除了宇稱不守恒，你還知道哪些不守恒現象？

第二章：宇稱不守恒和對稱性破缺

讀到這里，可能都的讀者，能夠想到“宇稱不守恒”，這和上面的“守恒”矛盾嗎？該怎么回答？

答案是：宇稱不守恒的本質正是“作用量原理”和“對稱性”之間關系的一個精彩體現，它不僅不與諾特定理矛盾，反而深刻地印證和擴展了我們對這組關系的理解。

我們來詳細拆解它們之間的關系：

1. 諾特定理（Noether‘s Theorem）—— 對稱性與守恒律的橋梁

首先，要準確理解諾特定理。該定理指出：

每一種連續的整體對稱性，都對應著一個物理量的守恒律。

時間平移對稱性?能量守恒

空間平移對稱性?動量守恒

空間旋轉對稱性? 角動量守恒

諾特定理處理的是連續對稱性（如平移、旋轉），而宇稱（P）是一種分立對稱性（類似左右鏡像）。諾特定理并不保證分立對稱性一定守恒。因此，宇稱可以不守恒，這并不違背諾特定理。

2. 宇稱不守恒的本質：作用量的不對稱性

所有物理系統的演化都由其作用量（Action）決定，而作用量是拉格朗日量（Lagrangian）的積分。拉格朗日量是描述系統動力學的最基本實體。

如果某個物理過程的作用量在某種變換下保持不變，那么這個變換就是一種對稱性，對應的物理量就可能守恒。

反之，如果作用量在某種變換下改變了，那么這個對稱性就被破壞了，對應的物理量就不守恒。

宇稱不守恒的本質就是：弱相互作用過程的作用量（或拉格朗日量）在宇稱變換（鏡像反射）下不是不變的。

在楊振寧和李政道提出理論、吳健雄完成實驗之前，物理學家普遍假設自然定律是鏡像對稱的，即所有相互作用的作用量在宇稱變換下都是不變的。但他們的工作證明了，弱相互作用的作用量中，包含了一些“手征性”項（Chiral Terms），這些項在鏡像反射下會改變符號，從而導致整個作用量發生變化。

一個簡單的比喻：想象一個作用量像一件T恤。大多數T恤（如強相互作用、電磁相互作用的作用量）是對稱的，正面和背面一樣，左右鏡像也一樣。但弱相互作用的“T恤”卻是一件有特定方向圖案的T恤（比如左胸有一個口袋）。當你把它拿到鏡子前，鏡子里的T恤口袋跑到了右胸。鏡中像和原物不再相同。這就是宇稱不守恒——作用量本身就不具有鏡像對稱性。

3. 總結：三者關系

概念

角色

與宇稱不守恒的關系

作用量原理

最高法官

它是最終的裁決者。宇稱是否守恒，取決于描述相互作用的作用量本身是否在鏡像反射下保持不變。 對于弱相互作用，它不保持不變。

對稱性

法律原則

宇稱（P）是一個具體的“法律原則”（分立對稱性）。作用量原理判斷出弱相互作用違反了這一原則。

諾特定理

連續對稱性的法典

它完美解釋了為什么連續對稱性（如時空平移）必然導致守恒律（能量、動量）。但它不管轄宇稱這類“分立對稱性”的“案件”，因此宇稱不守恒不在它的擔保范圍內，但也不與它沖突。

所以上文對我們理解宇稱不守恒提供了最深刻的框架。

1. 作用量原理是最根本的。它決定了物理系統的一切行為，包括它是否具有某種對稱性。

2. 宇稱不守恒的直接原因就是弱相互作用的作用量不具有宇稱對稱性。

3. 諾特定理處理的是另一類（連續的）對稱性，宇稱不守恒的現象并不否定它，反而凸顯了“對稱性源于作用量”這一更基礎的思想。我們發現自然界的某些基本作用量并不擁有我們曾經認為的所有對稱性，這是一個重大的物理發現，而不是理論的失敗。

因此，宇稱不守恒的發現非但沒有削弱“對稱性和作用量原理是物理學基礎”的觀點，反而極大地強化了它——它告訴我們，必須通過研究作用量的具體形式來檢驗每一種對稱性，而不是先驗地假設它們存在。

那么問題有來了，除了宇稱不守恒，物理界還發現什么不守恒現象或者定律沒？

當然有。物理界確實發現了一系列重要的“不守恒”現象，這些發現每一次都深刻地革新了我們對宇宙的基本認識。它們幾乎都與“對稱性破缺”密切相關。

下圖匯總了物理學中主要的守恒律與不守恒（對稱性破缺）現象，以及它們所處的領域和重要性：

以下是除了宇稱（P）不守恒之外，一些最關鍵的不守恒現象：

1. 電荷共轛【duì】（C）不守恒與CP聯合不守恒

這是與宇稱不守恒直接相關的重大發現。

電荷共轛（C）不守恒：電荷共轛對稱性是指將粒子全部替換為其反粒子的變換。物理學家發現，弱相互作用在C變換下也不守恒。也就是說，一個由反粒子構成的宇宙，其弱相互作用的行為與我們這個粒子宇宙并不完全相同。

CP聯合不守恒：既然P（宇稱）和C（電荷共轛）單獨都不守恒，物理學家曾猜想，CP聯合對稱性（先做鏡像反射，再把所有粒子換成反粒子）可能是守恒的。這樣，一個在鏡子里的反物質世界物理定律就和我們一樣了。

然而，1964年，克羅寧（Cronin）和菲奇（Fitch）在K介子衰變實驗中發現了CP破壞！這是極其重大的發現，它直接解釋了宇宙中物質與反物質的不對稱性。如果CP嚴格守恒，大爆炸產生的物質和反物質應該等量，并全部湮滅成光子，宇宙中將沒有恒星、行星，更不會有我們。CP不守恒是解釋“為何我們現在生活的宇宙幾乎全部由物質構成”的必備條件之一。克羅寧和菲奇也因此獲得1980年諾貝爾獎。

2. 重子數不守恒

重子數（B）是一個量子數，質子、中子的重子數為1，反質子、反中子為-1。在標準模型的所有實驗中，重子數是嚴格守恒的。你不能讓一個質子簡單地消失，因為它是最輕的重子，沒有更輕的粒子可以衰變過去。

為何認為它可能不守恒：大統一理論試圖將強、弱、電磁三種相互作用統一起來。這些理論普遍預言重子數可以不守恒，其主要表現就是質子衰變。

盡管投入巨資建造了巨大的探測器（如日本的超級神岡探測器），至今仍未確鑿觀察到質子衰變。這意味著要么質子壽命極長（>103?年），要么大統一理論需要修正。但絕大多數物理學家相信重子數不守恒是存在的，它是解釋宇宙物質起源的另一個關鍵環節（與CP破壞結合）。

3. 輕子數不守恒

類似重子數，輕子（如電子、中微子）也有輕子數（L）。在標準模型中，電子輕子數和μ子輕子數等是分別守恒的。

發現的不守恒：中微子振蕩現象明確表明，輕子味不守恒。即一個電子中微子可以在傳播過程中變成μ子中微子或τ子中微子。這意味著對應的輕子數（電子輕子數）單獨不再守恒，但總的輕子數可能仍然守恒。

中微子振蕩證明了中微子有質量，這是超出標準模型最初設定的重大實驗發現，獲得了2015年諾貝爾物理學獎。

4. 其他對稱性的破缺

時間反演（T）不守恒：CPT定理是物理學中最堅實的定理之一，它指出在任何洛倫茲不變的局域場論中，CPT聯合變換必須是嚴格的對稱性。由于實驗上發現了CP不守恒，根據CPT定理，時間反演對稱性（T）也必然不守恒。已有實驗證據支持T不守恒。

手征對稱性破缺：這是強相互作用（QCD）中的一個核心概念。在夸克質量為零的極限下，QCD的拉格朗日量具有手征對稱性。但由于強相互作用的動力學，真空中這種對稱性自發破缺了，其結果是產生了π介子等贗戈德斯通玻色子，并且它是解釋質子、中子等強子質量的主要來源（質子質量主要并非來自希格斯機制）。

所有這些“不守恒”都可以歸結為對稱性破缺。

1. 明顯破缺：就像宇稱不守恒，是因為作用量本身就不包含那條對稱性。

2. 自發破缺：系統的作用量本身具有高度對稱性，但其基態（真空）卻不具備這種對稱性。最著名的例子就是希格斯機制：電弱相互作用的作用量是對稱的，但希格斯場的真空期望值不為零，從而破缺了對稱性，賦予了W、Z玻色子和費米子質量。

目前，物理學的目標不再是簡單地尋找“哪些量守恒”，而是更深層地研究“對稱性如何以及為何破缺”。這些破缺不再是理論的瑕疵，而是宇宙變得復雜、豐富，并最終孕育出生命的根源。從宇宙暴脹、物質起源到粒子質量獲取，對稱性破缺扮演著最核心的角色。

也續你和其他讀者一樣，會這樣想，對立不守恒，會不會是因為處于兩個世界面？再或者是因為“觀測者效應”導致？

關于“處于兩個世界面”的想法，這個想法非常像物理學中的“自發對稱性破缺” 概念。

什么是自發對稱性破缺？想象一支完美的鉛筆，筆尖朝下立在桌上。它的作用定律（拉格朗日量）是完美的旋轉對稱的，從哪個角度看都一樣。但它的基態（即它最終倒下的狀態）卻是不對稱的——它必須隨機倒向某一個方向。它的“真空”或“穩定狀態”打破（破缺）了初始的對稱性。

“兩個世界面”可以類比為鉛筆可能倒向的無數個方向。在我們的宇宙（我們這個“世界面”）中，弱相互作用選擇了一種特定的“手征性”（就像鉛筆倒向了一個特定方向），導致我們測量的物理規律是宇稱不守恒的。也許在另一個我們無法接觸的“世界面”或宇宙域中，弱相互作用選擇了相反的手征性，那么那里的物理學家會做實驗發現“鏡像的宇稱不守恒”。

目前，在標準理解中，這些不同的“真空態”雖然理論上存在，但它們屬于同一個宇宙，而不是完全隔離的兩個世界。我們無法與另一個真空態進行通信或觀測它。

至于量子力學中的觀測者效應：確實，在量子力學中，觀測的行為會干擾系統，導致波函數坍縮。但這通常針對的是“單個量子態”的測量（比如一個粒子的位置和動量）。

宇稱不守恒不是一個量子測量問題。它是自然基本作用力本身固有的屬性。在吳健雄的實驗中，觀測的不是單個粒子，而是大量鈷-60原子核衰變產生的電子方向的統計分布。這個統計偏差（絕大多數電子從某個特定方向飛出）證明了弱相互作用的本身規律就是偏愛某個方向，與是否觀測、如何觀測無關。觀測只是記錄了這一固有規律的結果。

摘自獨立學者，作家靈遁者作品《觀自在大千世界》

作者簡介：靈遁者，中國獨立學者。原名王銀，陜西綏德縣人。1988年出生，現居西安。哲學家，藝術家，作家。代表作品《觸摸世界》《行者乾坤》《探索生命》《變化》《相觀天下》《手診面診色診大全》《筆有千鈞》《非線性波動》《見微知著》《探索宇宙》《偉大的秘密》《自卑之旅》《云淡風清》《我的世界》《牙牙學語》等。其作品樸實大膽，富有新意。

個人座右銘：生命在于運動，更在于探索。

靈遁者熱讀書籍有：科普六部曲，國學三部曲，散文小說五部曲。

科普五部曲分別為：《變化》《見微知著》《探索生命》《重構世界》《觀自在大千世界》《信息與關系》。

國學三部曲分別為：《相觀天下》《手診面診色診大觀園》《樸易天下》。

散文小說五部曲分別為：《偉大的秘密》《非線性波動》《從今往后》，《云淡風輕》《我的世界》《春風與你》。