用（Weak Interactions）中，互為鏡像的物質(zhì)的運動不對稱，由楊振寧和李政道提出，吳健雄用鈷60實驗驗證。

20世紀初，著名德國女?dāng)?shù)學(xué)家艾米·諾特（Emmy Noether）提出了諾特定理（Noether's theorem），稱對稱性體現(xiàn)為物理學(xué)里的連續(xù)對稱性和守恒定律一一對應(yīng)。1927年，尤金·維格納（Eugene Wigner）提出宇稱守恒定理（Parity Conservation），即系統(tǒng)在經(jīng)過鏡像變換前后運動規(guī)律基本保持不變，只是左右相反。第二次世界大戰(zhàn)以后，粒子物理領(lǐng)域發(fā)展，θ和τ是否為同一種粒子困擾著物理學(xué)界，即θτ*疑難。有物理學(xué)家提出θ和τ是同一種K介子的兩種衰變方式，θ介子衰變時產(chǎn)生兩個π介子，τ介子衰變時產(chǎn)生三個π介子，不過這種觀點與當(dāng)時物理學(xué)界公認的宇稱守恒定律相矛盾。1956年，楊振寧（Chen-Ning Yang）和李政道（Tsung-Dao Lee）在美國《物理評論》上發(fā)表了《對于弱相互作用中宇稱守恒的質(zhì)疑》一文，指出在弱相互作用中宇稱守恒還未被證實，θ介子和τ介子為完全相同的粒子，即k介子。1956年，吳健雄（Chien-shiung Wu）通過鈷60 原子核β衰變實驗，在極低溫環(huán)境中觀測到電子發(fā)射方向的不對稱性，首次驗證了弱相互作用中的宇稱不守恒。

宇稱不守恒定律的提出，極大地改變了人們對物質(zhì)世界對稱性（Symmetry）的基本觀念，促使物理學(xué)界全面檢驗基本守恒定律，不僅導(dǎo)致電荷共軛（Charge Conjugation）對稱性、電荷共軛-宇稱反演（CP）聯(lián)合對稱性破壞的發(fā)現(xiàn)，還促進弱作用理論的蓬勃發(fā)展，推動了電弱統(tǒng)一理論（Unified Electro-weak Theory）的建立。時至今日，這一重要發(fā)現(xiàn)還在深刻地影響著粒子物理的不斷發(fā)展。1957年，楊振寧和李政道也因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎，成為首位獲此殊榮的中國人。

原理

首先引入自由電子相對論性量子力學(xué)方程，即狄拉克方程（Dirac 方程）。帶有自旋1/2的自由粒子的狄拉克方程形式為：其中i可取1,2,3……，?為約化普朗克常數(shù)，是對于時間t的偏微分，為波函數(shù)，x與t分別是空間和時間的坐標(biāo)，是散度算符，，m為質(zhì)量，c為光速。

由狄拉克理論，β衰變哈密頓量（Hamiltonian）應(yīng)包括P（動量），A（位置），V（勢能）等，假定只有A，V，即中微子只有兩個分量，設(shè)(? =?c?= 1)，則狄拉克方程為

(為泡利矩陣)，

中子β衰變方程式為n（吳健雄團隊實驗為鈷60衰變，方程式為Co60Ni60）。β衰變時放出的電子的角分布的形式為：，只要，則β衰變宇稱不守恒。吳健雄團隊經(jīng)過實驗證實，即宇稱不守恒。在此后，楊振寧和李政道有一系列文章討論其他分立變換不守恒問題。值得注意的是，當(dāng)時由于K介子衰變的θ?-τ問題，引起懷疑宇稱不守恒的可能性。但困難在于如何提出實驗檢驗。楊振寧有關(guān)角分布的長期功底促成了他提出用角分布檢驗弱作用中宇稱是否守恒的問題。

發(fā)現(xiàn)歷史

第二次世界大戰(zhàn)后，受益于戰(zhàn)時成功研制原子彈以及電子學(xué)、真空技術(shù)和低溫技術(shù)等先進技術(shù)發(fā)展，粒子物理領(lǐng)域獲得充分經(jīng)費支持并迅速發(fā)展。1947年，羅切斯特（Rochester）和巴特勒（Butler）發(fā)現(xiàn)了一個新的奇異粒子，k介子。k介子會發(fā)生兩種衰變，既能衰變成兩個π介子，也能衰變成三個π介子。起初物理學(xué)家假定k介子不止一種，并把衰變成兩個π介子的稱作θ介子，衰變成三個π介子的稱作τ介子，但經(jīng)實驗證明，θ介子和τ介子實際上是同一種k介子，有相同質(zhì)量，電荷，壽命，而且其它特性也完全相同。然而從宇稱角度，τ介子的衰變產(chǎn)物，即三個π介子的宇稱都為-1，可以推出θ介子和τ介子具有不同的宇稱，應(yīng)是兩種不同的粒子。θ?-τ疑難成為困擾粒子物理學(xué)界的問題，也成為1956年4月初舉行的羅切斯特會議討論的焦點之一。

在確立θ?-τ疑難之前，宇稱守恒定律廣泛應(yīng)用于原子、分子和核物理和β衰變研究，在當(dāng)時被科學(xué)家們認為是絕對真理。李政道曾在不違反宇稱守恒定律的前提下提出過兩種解釋方法。1955年夏，李政道和賈·奧里爾用一種級聯(lián)機制來揭示θ?-τ疑難，但實驗結(jié)果明確否定了他們的假設(shè)。1956年，李政道和楊振寧共同提出了宇稱雙重態(tài)的新理論，但實驗結(jié)果不支持這一理論。

1956年4月的羅徹斯特會議上，在與同事斯坦伯格（Steinberg）討論超子的產(chǎn)生平面與衰變平面之間的二面角φ時，李政道意識到雖然這個二面角與宇稱無關(guān)，但是如果改變它的定義，那么在φ從0到π和從π到2π之間的事例數(shù)就可能會是不對稱的，后來經(jīng)實驗表明確實有差別。但因統(tǒng)計有限，還不能由此引出結(jié)論。若以較低標(biāo)準來看，這一實驗結(jié)果可認為是首次證明了宇稱不守恒。

隨后，李政道和楊振寧找來了西格本的核譜學(xué)相關(guān)書籍，共同研究以往的β衰變實驗，發(fā)現(xiàn)其并未證實宇稱是否守恒。為此，他們在不預(yù)設(shè)弱作用下宇稱守恒的情況下，各自獨立地重新嚴格推導(dǎo)和計算與弱作用相關(guān)的物理過程，并提出強有力的論據(jù)，說明違反這一定律的可能性。同時，他們提出一些關(guān)于β衰變以及超子和介子衰變的實驗，為檢驗宇稱是否守恒提供必要的證據(jù)。1956年，二人在美國《物理評論》上發(fā)表了《對于弱相互作用中宇稱守恒的質(zhì)疑》一文，指出所有的強相互作用中都遵循宇稱守恒，但在弱相互作用中宇稱守恒還未被證實，即可得出結(jié)論，介子和介子為完全相同的粒子，即k介子。

實驗驗證

1956年，吳健雄與安布勒（E.Ambler）、海沃德（R.W.Hayward）、霍普斯（D.D.Hoppes）等科學(xué)家進行實驗，用兩套實驗裝置觀測鈷60的衰變。在極低溫（0.01K）下，用強磁場把一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向左旋，把另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉(zhuǎn)向右旋，這兩套裝置中的鈷60互為鏡像。實驗結(jié)果表明，這兩套裝置中的鈷60放射出來的電子數(shù)有很大差異，而且電子放射的方向也不能互相對稱，從而首次驗證了宇稱不守恒定律。

關(guān)于驗證CP守恒，1957年伽爾文（R.LGarwin）等人曾做過π介子蛻變實驗。如下圖所示，一個靜止的π+介子蛻變時放出的μ+和υμ，由于動量守恒，μ+和υμ的運動方向相反。由于角動量守恒，它們的自旋方向也相反。然而每個粒子的自旋與其自身動量的方向是否有關(guān)聯(lián)。實驗表明，π+介子蛻變放出μ+的自旋相對于自身動量方向全部是左旋的。這就是說，自然界只存在圖下圖a鏡面左方的過程，不存在鏡面右方的鏡像過程。然而，如圖下圖b所示那樣，用π+的反粒子π-來做實驗，這實驗中測得的μ-自旋全部是右旋的。以上實驗表明，元介子蛻變過程違反宇稱守恒，但保持CP不變。

研究進展

1964年，美國物理學(xué)家克洛寧（James Cronin）和菲奇（ Val Fitch）發(fā)現(xiàn)，K介子的蛻變過程中有3/1000的概率違反CP不變性。這表明，CP守恒只是近似的定律。CP變換加上T變換（時間反演變換）稱為CPT聯(lián)合變換。理論上和實驗上都表明，CPT聯(lián)合變換是嚴格守恒的。所以CP破壞就意味著T守恒的破壞，這一點得到了實驗上的單獨驗證。兩人因此獲得1980年諾貝爾物理學(xué)獎。

1998年，美國費米實驗室科學(xué)家通過直接觀測，證明了電荷宇稱定律有誤，中性k介子在衰變過程中直接違背了電荷宇稱聯(lián)合對稱法則。

意義

弱相互作用下宇稱不守恒定律的提出，極大地改變了人們對物質(zhì)世界對稱性的基本觀念，促使物理學(xué)家深入探索弱作用的內(nèi)部機制，使物理學(xué)界全面檢驗基本守恒定律，不僅導(dǎo)致電荷共軛（Charge Conjugation）對稱性、CP聯(lián)合對稱性破壞的發(fā)現(xiàn)，還促進弱作用理論的蓬勃發(fā)展，導(dǎo)致電弱統(tǒng)一理論的建立。隨后量子場論維數(shù)正規(guī)化方法得以發(fā)展，證明了電弱統(tǒng)一模型和量子規(guī)范理論是可重整的理論。1973年，李政道提出CP自發(fā)對稱破缺機制來理解CP破壞的起源，基于CP對稱性自發(fā)破缺機制，科學(xué)家放棄所謂的自然味守恒假設(shè)和分立對稱性，完整地建立自洽的CP對稱性自發(fā)破缺雙希格斯二重態(tài)模型。時至今日，這一重要發(fā)現(xiàn)還在深刻地影響著粒子物理的不斷發(fā)展。對稱性破缺在物理學(xué)尤其是在粒子物理學(xué)中起著越來越重要的作用。

應(yīng)用

宇稱不的提出，極大地改變了人們對物質(zhì)世界對稱性的基本觀念，促使物理學(xué)界全面檢驗基本守恒定律，促進弱作用理論的蓬勃發(fā)展，導(dǎo)致電弱統(tǒng)一理論（Unified Electro-weak ）的建立。時至今日，這一重要發(fā)現(xiàn)還在深刻地影響著粒子物理的不斷發(fā)展。

電磁力和弱力的統(tǒng)一

電磁力和弱力在早期為同一種力，叫電弱力，后來隨著宇宙環(huán)境溫度慢慢變化，發(fā)生了對稱性破缺，電弱力就分成了現(xiàn)在的電磁力和弱力兩種。電磁力和弱力的統(tǒng)一是第二次世界大戰(zhàn)后物理學(xué)的一個巨大成就，統(tǒng)一它們的是楊-米爾斯理論（Yang-Mills theory）。

楊-米爾斯方程

除了已經(jīng)完全統(tǒng)一了的電弱相互作用，用來描述強相互作用的量子色動力學(xué)也是一種楊-米爾斯理論。正因如此，楊-米爾斯方程（Yang-Mills equation）在現(xiàn)代物理學(xué)里極為重要，這是繼麥克斯韋方程組和阿爾伯特·愛因斯坦引力場方程之后最為重要的一組方程。