宇宙是什么

16. 宇称不守恒之谜

  虽然传递弱力的粒子已被找到，但弱力的全貌仍未被全部揭开。弱力一直存在一个巨大的谜题，那就是它违背了其他三种力（引力、电磁力和强力）都遵循的某一守恒定律。

  不知大家是否曾思考过“左”和“右”的本质区别。当然，任何人都知道哪边是左、哪边是右。但是，说明左右之别的本质意义并非易事。

  有人可能会说：“拿筷子的手是右手。”但是，当人对着镜子吃饭时，镜中之人则用左手拿着筷子。用左手还是用右手拿筷子并不会影响我们吃饭，因此这也不是左和右的本质区别。即使将整个世界左右颠倒，其实也不会出现什么不便之处。

  例如，假设在宇宙某处存在一颗相当于地球平行世界的行星。那里的景象与地球几乎相同，只是左右全都相反。在这个平行世界中，左撇子的人要远远多于右撇子，钟表的指针是向左转动的，棒球的跑垒是向右绕垒奔跑的……我们地球人看到这些，会觉得很别扭。

  不过，当我们告诉该星球的人“你们这个世界很奇怪”时，他们也不知道我们在说哪里奇怪。因为即便左右完全相反，他们的世界也与地球没有什么不同之处。即便存在左和右的差异，这种差异也无从解释。关键在于，是左是右都无所谓，不会导致什么问题。

  甚至在过去的物理学中也存在这样的观点。所有物理现象，即便颠倒左右的方向也依然遵循同一法则。在自然界中，左与右是没有区别的。引力、电磁力和强力的情况也是如此。对于这三种力而言，左右的概念并不存在，即使让空间反转，它们也遵循相同的物理法则。

  这种空间反演在量子力学中被称为宇称变换（Parity Trans-formation），即便左右互换，宇称也是保持不变的。这就是“宇称守恒定律”。

  若要详细讲解这部分内容，会涉及波函数等知识，为了便于大家理解，我将对其简化来说明。总之，大家可以将“宇称”看作粒子的一个性质。宇称有正负之分，这种正负即便在粒子衰变后也不会改变。如同粒子在β衰变的前后其能量是守恒的一样，其宇称在衰变前后也是守恒的。

  但是，研究者偶然发现了违背宇称守恒定律的存在。那便是从宇宙射线中发现的“τ粒子”和“θ粒子”，它们为物理学家带来了新的烦恼。

  这两种粒子在弱力作用下都会分别衰变为多个π介子。τ粒子会衰变成3个π介子。π介子的宇称是负的，由于宇称要通过乘法来计算，所以3个π介子的总宇称是负的（负×负×负）。因此，衰变前的τ粒子的宇称也应该是负的。

  θ粒子则会衰变为2个宇称为负的π介子。这2个π介子的总宇称是正的（负×负）。因此，衰变前的θ粒子的宇称也是正的。τ粒子和θ粒子的宇称相反，所以大家会很自然地认为它们是不同的粒子。

  但令人不可思议的是，进一步的研究发现，这两种粒子的质量、寿命完全相同。这两种粒子是分别被发现的，所以质量与寿命完全相同这种偶然，让人很难相信。物理学家无论如何都想从理论上解释这种现象。这就是“τ-θ之谜”。