宇称不守恒与CPT对称

　　所有物质的组成粒子的性质由一种叫作CPT对称的对称性所主宰。C代表电荷共轭：如果一个粒子的物理学性质在C对称性变换下不变，意味着将其电荷换成大小相等、符号相反的电荷（也就是说，用对应的反粒子来代替该粒子）以后，该粒子的性质不会发生改变。T代表时间反演：在描述该粒子动力学过程的方程中将t换成t。虽然在我们的经验里，时间只会沿着一个方向流动，但物理学方程一般不管时间往哪个方向流动不管事件是顺序发生还是倒序发生，方程都不变（我们称这种情况为物理学定律在T对称性反演下不变）。
　　P代表的则是宇称变换或宇称反演，关于这一点我需要多解释一下，让我们先从粒子描述转为波动描述。想象一道正弦波，它上下振荡，最高点是波峰，最低点是波谷。波函数的一半振幅是正的（在它从原点升向最高点又回来的过程中），一半振幅是负的（在它沿着轴向下降到波谷又回来的时候）。波函数的宇称描述的就是，如果我们改变所有的空间坐标轴的正反符号（即颠倒左右、上下、前后），会不会改变这道波的传播方向。同时改变三条坐标轴的方向，相当于把这道波变成了它在一面镜子中的倒影，它的视角也变了左变成右，上变成下，前变成后。如果波函数在这样一面宇称之镜中的倒影与原本的波函数振幅相同，我们就说这个波函数具有偶宇称；如果镜中的倒影与原本的波函数振幅相反，我们就说这个波函数具有奇宇称。
　　同自旋一样，宇称这一概念在经典物理学中找不到太好的类比例子来帮助我们理解。它与基本粒子相互作用中的角动量密切相关，并深刻影响着它。直到20世纪50年代末，物理学家发现的所有相互作用中宇称和角动量都是守恒的。换句话说，如果发生相互作用的所有粒子的总宇称是偶宇称，那作用之后得到的所有粒子的总宇称也是偶宇称。总宇称为奇的粒子同样如此。这看起来是符合物理学家的直觉的。自然界的不变法则，怎么可能会偏向左右、上下、前后中的一个呢？
　　（a）左边钟与右边钟完全对称，在这种情况下宇称守恒（b）左右钟并没有完全对称，在这种情况下宇称不守恒
　　这样的推理看起来很合理，然而，这不符合物理学家观察到的实际现象。在所有电磁力、引力与强色力相互作用中，宇称都守恒，但1956年李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后，大胆断言：K介子在弱相互作用下宇称不守恒，20世纪50年代中晚期同为华裔的实验物理学家吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变，她在极低温（0。01K）下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明，这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异，而且电子放射的方向也不能互相对称。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。从此，宇称不守恒才真正被承认为一条具有普遍意义的基础科学原理。
　　后来，科学家进行的一系列实验表明，在弱相互作用中，大自然似乎更偏爱某一种手性。实际上，通常来讲，只有左手性的粒子和右手性的反粒子能进行弱相互作用。这一结果震惊了很多老一辈的理论物理学家，比如泡利。就在得知实验结果的几天前，他还写信对朋友说：我不相信上帝是个弱左撇子，我愿意押一大笔钱赌实验会给出对称的结果。幸运的是，他最终并没有投注，因为他后来承认道：这会让我输一大笔钱（我可损失不起）。
　　最困扰泡利的不是为何弱相互作用偏爱左手性，而是为何强相互作用没有显示出这种偏爱。区别在哪里？这种左手性和右手性统称手性。科学家曾以为，虽然电荷共轭和宇称守恒分别在一些粒子相互作用中会被破坏，但它们结合而产生的CP对称性仍然总是守恒的。然而，1964年普林斯顿大学的物理学家詹姆斯克罗宁和瓦尔菲奇在布鲁克海文国家实验室做的实验表明，在中性K介子（一种由下反奇异夸克和奇异反下夸克混合形成的介子）发生的某种衰变过程中，CP对称性也被破坏了。我们只有再加上时间反演对称性，才能让自然再次回到正常的状态。CPT对称性的组合才是永远不被破坏的对称性。没有人知道为什么会这样。