第二章：宇称不守恒和对称性破缺
读到这里，可能都的读者，能够想到“宇称不守恒”，这和上面的“守恒”矛盾吗？该怎么回答？
答案是：宇称不守恒的本质正是“作用量原理”和“对称性”之间关系的一个精彩体现，它不仅不与诺特定理矛盾，反而深刻地印证和扩展了我们对这组关系的理解。
我们来详细拆解它们之间的关系：
1. 诺特定理（Noether’s Theorem）—— 对称性与守恒律的桥梁
首先，要准确理解诺特定理。该定理指出：
每一种连续的整体对称性，都对应着一个物理量的守恒律。
时间平移对称性⇨能量守恒
空间平移对称性⇨动量守恒
空间旋转对称性⇨ 角动量守恒
诺特定理处理的是连续对称性（如平移、旋转），而宇称（P）是一种分立对称性（类似左右镜像）。诺特定理并不保证分立对称性一定守恒。因此，宇称可以不守恒，这并不违背诺特定理。
2. 宇称不守恒的本质：作用量的不对称性
所有物理系统的演化都由其作用量（Action）决定，而作用量是拉格朗日量（Lagrangian）的积分。拉格朗日量是描述系统动力学的最基本实体。
如果某个物理过程的作用量在某种变换下保持不变，那么这个变换就是一种对称性，对应的物理量就可能守恒。
反之，如果作用量在某种变换下改变了，那么这个对称性就被破坏了，对应的物理量就不守恒。
宇称不守恒的本质就是：弱相互作用过程的作用量（或拉格朗日量）在宇称变换（镜像反射）下不是不变的。
在杨振宁和李政道提出理论、吴健雄完成实验之前，物理学家普遍假设自然定律是镜像对称的，即所有相互作用的作用量在宇称变换下都是不变的。但他们的工作证明了，弱相互作用的作用量中，包含了一些“手征性”项（Chiral Terms），这些项在镜像反射下会改变符号，从而导致整个作用量发生变化。
一个简单的比喻：想象一个作用量像一件T恤。大多数T恤（如强相互作用、电磁相互作用的作用量）是对称的，正面和背面一样，左右镜像也一样。但弱相互作用的“T恤”却是一件有特定方向图案的T恤（比如左胸有一个口袋）。当你把它拿到镜子前，镜子里的T恤口袋跑到了右胸。镜中像和原物不再相同。这就是宇称不守恒——作用量本身就不具有镜像对称性。
3. 总结：三者关系
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概念 |
角色 |
与宇称不守恒的关系 |
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作用量原理 |
最高法官 |
它是最终的裁决者。宇称是否守恒，取决于描述相互作用的作用量本身是否在镜像反射下保持不变。 对于弱相互作用，它不保持不变。 |
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对称性 |
法律原则 |
宇称（P）是一个具体的“法律原则”（分立对称性）。作用量原理判断出弱相互作用违反了这一原则。 |
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诺特定理 |
连续对称性的法典 |
它完美解释了为什么连续对称性（如时空平移）必然导致守恒律（能量、动量）。但它不管辖宇称这类“分立对称性”的“案件”，因此宇称不守恒不在它的担保范围内，但也不与它冲突。 |
所以上文对我们理解宇称不守恒提供了最深刻的框架。
1. 作用量原理是最根本的。它决定了物理系统的一切行为，包括它是否具有某种对称性。
2. 宇称不守恒的直接原因就是弱相互作用的作用量不具有宇称对称性。
3. 诺特定理处理的是另一类（连续的）对称性，宇称不守恒的现象并不否定它，反而凸显了“对称性源于作用量”这一更基础的思想。我们发现自然界的某些基本作用量并不拥有我们曾经认为的所有对称性，这是一个重大的物理发现，而不是理论的失败。
因此，宇称不守恒的发现非但没有削弱“对称性和作用量原理是物理学基础”的观点，反而极大地强化了它——它告诉我们，必须通过研究作用量的具体形式来检验每一种对称性，而不是先验地假设它们存在。
那么问题有来了，除了宇称不守恒，物理界还发现什么不守恒现象或者定律没？
当然有。物理界确实发现了一系列重要的“不守恒”现象，这些发现每一次都深刻地革新了我们对宇宙的基本认识。它们几乎都与“对称性破缺”密切相关。
下图汇总了物理学中主要的守恒律与不守恒（对称性破缺）现象，以及它们所处的领域和重要性：
以下是除了宇称（P）不守恒之外，一些最关键的不守恒现象：
1. 电荷共轛【duì】（C）不守恒与CP联合不守恒
这是与宇称不守恒直接相关的重大发现。
电荷共轛（C）不守恒：电荷共轛对称性是指将粒子全部替换为其反粒子的变换。物理学家发现，弱相互作用在C变换下也不守恒。也就是说，一个由反粒子构成的宇宙，其弱相互作用的行为与我们这个粒子宇宙并不完全相同。
CP联合不守恒：既然P（宇称）和C（电荷共轛）单独都不守恒，物理学家曾猜想，CP联合对称性（先做镜像反射，再把所有粒子换成反粒子）可能是守恒的。这样，一个在镜子里的反物质世界物理定律就和我们一样了。
然而，1964年，克罗宁（Cronin）和菲奇（Fitch）在K介子衰变实验中发现了CP破坏！这是极其重大的发现，它直接解释了宇宙中物质与反物质的不对称性。如果CP严格守恒，大爆炸产生的物质和反物质应该等量，并全部湮灭成光子，宇宙中将没有恒星、行星，更不会有我们。CP不守恒是解释“为何我们现在生活的宇宙几乎全部由物质构成”的必备条件之一。克罗宁和菲奇也因此获得1980年诺贝尔奖。
2. 重子数不守恒
重子数（B）是一个量子数，质子、中子的重子数为1，反质子、反中子为-1。在标准模型的所有实验中，重子数是严格守恒的。你不能让一个质子简单地消失，因为它是最轻的重子，没有更轻的粒子可以衰变过去。
为何认为它可能不守恒：大统一理论试图将强、弱、电磁三种相互作用统一起来。这些理论普遍预言重子数可以不守恒，其主要表现就是质子衰变。
尽管投入巨资建造了巨大的探测器（如日本的超级神冈探测器），至今仍未确凿观察到质子衰变。这意味着要么质子寿命极长（>10³⁴年），要么大统一理论需要修正。但绝大多数物理学家相信重子数不守恒是存在的，它是解释宇宙物质起源的另一个关键环节（与CP破坏结合）。
3. 轻子数不守恒
类似重子数，轻子（如电子、中微子）也有轻子数（L）。在标准模型中，电子轻子数和μ子轻子数等是分别守恒的。
发现的不守恒：中微子振荡现象明确表明，轻子味不守恒。即一个电子中微子可以在传播过程中变成μ子中微子或τ子中微子。这意味着对应的轻子数（电子轻子数）单独不再守恒，但总的轻子数可能仍然守恒。
中微子振荡证明了中微子有质量，这是超出标准模型最初设定的重大实验发现，获得了2015年诺贝尔物理学奖。
4. 其他对称性的破缺
时间反演（T）不守恒：CPT定理是物理学中最坚实的定理之一，它指出在任何洛伦兹不变的局域场论中，CPT联合变换必须是严格的对称性。由于实验上发现了CP不守恒，根据CPT定理，时间反演对称性（T）也必然不守恒。已有实验证据支持T不守恒。
手征对称性破缺：这是强相互作用（QCD）中的一个核心概念。在夸克质量为零的极限下，QCD的拉格朗日量具有手征对称性。但由于强相互作用的动力学，真空中这种对称性自发破缺了，其结果是产生了π介子等赝戈德斯通玻色子，并且它是解释质子、中子等强子质量的主要来源（质子质量主要并非来自希格斯机制）。
所有这些“不守恒”都可以归结为对称性破缺。
1. 明显破缺：就像宇称不守恒，是因为作用量本身就不包含那条对称性。
2. 自发破缺：系统的作用量本身具有高度对称性，但其基态（真空）却不具备这种对称性。最著名的例子就是希格斯机制：电弱相互作用的作用量是对称的，但希格斯场的真空期望值不为零，从而破缺了对称性，赋予了W、Z玻色子和费米子质量。
目前，物理学的目标不再是简单地寻找“哪些量守恒”，而是更深层地研究“对称性如何以及为何破缺”。这些破缺不再是理论的瑕疵，而是宇宙变得复杂、丰富，并最终孕育出生命的根源。从宇宙暴胀、物质起源到粒子质量获取，对称性破缺扮演着最核心的角色。
也续你和其他读者一样，会这样想，对立不守恒，会不会是因为处于两个世界面？再或者是因为“观测者效应”导致？
关于“处于两个世界面”的想法，这个想法非常像物理学中的“自发对称性破缺” 概念。
什么是自发对称性破缺？想象一支完美的铅笔，笔尖朝下立在桌上。它的作用定律（拉格朗日量）是完美的旋转对称的，从哪个角度看都一样。但它的基态（即它最终倒下的状态）却是不对称的——它必须随机倒向某一个方向。它的“真空”或“稳定状态”打破（破缺）了初始的对称性。
“两个世界面”可以类比为铅笔可能倒向的无数个方向。在我们的宇宙（我们这个“世界面”）中，弱相互作用选择了一种特定的“手征性”（就像铅笔倒向了一个特定方向），导致我们测量的物理规律是宇称不守恒的。也许在另一个我们无法接触的“世界面”或宇宙域中，弱相互作用选择了相反的手征性，那么那里的物理学家会做实验发现“镜像的宇称不守恒”。
目前，在标准理解中，这些不同的“真空态”虽然理论上存在，但它们属于同一个宇宙，而不是完全隔离的两个世界。我们无法与另一个真空态进行通信或观测它。
至于量子力学中的观测者效应：确实，在量子力学中，观测的行为会干扰系统，导致波函数坍缩。但这通常针对的是“单个量子态”的测量（比如一个粒子的位置和动量）。
宇称不守恒不是一个量子测量问题。它是自然基本作用力本身固有的属性。在吴健雄的实验中，观测的不是单个粒子，而是大量钴-60原子核衰变产生的电子方向的统计分布。这个统计偏差（绝大多数电子从某个特定方向飞出）证明了弱相互作用的本身规律就是偏爱某个方向，与是否观测、如何观测无关。观测只是记录了这一固有规律的结果。
摘自文化学者，作家灵遁者作品《信息与关系》
作者简介：灵遁者，中国独立学者。原名王银，陕西绥德县人。1988年出生，现居西安。哲学家，艺术家，作家。代表作品《触摸世界》《行者乾坤》《探索生命》《变化》《相观天下》《手诊面诊色诊大全》《笔有千钧》《非线性波动》《见微知著》《探索宇宙》《伟大的秘密》《自卑之旅》《云淡风清》《我的世界》《牙牙学语》等。其作品朴实大胆，富有新意。
个人座右铭：生命在于运动，更在于探索。
灵遁者热读书籍有：科普六部曲，国学三部曲，散文小说五部曲。
科普五部曲分别为：《变化》《见微知著》《探索生命》《重构世界》《观自在大千世界》《信息与关系》。
国学三部曲分别为：《相观天下》《手诊面诊色诊大观园》《朴易天下》。
散文小说五部曲分别为：《伟大的秘密》《非线性波动》《从今往后》，《云淡风轻》《我的世界》《春风与你》。