宇称为什么不守恒?

作者: 李大鹏

来源: 公众号:科普最前线

发布日期: 2021-09-30 13:42:36

本文详细介绍了宇称不守恒现象及其背后的物理思想,通过诺特定理、粒子的宇称与弱相互作用以及中微子的自旋和宇称不守恒三个部分进行阐述。文章探讨了宇称作为基本粒子的量子数的定义,以及中微子的单向自旋性如何导致粒子反应中的宇称不守恒。

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和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。

第二章:宇称与弱相互作用。我们已经知道它是一种基本粒子的量子数,那么它的定义到底是什么呢?事实上在基本粒子的研究领域,很多量子数都是在诺特定理的启发和指导下找到的守恒量,其中也包括我们要介绍的宇称。

第三章:中微子——宇称不守恒之谜的钥匙。我们已经知道是一种中微子。那中微子是什么呢?中微子是现当代科学中的明星粒子,它的诸多神奇性质引起了实验和理论物理学家的而高度关注。中微子有三种不同的类型(如果包括反粒子便一共有六种)。

我们作如下简单小结:在物理系统中守恒的物理量是该系统具有某种对称性的一种体现,而粒子反应过程中宇称保持守恒就是该系统具有空间翻转对称性的一种体现。中微子是一种只参与弱相互作用的微观粒子,它具有自旋的单向性会破坏这种空间翻转对称性,使得反应前后宇称不守恒。在以β衰变为例的弱相互作用的粒子反应中,反电子中微子的出现是导致宇称守恒被破坏的原因。

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