为什么物理学的对称守恒定律被一再打破？吴氏实验隐藏的秘密

吴健雄的吴氏实验证明了李政道和杨振宁的弱相互作用下宇称不守恒的猜测，打破的宇称守恒定律的神话，然而吴氏实验中隐藏的秘密远非这么简单。

宇称守恒定律在1927年由尤金.维格纳（Eugene Paul Wigner）提出，并在电磁作用和强相互作用中得到验证，获得了当时物理学家们的普遍认同。宇称（parity）又译为奇偶性。所谓的宇称守恒（Parity conservation），是指一个系统在进行了镜像变换后，其物理行为也会随之发生镜像变换，系统只是左右相反了，其它没变。到了20世纪50年代中期，粒子物理学家发现了两种性质几乎完全相同的介子[1]，唯一的区别是二者的衰变方式不一样[2]。这种衰变在物理学上属于弱相互作用，如果弱相互作用下宇称不守恒，这两种粒子是同一种粒子的猜测就有了依据。然而，当时学术界认为宇称守恒定律是普遍的正确的，因而弱相互作用下的宇称守恒也应该是不证自明的。1956年，李政道和杨振宁对弱相互作用宇称守恒发出了质疑，认为对于弱相互作用案例，实验数据尚未确认或否定宇称守恒定律[1]。β衰变也是一种弱相互作用，可以用来验证弱相互作用宇称是否守恒，最终吴健雄在同年通过钴60的β衰变证明了弱相互作用下宇称不守恒，打破了宇称守恒的业界神话，轰动了世界。

吴健雄的这个著名的实验，被称为吴氏实验（Wu Experiment）。关于该实验的详情有很多科普解释和百科介绍，不再在这里过多展开。这里只谈一谈与吴氏实验结构相关的电磁作用的宇称守恒，这是很多科普或百科没有讲透的地方。

图1.吴氏实验的原理简图（维基百科：吴氏实验；作者:Bleckneuhaus）

在图1中，实验设置的左右螺线管是符合镜像关系的——左手螺旋的镜像是右手螺旋，电子的运动方向（电流的反方向）都朝上，也符合镜像关系。唯独未画出的通电螺线管产生的磁场方向不符合镜像原则。按右手定则判断，左侧螺线管的上端是磁场的N极，而右侧螺线管的上端是S极，二者相反。如果按照镜像原则，电磁作用应该是宇称不守恒，为什么物理学家们说电磁作用是宇称守恒的呢？

原来，物理学中物理量的宇称规则并不完全与镜像规则一致。与宇称相关的矢量分为两类，极矢量（Polar vector）和轴矢量（Axial vector）。矢量也叫向量，是有大小和运动方向的量，数学上有带箭头的线段（”-->”）表示。物理学中的极矢量是被认为有真实运动方向的量，又叫真矢量，如线速度、动量、电场强度等，这些物理量遵从镜像的左右对称规则。而轴矢量则是两个极矢量的乘积（又叫叉积），按照数学的计算规则，用右手法则判断，如角动量、磁场强度等[3]

图2. 轴矢量例子：角动量L是位置矢量r 与动量P的叉积，按右手法则判定方向[4]

按照物理学的理解，这些轴矢量本来根本不是矢量，因为人们可以用左手定义轴矢量的方向，也可以用右手定义轴矢量的方向，只是我们选择了用右手来定义，它们才朝向了那个方向[5]。所以，轴矢量又叫伪矢量或赝矢量（Pseudovector），意思是说它们不是真正的矢量。

图3. 费恩曼物理学讲义中关于极矢量（图52-2）和轴矢量（图52-3）的宇称区别[5]

有了真矢量和赝矢量的区别，物理学所说的对称性就有别于镜像了。具体来说，在宇称规则中，真矢量是完全遵从镜像变换的，而赝矢量，为了与物理规律相符合，就要在镜像之后变换180 。这样一来，物理学家们发现，对称性就与守恒定律能很好地衔接起来，宇称守恒就顺利诞生了。按照这种规则，物理学认为电磁作用就是宇称守恒的。为什么可以这样说呢？

图4. 费恩曼物理学讲义中对电磁作用宇称守恒的解释[5]。

在图4的现实系统（左）和模拟的镜像系统（右）中，假设电子均朝纸面内运动，根据洛伦兹力的受力规则，左侧系统中电子朝我们的左侧运动（a的方向），右侧系统（即左侧系统的镜像）中电子将朝我们的右侧运动（a’的方向），电子在两个系统中的运动轨迹也是镜像关系。前面说过，电场强度和线速度被认为真矢量，这样一来，电子与两个系统的作用就证明了电磁作用是宇称守恒的。而在图1中，衰变出的β射线是也是电子，与图4中电子的运动相比，显然图1的左右两个系统中电子的运动方向是不符合镜像规则的。而钴60原子，尽管在两个螺线管分别作用下自旋反向，但自旋与角动量一样，被认为是赝矢量，相反的自旋方向破坏镜像关系。如此一来，通过β射线运动方向的不镜像，弱相互作用就被证明是不宇称守恒的。

宇称守恒，又称为P对称，P即宇称的英文parity。现在，吴氏实验使P对称变成了P破坏，物理学的这一对称性规律打破了。为了补救这个破坏，人们认为如果将电荷共轭对称（C对称）与P对称结合起来，或许能守住对称守恒定律，这就是所谓的CP对称[6][7]。C对称的操作是在运算中将电荷变成其反电荷，粒子变成其反粒子[7]。物理学家们希望用CP对称守住在他们头脑中根深地固的对称守恒观念。

然而没过多久，1964年，CP对称在中性K介子的衰变中也被打破了[6]。K介子，由一个下夸克和一个奇异反夸克构成，总电荷为零（中性），用K0表示。而一个下反夸克和一个奇异夸克则构成了反K介子（反K0）。如果CP对称成立，在预设的实验中粒子与反粒子的表现将相同，但实验结果并非如此。CP对称被打破后，人们逐渐对此有了更深的认识。K介子与反K介子可以相互转换，1998年，欧洲核子研究中心证实，反K介子转变为K介子的速度略快于其逆过程[8]，这说明正反粒子在时间上的表现也是不对称。

CP对称最终没能守住，物理学的对称守恒定律也要跟着向前挪挪步儿了。于是人们就认为，由于CPT守恒（T即时间）的缘故，如果CP都破坏了，时间T的对称也要跟着破坏。最终，物理学家们通过CPT守恒这种说法，堵上了两次被打破的逻辑漏洞，保住了物理学对称守恒观念的最后颜面。

如果人们能谦虚地反思一下这段历史就会发现，几乎被默认为常识的电磁作用的宇称守恒其实是可疑的。让我们回到图3，费恩曼对“转轮与其镜像”的解释中。图5中，如果我们在现实世界用右手的拇指表现出这个转轮的轴矢量的定义方向，即图中左部分朝右的箭头，那么在右部分的镜像中，我们的拇指是朝左的，如此一来，转轮的这个轴矢量自然应该是朝左的。然而物理学家们却规定，在镜像中轴矢量的方向仍然是向右的。二者凸显了矛盾。在现实世界中，轴矢量的方向被人为定义了一次，而在其镜像世界中，它又被人为定义了一次。因而，轴矢量其实是被人为定义了两次！！

图5.轴矢量镜像的物理规定vs其手性演示的镜像，二者之间显示出矛盾。

问题来了，物理学凭什么来这样定义物理的镜像或宇称的规则呢？自然规律的对称守恒定律存在人为“制造”的痕迹。当然，物理学家们会反驳，除了轴矢量的所谓赝矢量属性，图4或图1的对称螺线管产生的磁场对电子的洛伦磁力就是很好的证据啊。但这个例子中也有漏洞。比如图4，如果我们去掉中间电生磁的转换而单纯看现象，这其实是螺线管的电流对电子的作用，整个系统只相当于电-电之间的作用，而非完整的电磁作用，而单纯的电作用是符合镜像的。当然，你可以认为这个说法违反物理规律的基本常识，毕竟电磁作用是广为接受的。那么好吧，让我们再来通过磁铁的运动来说明一遍。

图6.用有小孔和颜色标记的条形小磁铁验证电磁作用的宇称

图6中，在两个模拟镜像的通电螺线管上方分别放上有小孔和颜色标识的两个完全相同的小磁铁，两螺线管水平放置在某平台上。我们不需知道颜色与磁极的关系，在通电的一瞬间，只要两个螺线管产生的磁性足够强，两个小磁铁一个向上运动，另一个肯定向下运动。小磁铁的运动是线速度运动，是极矢量，因而是真矢量，按宇称规则，应该遵守镜像原则，但实验中违反了，我可以据此说电磁作用的宇称守恒被打破了；如果其中的小磁铁不幸调转方向，磁铁的几何结构就不是镜像对称，而几何结构类似于径矢量，也应是真矢量，几何结构的不镜像同样表明电磁作用的宇称不守恒。并且，这个过程中，螺线管的磁场是电流运动产生的，而磁铁是没通电的真实磁铁，更符合电与磁之间的相互作用。因此，我就有理由说明电磁作用是宇称不守恒的。

如此一来，这里就有了更多的争议。当然，物理学大可以依据数学推导来论证宇称规则的合理性。但科学之所以是科学，就在于当数学理论与现象发生矛盾时，最终要尊重现象。数学论证再完美，当与现象不符时，数学论证也并不能成为最终的证据。所以，有理由说，至少就电磁现象而言，宇称的规则是值得商榷的。

另外，物理计算规则中的径矢量的方向也是值得商量的。图2中，径矢量r的方向为什么一定是要从中心指向边沿呢？为什么不可以从边沿指向中心呢？如果我们甩动一个连线的小球，在离心力的作用下小球向外拉扯绳子，绳子从中心向外被拉伸。这或许可以被作为径矢量r方向的依据。但也有一些现象中，沿半径的运动是向内的，比如漩涡运动中，流体从边沿向中心汇聚。并且，如果是刚体的转动，我们也可以认为在半径方向上没有拉伸或变形，r甚至可以认为不是个矢量，在这种情况下，我们甚至也可以说径矢量r是人为定义的赝矢量…

总之，物理学的宇称规则可以说是比较混乱的，有很多的疑点。这种对称性规则在一开始就有很多人为的痕迹，而错误则隐藏在其中。包括电荷对称在内，类似对称演绎的物理合法性并没有通过现有理论得到阐明。即使物理规律真有这种对称性，其合法性的依据恐怕也不是现有理论可以令人信服地解释的。

物理学的这些对称守恒规律，更像是人为制造的盛宴。今天，对称性依然是前沿物理学几个领域中重要的理论支柱，而现有物理学知识中的问题却不曾被反思过。它看起来已经举步维艰、行将就木，而物理学这场延续了将近一个世纪的人造狂欢却又似乎仍不愿停下脚步。

注释

[1]维基百科：吴氏实验

[2]李政道和杨振宁的论文《弱相互作用中的宇称守恒质疑》（翻译）

[3]维基百科：赝矢量

[4]维基百科：角动量

[5]《费恩曼物理学讲义》新千年版，第一卷第52章

[6]维基百科：CP破坏

[7]维基百科：电荷共轭对称

[8]《反物质》（Antimatter），弗兰克.克洛斯著，杨奕伟译，第七章