1900:游走在欧洲的物理学霸 第888节

  空间平移对称→动量守恒;

  空间旋转对称→角动量守恒。

  所以,维格纳就想,如果自己能发现一个全新的对称,那岂不是就能提出一个全新的守恒定律?

  这绝对是能震惊物理学界的成果!

  说干就干!

  他还要震惊冯诺依曼呢!

  但是,对称这玩意可不是那么好发现的。

  诺特定理中,已经把时间、空间都涉及了,还有什么其它对称吗?

  维格纳确实有物理天赋,而且他的运气还很好。

  有一天,他在照镜子的时候,看到自己的帅脸,突发奇想:

  “咦,镜子中的我和镜子外的我,不也是一种对称吗?”

  “镜像对称!”

  哗!

  犹如醍醐灌顶一般,维格纳激动地手舞足蹈。

  他发现了一种新的空间对称!

  不,应该说不是他发现,而是他想到了。

  毕竟,镜像对称这玩意不是啥新东西,在化学分子领域太常见了。

  即便如此,至少目前还没有人研究过这种对称性在物理学中的意义。

  维格纳仿佛已经看见诺奖在招手,各个大学争相邀请他担任教授的美好未来了。

  镜像对称怎么理解呢?

  如果有一面镜子,一个物理过程发生在镜子外,那么镜子内的过程应该也是同样的结果。

  比如你在镜子外抛出一个苹果,然后落地,那么镜子内的苹果同样会落地,而不是飞上天。

  后世,很多科普号就是用类似以上的例子来解释“宇称不守恒”的。

  听起来特别形象易懂。

  比如你和镜子里的自己猜拳,你出拳,镜子里的你却出了布。

  这就是所谓的宇称不守恒。

  这时,你肯定会觉得:

  “哇,好腻害!我竟然听懂了哎!”

  可惜,这种比喻是错的!

  其内涵也是错的!

  维格纳是个严谨且有天赋的物理学家,他立刻就意识到,镜像对称只是一种形象的比喻而已。

  因为镜子中的世界并不是真正的世界!

  不管是时间平移,还是空间平移,又或者是空间旋转,这些过程都是发生在真实世界中的。

  你第一天在三楼做实验,第二天还是在三楼做实验,两次都是在同一个世界。

  但镜子内外却截然不同!

  所以,维格纳必须想办法,把镜像对称这种形式转换成严格的【物理语言】。

  即让这个对称过程,发生在真实世界中。

  他仔细研究后发现,所谓的镜像对称可以这样理解:

  “在一个物理系统里,其中所有向量的方向,都根据镜像对称的方式,翻转过来。”

  “那么此时,整个物理系统就全部反过来了。”

  “系统的所有过程左右相反,但其它方面保持不变。”

  就好比人的左右手,就是镜像的。

  又比如一个旋转的小球,顺时针旋转和逆时针旋转,也是一种镜像。

  而且,它们都发生在真实的空间内,而不是镜子内。

  至此,维格纳终于把这种新对称用物理语言梳理清楚了。

  他定义为“空间镜像对称性”。

  但紧接着,严谨的维格纳又发现了一个致命的问题。

  空间镜像对称性不符合诺特定理的定义!

  还记得诺特定理的原话吗?

  【系统中,每个连续的对称性,都对应着一个守恒量。】

  请注意“连续”这个词。

  时间平移是连续的,空间平移是连续的,空间旋转也是连续的。

  但是空间镜像不是连续的过程!

  镜像对称是一边直接换到另一边,没有中间过程,是间断的。

  所以,它是不符合诺特定理的描述和证明的。

  维格纳顿时有点心灰意冷。

  但已经走到这个地步了,他不想中途放弃。

  于是,他干脆抱着试一试的心态。

  “或许这种不连续的对称性,也能有对应的守恒量呢?”

  “总归要试一试。”

  那么,空间镜像对称到底对应什么量的守恒呢?

  经过了深入的研究之后,维格纳提出:

  “空间镜像对称对应【宇称守恒】!”

  宇称这个词非常容易引起误解,翻译的不是很好。

  在中文里,上下四方曰宇,古往今来曰宙,所以宇表示的就是空间。

  那么宇称,顾名思义就是指空间对称。

  但这个内涵显然不符合维格纳的本意。

  宇称守恒,宇称应该是和能量、动量等类似的物理表征量。

  但“空间对称”这个词显然跟能量不太搭嘎。

  “空间对称”守恒,怎么听怎么别扭。

  这时,如果看宇称的英文名字,就非常好理解了。

  宇称守恒的英文原版名字是“Parity conservation”。

  其中conservation是守恒的意思,而Parity被翻译成了宇称。

  但是它的本意其实是“平等、相等”,在物理里被引申为“奇偶性”。

  所以,宇称守恒其实就是奇偶守恒。

  那么奇偶守恒又是什么意思呢?

  这就要用到数学的概念了。

  小学三年级我们就学过,函数有奇函数和偶函数的区别。

  如果f(-x)=f(x),那么函数f(x)就是偶函数。

  如果f(-x)=-f(x),那么函数f(x)就是奇函数。

  在量子力学中,波函数也是一个数学函数。

  虽然它不是常规意义上的奇函数或者偶函数,但是它有着类似的“奇偶性”。

  可以通过奇和偶来定义波函数的种类。

  前面说了,空间镜像对称是不连续的,所以它不符合诺特定理。

  但是维格纳灵机一动,既然这种对称是间断的,那么或许它适用于量子力学呢。

  毕竟量子力学就是专门研究不连续的理论。

  所以,维格纳通过严格的数学证明后,大胆提出:

  任何两个互为镜像对称的物理系统,它们里面包含的量子的波函数的奇偶性守恒。

  即,如果系统A中波函数有偶性,那么通过空间镜像对称转换成系统B后,B中的量子的波函数同样是偶性。

  这种守恒就是所谓的奇偶守恒,也就是宇称守恒。

  宇称守恒概念一经提出,立刻轰动了物理学界,维格纳名声大噪。

  物理学家们几乎不假思索地就接受了这个理论,甚至都没有经过实验验证。

  原因很简单也很朴素。

  “大自然喜欢对称!”

  “对称的就是最和谐最美的!”

  后来,随着量子力学、粒子物理的发展,物理学家的实验手段越来越强。

  宇称守恒果然不出所料,确实被证明是对的。

  物理学家们在引力、电磁力、强力中,都验证了宇称守恒现象。

  这时,大家都非常兴奋。

  虽然弱力中的宇称守恒还没有验证,但不用想肯定也是对的。

  如果故事只到这里,那确实是一个皆大欢喜的结局,我们的宇宙是对称的,和谐的。

  可惜,不是。

  不久,出现了一个小问题,困扰着众人。

  那就是著名的【θ-τ之谜】。

  当时,物理学家通过对撞机,发现了两种新粒子:θ粒子、τ粒子。

  研究发现,这两种粒子的物理性质非常相似,几乎可以说是一样的。

  质量相同、所带的电荷相同,甚至连寿命都是差不多的。

  因此,有人认为,θ粒子和τ粒子其实就是同一种粒子。

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