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。