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怀念杨振宁先生
——宇称不守恒简介
文/庞志森
杨振宁先生在103岁的高龄与我们长辞了。先生于1956年与李政道先生一起提出了宇称不守恒假说，由美国华裔女科学家吴健雄用试验获得证实。1957年获得诺贝尔物理奖。先生是中华民族的骄傲，目前是排在世界前10的物理学家，当然不仅是因为宇称不守恒，更重要的是因为他提出了一个物理学的基本构架、奠定了现代物理学基石：杨-米尔斯规范场论。1954年他与罗伯特·米尔斯合作提出了能够统一描述基本粒子相互作用的非阿贝尔规范场理论，成为粒子物理标准模型的基础，与麦克斯韦电磁方程和爱因斯坦广义相对论并列。在他以前研究粒子，只能是一个个单独来，在他以后，就可以在模型指导下系统地研究粒子的整体系统了，从单一走向系统化，成为物理学划时代的标志。先生展现了中华民族的智慧和爱国热情，帮助了许多年轻人获得成功，最后落叶归根。他对于世界和中国都是伟大的科学家、巨匠标杆、爱国者，探索者，值得我们永远怀念。怀念有多种方式，写纪念文章，用文学方式回忆，还有科普文章，让我们来理解几十年前他梦想过的科学难题：宇称不守恒。
一、宇称守恒的概念
宇宙就是空间和时间。宇称是指对称折叠，即空间反转，是研究对称性问题的，想象蝴蝶就是对称折叠再展开的图形。宇称守恒是指在表示物理规律的方程式中的字母以负数代替正数，而方程形式不变，或者正值方程与负值方程全等，就表示了规律或宇称守恒。犹如能量、动量守恒一样，不管过程如何，物理量变化前后不变。宇称守恒例如万有引力定律：
F=GMm/ r2，或者库仑定律：F = k（q1q2）/ r²
式中G、K都是特定比例系数，M和m分别代表两个质量，q1， q2分别表示两个电荷量，r表示两个质量或者电荷之间的距离。r2=x2 +y2 +z2，式中，x=（x1-x2）、y=（y1-y2）、z=（z1-z2）,分别是两个点之间的直角坐标差，右下的数字1代表第一个点，数字2代表第二个点。可以轻松由解析几何或者立体几何获得。简单理解，就是两点之间的距离r。由于公式中r²是平方项，所以用-r或者r带入以上两个式子中，等式形式不变，因为r2=（－r）2。这就是物理规律宇称守恒，如果原等式变化，就是宇称不守恒。两者都是对粒子转换过程中的是否有对称现象的描述，转换是在力的作用下进行的，所以必须与力相联系。
宇称的实质是对称折叠，研究物理正反转换规律，例如空间宇称正反规律：反转180度，在相反方向去取绝对值，看负数是否能够让等式形式不变，以确认规律是否守恒。实际上是数学上镜像或对称图形，是对于点与直线或者平面的对称。对称是指在数轴相反的方向上取相同的绝对值。例如用正负值带入以下式子：x2 =（-x）2，平方项让式子不变形，符合守恒定义。而正值式子x×y=x+y相对的负值式子为：（-x）×（-y）= x×y = －x－y，式子变形：两式不等，是宇称不守恒。以上是示意说明。宇称包括：空间对称折叠是指在反方向上取绝对值；时间对称折叠是指可逆过程中正反用时长短；粒子（电荷）对称折叠是指左右旋转。显示了在不同条件和特定意义下物理的宇称和数学对称性质，是研究物理宇称和守恒规律的。宇称表示物理意义上的正反现象，守恒就是正反现象让规律不变，即能够让物理规律的数学表达形式不变。显然数学语言更加简洁明了有包容性。表达式形式不变体现了两者哲理的同一性，形式变化意味着差异性。
二、四种力和四种粒子
宇宙物理规律是否都能够宇称守恒呢？首先必须看看四种力和四种粒子。
引力（万有引力）：负责天体运动（如地球绕太阳转），是长程力且最微弱者。不考虑引力。
电磁力：解释电荷间吸引/排斥（如磁铁吸铁钉）、化学反应和光现象，强度仅次于强核力。是带电粒子与电磁场之间的相互作用。带电粒子运动就是电流，电生磁，磁生电，这就是麦克斯韦的理论。
强核力：即强力，将质子和中子“粘合”在原子核内，对抗电磁斥力，作用距离极短但最强。
弱核力：即弱力，引发放射性衰变（如β衰变），参与太阳核聚变，作用范围和强度均较弱。β衰变是原子核自发放射β粒子或俘获轨道电子而发生物质转变的放射性过程，分为β⁻衰变（释放电子）、β⁺衰变（释放正电子）。弱力是原子核与外部电子之间的作用力。
四种粒子分别是：1、引力子是企图统一四种力的假想，目前没有证实，不考虑。2、电子或者带电粒子包括原子核，是引起电磁现象的根源。3、夸克是组成原子核的粒子，依靠强核力对抗排斥力、作用于夸克，通过胶子传递，将质子和中子内部的夸克束缚在一起，形成原子核。4、中微子是β衰变中伴随产生的基本粒子。{可以略过：在β衰变中，原子核内的一个中子会转变为质子，同时释放一个电子和一个反中微子（β−衰变）；反之，若核内质子转变为中子，则会释放正电子和一个中微子（β+衰变）。}现代物理学认为，中微子是基本粒子中唯一不带电、质量极轻的粒子，其与物质的相互作用极弱，因此难以被直接探测。但通过精密实验证实了中微子参与β衰变过程，并成为理解核反应机制的关键。选择强力、弱力、电磁力三种力和电子、夸克、中微子三种最小粒子分析规律。也包括光子，都有角动量，光子仅传递电磁力，胶子传递强力，两种玻色子W、Z传递弱力。电子作为基本粒子，同时受电磁力和弱力作用（如β衰变）。
三、宇称不守恒
实验证明大部分力遵守宇称守恒规律，只有在弱力作用中不守恒。在1956年以前，人们相信宇称守恒，习惯世界如镜像一样完美对称，镜子内外的人一模一样，两个互为镜像的时钟，走得一样快。殊不知镜像是左与右相对。在物理学方面，1953年就发现一种叫做θ的介子会衰变成2个π介子，即
θ→π+π
而另一种叫做τ的介子会衰变成3个π介子，即
τ→π+π+π
人们熟悉π介子。按照奇（图形以原点对称）偶（图形以Y轴对称）函数的概念来解释宇称问题，偶数项称为偶宇称，奇数项称为奇宇称，所以两个π介子的宇称就是(-1)×(-1) =1，而三个π介子的宇称就是(-1)×(-1)×(-1) =-1，如果宇称守恒，那么θ为偶宇称，而τ为奇宇称。1和(-1)分别代表两者，两者显然不相等。看成两种离子似乎天经地义，然而，θ和τ除了宇称不同，其他属性：质量、寿命等都相同！为什么会如此相似？这就是物理学上著名的θ~τ之谜。
杨振宁与李政道认为θ和τ也许就是同一种粒子，只不过在弱作用衰变过程中，宇称不守恒！李-杨二人经过推算发现，在四种基本相互作用中，唯独弱相互作用的宇称守恒并没有被确切地证明，只是一种基于习惯和经验的结论，既然如此，应该重新检验这个结论。于是提出了弱力作用的宇称不守恒假说，然后又设计了两种可行的实验方案，1956年，美国华裔物理学家吴建雄（Chien-shiung Wu，1912-1997）根据其中一个方案，完成了实验，证明了两人假说的正确性。当时测量的是钴-60的放射性反应。
试验如下图所示。第二个实验在下图虚线右侧。电流依旧从下面导入螺线管。由于线圈绕向与左边互为镜像关系，因此螺线管中的电流也与原实验呈镜像关系，同样根据右手定则，螺线管内的磁场方向向上，所以钴-60核自旋方向向上。按照宇称守恒要求，β射线（即电子流）的预想方向应该向上，实际结果相反，是向下，可见蓝色箭头。不可思议，类似于在镜子里看到不同的物理现象，即我和镜像不同。从而首次证明了宇称不守恒，否定了宇称守恒的绝对性。
如下图，验证宇称不守恒实验示意图中的产物β射线（即电子流）集中的出射方向。
1964年研究正、反物质时，发现时间反转不对称。只有电荷正负相反、其余都一样的物质称为正反物质。其K介子可以相互震荡实现正、反物质相互转换，但是转换时间长短不一，正转换时间短，反转换时间长。于是破坏了正反物质转换时间的对称性。获得1980年诺贝尔奖。这也是宇称不守恒的例子。对于一个科学理论，如果能够找到一个例外，就说明理论不能成立，至少是不够完全成立。
此事成为好事，成就了太阳和地球。按照宇宙大爆炸理论，爆炸产生的正反物质数量相等，两者相互作用，物质就会湮灭，只会剩下能量，宇宙就没有物质了。幸好正反转化的弱力作用时间不守恒不相等，正转换比反转换速度快，即时间短，导致正物质比反物质多了10亿分之一，这其中就包括太阳和地球。
杨振宁和李政道发现了这一规律，让世界从守恒为核心进入到对称为核心的时代。
四、宇称不守恒的原因
原因与电子、夸克、中微子三者有关。从“基因”上看，三者都是旋转的，不同的是电子、夸克的旋转是左右旋转方向的数量各半，正负对称，可以取负值，这是宇称守恒的基础。然而试验证明中微子只能够左旋，意味着没有正负对称，不能反向取值，只能够取正值，没有负值，取负值就是理论违反客观规律。例如一个下夸克通过弱力作用变成一个上夸克+一个电子+一个中微子，即：
一个下夸克= 一个上夸克+一个电子+一个中微子
上式没有平方项，同时因为中微子只能够左旋，导致只有正值，没有负值，或者负值为0，上式的总体负值表达式为：
－（一个下夸克）= －（一个上夸克+一个电子）+0
两式显然不同，说明在弱力作用中宇称不守恒。根源在于中微子只存在于弱力作用中，且没有右旋中微子，没有对称性，这就是“基因缺陷”，也打破了一种守恒规律：正反转对称的绝对性。这是试验结果的根源和理论说明。
通俗理解物质转变，β衰变是原子核自发放射电子或/和正电子的过程，放出的粒子电荷不同，且形成的粒子不同：带电质子和不带电中子，有接受电子和释放电子的差异性，两过程用时肯定会不同。所以导致正、反物质转变的时间不同，转换时间短的正物质必然会多一些，说明时间不守恒是正物质的福音。
按照科技哲学原理，物质转变中，夸克和电子的正、反方向旋转的数量相等，且两者因果关系一致，具有两种同一性，同一性一定会表现出来：两者一定守恒，因为宇称守恒是同一性，也一定会出现在同一性的地方，预示着对称性和宇称守恒具有必然性。因为中微子只能左旋，所以导致本身和总体正反旋转数量一定不同，是差异性，也一定会表现出来：导致宇称不守恒。可见，因为夸克和电子具有同一性，而中微子旋转特异性具有差异性，所以从哲理上就可推导出宇称守恒和不守恒都是存在的，体现了多样性。
五、拓展
电荷空间时间三者的英语第一个字母，即CPT。实验证明，若三者一起反转，即反向取值，就会形成超级对称，称为联合对称，区别于以上的个例。即将电荷空间时间的正负值都带入目前已知的物理方程，会得到方程不变的结果。说明在联合对称下，目前所有物理规律都是宇称守恒的，数学模型都是对称的，所以世界自然宇称守恒。通俗理解宇称守恒，看对称折叠，类似于空间镜像，在镜子里对称，一定是左与右对称，人动右手，镜像动左手，两眼从镜子平面看镜子左右，两个电子自转一定是反向旋转的。这才是镜子对称。当然，宇称守恒不是指这种镜像对称，而是数学元素CPT的正负值让物理方程恒定不变、规律守恒。镜像对称是一次方对称，宇称守恒对称是指包括一次方对称和二次方或者高次方对称的，即多次方的等式对于正负值的恒定不变。
1945年泡利获得诺贝尔奖，从数学上证明了洛伦兹变换不变是联合宇称守恒的原因。也形成两个相对论的基础，与两者等价。 洛伦兹变换是一种数学直角坐标系的变换，例如静止的人与行驶的汽车两个不同参照系的坐标系变换。是在伽利略两个相对角度的观察变换上，再加上时间维度的动态变换数学公式。形成从静止与运动的两个角度来看世界的数学表达式。公式推导中，立足于光速不变原则。洛伦兹变换是线性变换：因为只在静止基础上叠加运动速度V，所以它是线性变换，必然不变。光速不变原理用理论和实践来证明，理论上，光速会出现无穷大，实践测量结果就是不变。
目前洛伦兹变换就是不包括量子力学，因为没有被证明。但是实际上也能够包括量子力学，否则，人类物理学大厦会出大事。相对论和量子力学两个支柱会倒塌，人类会前功尽弃。洛伦兹变换不变的本质是光速不变原理。后者的原理是信息传递速度不能够超过光速。只要是不传递信息，就可以超过光速，例如：空间膨胀，量子纠缠、虚粒子都可以超过光速。所以信息传递是比光速更加本质的东西。
为什么会是这样？我理解，从定义出发，可以从几个方向来分析宇称守恒与否的问题。定义类似于数学上的奇偶函数的区别，原因基于粒子的不对称性，以及函数奇偶性质和平方项。以此来由因求果。
1，在有中微子参与的力作用中，寻找与中微子有同一性的粒子，形成偶宇称，必然是守恒的。如果能够找到右旋转者，即奇宇称，则必是大成功。
2、在数学方程中，找到奇偶函数的区别，也是大成功。
3、在两者综合中，既看粒子奇偶宇称，也看方程奇偶函数的区别，以确定整体的奇偶性质。
4、为什么包含电荷空间时间CPT的一起反转，会获得联合对称。就是因为中微子得到宇称匹配。推断一定有一个补充因素。否则不会形成超级对称，结果一定基于原因。
5、为什么信息传递速度不能够超过光速，因为信息“太复杂太慢太耗时”，犹如载波，无论是调幅还是调频，信息波都必须加载于基波。基波若是无线电波，速度等于光速，与信息速度相差太大。
未来世界上有谁能够将引力、电磁力、强力、弱力统一、形成四力理论，或者发现超过光速的现象，那么。他就能够与牛顿爱因斯坦等人同桌吃饭了。但愿这是一位或者多位中国人，以此来怀念杨振宁先生、告慰先生在天之灵。
2025年11月3日