杨振宁+P_T和C的分立对称性

、 和 的 “‘ 分立对称性 褥 参 亨 美国纽约州立大学石溪分校理论物理研究所 宇称 的概念 年 , 拉波特 在铁的 光谱结构时发现有两种谱项 , 他称之为 “ 带 撇 项 ” 和 “不带撇项 ” 跃迁总是从带撤项到不带撇项 , 或者反 过来 , 而决不会发生在带撤项之间或不带撇项之间 接着发现这个选择规则同样适用于其他元 素 的 原 子 谱 , 并被命名为 “ 拉波 特 规 则 ” , 或 “ 拉 波 特一罗 素 一 规则 ” 量子力学发展以后 , 它被 解释为同算符 ’二 一 , , 二 一 少 , 之‘ 一 之 作用下的不变性有关 , 这就称为“反照 ” 德文 娜 , 而韦耳 用符号 来记它 韦耳 还 把 这个算符的本征值取名为“ 特征 ” 在威格纳 年版的 中 , 这个本征值是称为 “反照 特 征 , 《德文 岁 的 我不确切地知道 “ 宇 称 ”这个名字是从什么时候开始 采 用 的 , 但 在 年 , 康登 和肖特利 】 确实用过 ‘ 宇称算符 ”这一术语 宇称对称性 , 三十年代时迅速成为原子 、 分子和 核物理学语言的一部分 讨论能级标记 、 选择规则和 强度规则以及角分布时 , 明晰地或含蓄地假定了宇称 守恒的概念 当基本粒子物理学开始发展时 , 宇称守 恒自然地转入了这个新的领域 在讨论宇称不守恒这个题目之前 , 有趣的是来回 忆一下 , 虽则在物理学中广泛使用群论在今天已被认 为当然 , 但是韦耳和威格纳在 年后期把群 论 引 人物理学 , 在当时却决不是受欢迎的 威格纳在他的 那本书 的 年英译本序言中写道 确务 康志 卷 期 “ 当本书 年德文原版本首次出版时 , 物理学 家们在情绪上非常不愿意采用群论的论证和群的理论 观点 使作者感到高兴的是 , 在此期间 , 这种情绪实 质上已经消失 , 而且 , 较年轻的一代对于这种情绪的 起因和根据实际上是不了解的 在较老的一代人中 , 劳厄 或许是第一个认识到把群论作 为一种自然工具的意义的 , 有了它 , 就能使量子力学 的问题得到最好的指引 劳厄对出版社和 作者 的 鼓 励 , 对本书的出版作出了重要的贡献 我愿意回忆他 提过的一个问题 , 即在本书取得的结果中 , 我认为哪 些最重要 我当时的回答是 , 据我看来 , 对拉波特规 则 宇称的概念 的解释以及矢量相加模型的量子理论 最有意义 自刃厨以来 , 我已倾向于同意他的回答 , 即最值得注意的结果是认识到几乎所有的光谱学规则 都是从问题的对称性得出来的 ’ 自从写下这段文字以来的二十多年中 , 越来越多 的李群进入了物理学的文献 人们甚至不免惊异 , 一 个又好又重要的进展是否已经被滥用了 我们现在转到五十年代 在研究 , 介 子 的 衰 变 时 , 达利兹 通过引进著名的达利兹 图闹分 析 了 介子的 自旋一宇称可能性 这是一种特别有 用 的 方法 , 到 年 月时 , 他得出困的结论是 , “ 如果 , 介子的自旋小于 , 它就不可能衰变为两个 , 介子 ” 换句话说 , 了 和 的自旋一宇称标记很可能是不同的 然而 , 这个结论必须同 和 口的质量和寿命的实验结 题头照片为杨振宁教授在上海科学会堂作学术讲演 周昭德摄 果相符合 这个时期的气氛 , 可以从 我 于 年 月在西雅图召开的国际理论物理会议上 , 所作的题为 《目前对新粒子的认识 》的 中的一段话感受到 “ 然而 , 匆忙地作出草率的结论是不行 的 这 是 因为 , 实验上 介子看来全都具有相同的质 量 和 相 同的寿命 这些质量的精度已确定到约为 个电 子质量 , 或百分之零点几 , 而这些寿命的精度已知大 约是 对于 自旋和宇称值不同 , 且与核子和 二 介 子有强相互作用的粒子 , 预料它们是不会有全同的质 量和寿命的 因此 , 我们不得不把上面提 到 的 衬 和 不是同一种粒子的推论 , 仍看作是一个 悬 而 未决 的问题 附带说一句 , 我也许可以说 , 假如不是因为 质皿和寿命的简并反常 , 这个推论必然已被看作是确 实的 , 而且事实上要比物理学中的许多推论确立得更 好 ” 颇为有趣的是注意到我在这里使用了 “ 反常 ” 这 个词 , 它泄露了这个时期的感受 , 即认为这里本来是 不应该有简并的 这个穷境称为 一 之谜 , 到 年初 , 这 一 点 变得完全确定了 同年 月 , 在罗彻斯特会议上 , 我 被委员会指定作了一个关于新粒子的报告 , 报告中一 半以上的时间谈论的就是这个谜 奥本海默在这次 会议结束时说 , “ , 介子将既有它内部的 , 又有 它 外 部的复杂性 , 它在这两个方面都不会是简单的 ” 卜 , 之谜随后由于宇称不守恒的发现而解决 了一 为什么没有即刻想到这个显而易见的解答呢 我想有 三个原因 一般认为几何的对称性是无条件地绝 对的 原子 、分子和核物理中的空间一时间对称的精确 性只不过使得这一先前的信念更加强烈 宇称选 择规则 , 在核物理学中同在原子物理学中一样 , 也起 着很好的作用 在核能级标定 、 核反应和 月衰变中借 助于宇称选择规则成功地分析了几百个实验 因此 , 在过去如此广泛详尽的经验面前要人们接受宇称失效 是困难的 宇称仅在弱相互作用中不守恒的观念 当时尚未诞生 年 月底到 月初 , 李政道和我正在 研 究 奋 , 之谜二 我们特别担心在下面这个实验中的二面角 的定义 , 户一叫叨 , , 一 , 这一实验是沙特 · 、 斯坦伯格 ‘ 和沃克 · 的组在罗彻斯特会议 上报告过的 一天李政道和我偶然想到一个观念 或 许宇称仅在弱相互作用中不守恒 它将在 式中引 起上下不对称性 这个观念使我们深入细致地工作了 几个星期 , 特别是在 月衰变方面 月间我们把一篇 题为《宇称在弱相互作用中守恒吗 》的论文提交给《物 理评论》 它是在 月份发表的 , , 但题目变成了 ‘ 《弱相互作用中的宇称守恒问题 》, 因为编辑规定 , 题 目中不应该含有问号 我们建议了几个试验 , 以查明宇称在弱相互作用 中是否守恒 年开始 , 两个组着手这样的实验 其中一个组由哥伦比亚大学的吴健雄和国家标准局的 安布勒 、 海沃德 、 霍 普斯 和赫德森 组成 另一个组由芝加哥大学的泰莱梯 扣 和 弗 · 里德曼 组 成 年 月 初 , 当 哥伦比亚一标准局的实验表明 , 在 月衰变中宇称 肯定 不守恒时 , 加温 、 莱德曼 和温里克 在 小时内仓促 地完成了另一个关于宇称不守恒的实 验 这 三 个 实 验〔 的结果使得所有的物理学家相信 , 宇称在 弱 棺 互作用中是不守恒的 时间反演 · 的概念 经典物理中的时间反演不变在十九世纪时已经是 一个研究得很好的课题 近代对这‘不变性的理解始 于克雷默 定理 这个定理说 , 在任何电 场中 , 对于奇数个电子来说 , 能量本征态至少是二重 简并的 为了证明这个定理 , 克雷默考虑了一个涉及 电子体系波函数的复共扼的算符 两年以后 , 威格纳 证明 , 这个算符是符合于量子力学中的时间反演要求 的 威格纳的时间反演算符没有立刻受到物理学家的 赏识 叼 迟至 年 , 当泡利在写他的关于场论的 评论性文章 时 , 没有提到这个算符 , 而 且 看 来 , 抱利偏爱的是另一个不包含复共扼运算的算 符 它 是 不正确的 的确 , 复共扼运算使得时间反演算 符 根 当难懂 它也使得它难以应用 , 以致在整个三十年代 和四十年代中几乎没有论文讨论这个课题 今天我们知道 , 时间反演不变的一个重要应用是 用以确定跃迁矩阵元的相对位相 首先应用这个观念 的是劳埃德 , 他讨 论 了 〔川 电 石 极 和 磁二 乙几 极辐射矩阵元的相对位相 施温格 引进了 〕另一个时间反演不 变的表述 但是他的表述同威格纳的表述实际上是等 价的 电荷共辘 的概念 电荷共辘概念的起源同宇称和时间反演的起源完 全不同 事实上 , 它在经典力学中根本就没有对应物 二 当狄拉克〔 在写他的关于狄拉克方程的论文 时 , 他在引言中提到负能态是令人困惑的 “ 因而所 得 的 理论仍然仅仅是一种近似 · ⋯⋯ ”两年以后 , 他在一篇 题为 《电子和质子的理论 》的文章中 〕再回来讨论这 ‘ 卷 期 喃多 亲备 个问题 , 文中写道 , “ 所有的负能态都是占 满 的 , 或 许只有几个除外 · ⋯⋯ ” 这些未曾占满的能态被 他 称 为“ 空穴 ” 他还假设 , “ 负能量电子的分布中的 那 些 空穴乃是质子 ”然后 自己提出问题 , “ 目前的理 论 能 够说明电子和质子间这种强烈的不对称吗 这种不对 称性体现在它们的不同质量以及质子能够组成较重原 子核的能力上 ” 这篇论 文 发 表 以 后 不 久 , 塔 姆 、 狄拉克 、 奥本海默和韦耳就得出结论〔 说 , 所期待的这种不对称性是没有的 而且 , 如果空穴是 质子 , 则氢原子的寿命将约为 一 秒 , 这显然是错 误的 所以奥本海默〔叫建议 , 质子和电子应 该 分 开 处理 , 由此得出的见解是 “在这个世界上 , 据我们所知 , 电子的所有的 不 仅是几乎所有的 负能态都已占满 一个空 穴 , 如 果 真有一个存在 , 将是实验物理所未知的一种新粒子 , 同电子具有相同的质量和相反的电荷 我们可以把这 样一种粒子称为反电子卿〕 ” · 电荷共扼粒子的概念于是诞生 我曾把狄拉克为 引进“空穴 ”观念而采取的步骤 , 比喻〔叫 为“ 负数的首 次引用 ” 由它导致的将是今日关于“真空 ”本性 的 更 为深奥的见解 , 这是我们空间一时间概念上的一 次 革 命 我总是钦佩他有勇气提出象负能粒子的海这样一 种疯狂的观念 然而当我有一次同狄拉克谈到这一点 时 , 他说 , 这个观念 据他看来 在当时并不是那么疯 狂的 , 因为人们早已通过原子壳层结构熟悉空穴了 我想 , 对他来说 , 这件事情之所以不那么疯狂 , 是因 为他相信 叫 “ 目前要取得进展 , 能够建议采用的最有力 的 方 法 , 就是在企图完成和推广组成理论物理现有基础的 数学形式时 , 利用纯数学的所有源泉 , 并在这个方面 取得的每次成功之后 , 试着用物理的实体来解释新的 数学特色 · ⋯⋯ ” 对于他当时的同代物理学家来说 , 他的观念是相 当少 见 的 参见 · , 只妙 , 这个发展中的下一步是弗里 〔叫采取的 , 他证明了一个定理 , 以后就称为翅里定理了 用费曼 图的语言来阐述的弗里定理是 , 对于量子电动力学中 的奇阶电子一正电子回路来说 , 电子箭头具有相 反 方 向的两个图将相互抵销 弗里在他的论文 摘 要 中 强 调 , 这种抵销是由 “ 电子和正电子间的分布对称性引 起的 ” 几乎与此同时 , 马约喇纳 ‘ “ 和克雷 默 〔” 稍后 , 开始进行共扼对称性的形式处理 年发表的这三篇论文非常有趣 , 因为 除 了 电荷共扼以外 , 他们还触及到稍后就变得有趣或重要 确多 索 志 卷 期 一 的另外几个概念 马约喇纳的论文引述了中微子的马 约喇纳理论 克雷默在论文结束时写道 “ 结果 , 我们预期对氢原子定态的能量值必 须 作 出校正 , 这就是 年的狄拉克理论所做的事情 在以后的论文中 , 我们将更为严密地讨论实际计 算这一校正的可能性 ” 然而 , 看来虽然克雷默在 年就已经开 始 有 了重整化的观念 , 但他并没有能够由此得出成功 的结论 ’〕 二次大战时期 , 弗里定理被推广沙 〕到各种不 同 类型的 介 子一核 子 祸 合 , 而 佩 斯 和 乔 斯 特 〔 证明 , 这些类型是同电荷共扼不变 和 同 电 荷对称有关的 电荷共扼不变的进一步应用是由米歇 尔 , 。 、 李政道和我 作出的 一 年间 , 证明宇称在弱相互作用 中 不 守恒的实验 , 同时还证明 , 昌 , 在弱相互作用中没 有观测到电荷共扼不变 定理 在施温格关于场论的论文 中 , 已经认识到有 一个定理 , 即稍后被称为的 丫定理 虽然他没有明 写 这个定理说 , 在任何洛仑兹不变的局域场论中 , 算符 尹 使得理论不变 , 纵 然 、 和 算符单独时 可能不是这样 卢特斯 部分地证明了这 个定理 , 而更加完整的证明则是泡利〔’做的 在五十 年代中期 , 这个定理在实用中变得极为重要 〕 年 , 乔斯特 。 指出 定理和 微 观 因 果性之间的关系 从概念性观点来说 , 注意到下面这个事实是很有 趣的 , 即我们在量子力学中有必要使用复数 , 作为我 们描述物理世界的根本要素 , 而在量子场论中 , 则有 必要使用解析函数 定理 〕就是这样发展 过 来 的 在此时刻我们当然不知道 , 在我们 对 定 理 的理解中 , 前面还有没有以及还有什么更为深奥的发 展 不变性的失效 发现 尸和 不守恒以后 , 为了保全尽可 能多 的 对称性 , 曾经有人建议让 严格守恒 在 多 年 中 , 这个建议是同所有的实验结果相符合的 但 是 年 , 克里斯坦森 、 克 罗 宁 、 菲奇 和图雷 发现 , 守恒也不是严 格有效的 由于有 定理 , 人们相信时间反 演 不 变同样不是严格成立的 评论 研究分立对称性的失效直到今天还在许多方面继 续进行 关于 、 和 不守恒 的 现象已经知道得 不少了 理论上 , 从这些研究得出的两个最重要的概 念性进展是 第一 , 早期的中微子二分量理论 刃 再 次得到证实 〔 儿 第二 , 为了适应 不 守 恒 , 个 夸克是不够的 这 就 是 小 林 和 增 川 在 年所作的非常卓越的分析 技 术上 , 尸守恒的失效使得有可能产生极化粒子束 , 它 对许多实验研究都有促进 但是 , 分立对称性失效的根本原因今天仍然是未 知的 事实上 , 对于这些失效的潜在的理论基础 , 看来 甚至尚未有人提出任何建议 这样一种理论基础 , 我 相信必定是存在的 , 因为从根本上说 , 我 们 已 经 知 道 , 物理世界的理论结构决不会是没有原因的 〔 〕 , 之 人 , 乃口‘ · , 尸动 , 尸勺‘认 , ‘ , , 肋汤 命‘ , 尸勺‘ 刀己刀 , 灰盯诬, 了 切 〔 , 尸妙 , 〕 , 尸动‘ , 二 , 工 二 吞 尸勺‘ , 〔 , 和 尸妙‘ , , , 吞“ · 尸妙‘ , 即 , 份砚咖‘ 书 , , “助 刀 几 , 幼 姗 刀君 。 众 动 认 护哪 , , , 理 勘 , , 肠 , 尸越” , , 如 ,、 , 工 〕 , 尸护刀淞 动君‘ 娇。 “ , 双‘‘ 人了西 尸勺场 ‘ 〔 , 尸 口 沁 , 了 ‘ “ , , 尸妙 , · , 份 、 口 , , 八 , ” , , , , , 刁为 刀‘刀 , , 阴 , 段那 。 , , 川“ 认 琢户月 勺巧沁 , , , , 乃口‘ 邓 ‘ , 狄 月 , 口 诬叨 如 只劝亡打 , 一 、 众 · 月花“ 云哆 , 一 妙 ‘ · 一 , ‘。 人如 尸妙 , , , 班 , , 几。 , 〔 · , 尸勺‘ , , 尸阳‘ 五妙 , 砚 , 〔 以 , 尸勺, 五‘刀 , · , 翻 , , 乃口‘ 介 由 , 〕 , , 心 花 琐那 , · , 咭 · 了触口 ‘ 妙 , , , 尸妙‘ , , 动砚 , 〔 〕 · , , , 夕 〕 , , , 尹勺‘ 。 · , , 犯 , 叮 · , , 二 了 , , 尸勺‘ , 。 · · , 心 码凌川 乡, 八九 一 加 · 五‘而 · , , , 户八巴行 只妙 , , , 尸如 , , 咖 升 升 口 了 口。呼‘ 八公动 沁 四 , , ‘ 丘 四 · , , , , , , 一 · , 班 · 刀‘口 及 。。 , , , · , · · , 尸匆诱 刀‘习 , , 灿沼‘ 绍 汤 , 叮 , 之 尸勺‘认 , 盯 , , 乃昭 · 尸勺邢 , 。 · 卷 期 确多 余 志 漂外 , 还有一个周期性的慢变化 , 但变化幅度 不大 , 变化周期约在 小时之间 , 不很稳 定 昆明的扭摆只装了一个反射镜 , 其变化周 期为 一 秒多 芒市的扭摆装有两个反射 镜 , 其变化周期分别为 · 秒 和 几 秒 多项式回归表明 , 每天的数据皆以 三次曲线回归所得之余差最小 , 这与上述 。小时的周期性慢变化相一致 经多项式回归 消去零漂和慢周期性变化后 , 扭摆的周期的绝 对误差 刁 的标准差一般都小于 毫 秒 , 所 以 刁 的标 准 差 二 , 这 比 的 约小一个数量级 日食当天 , 扭摆取得了全天 的完整 , 经回归处理 , 全部观测值与回归 线的偏离均不超过 ’对芒市多面反射镜所得 资料的分析结果也一样 所以在这次日食中 , 扭摆上没有发现异常现象 水平摆倾斜仪 、 这次云南 日全食食甚时 , , 太 阳的地平高度仅有几度 , 引力屏蔽效应主要 表现在水平方向上 我们的水平摆倾斜仪测地 倾的灵敏度约在 “ 左右 , 相当于在水平方 向上约可检测 一怡 的加速度变化 这 次日食观测 , 两个观测点在 日食当天的记录都 是完整的 分析表明 , 在消去零漂和固体潮的 影响后 , 水平摆在 日食期间没有出现超过两倍 标准差的偏离情况 , 即未发生统计允许以外的 异常现象 天平 在芒市安装了一台 一 型微量 天平 , 经改装可作 自动记录 天平两个称盘上 各放一个 克重的祛码 称盘转轴在水平面指 向南北方向 , 对这个方向的扭矩和东西方向的 地倾均可作出灵敏的响应 月 日当天 , 天 平取得完整记录 多项式回归分析表明 , 其 日 变化与三次曲线拟合较好 从曲线上看 , 在食 甚 北京时间 怡 “ 前后几十分钟与回归 线偏差较大一些 , 且可连成一个小包 , 但最大 偏离仍不超过两倍标准差 , 也是在统计允许范 围之内 悬镜 可观测垂直旋量的一种装置 , 这次 因配套仪器工作不正常未取得有意义的结果 赵之淑和王立林同志协助完成了仪器方面 的工作 , 谨向他们和参加 日食观测的其他有关 同志致谢 年 月 日收到 自旋 、 宇称 、 电荷共扼和时间反 演 , 都是近代物理的重要概念 杨振 宁教授在《 、 和 的分立对称性 》和 《自旋 》两文中精辟地分析了这些概念 的发展历史 , 提出了一些值得深思的 问题 年前就提出的自旋 , 在微观世界中究竟意味 着什么 这个问题至今仍未解决 作者预言 , 自旋概 念将会与广义相对论相结合 , 还可能与 神 秘 的 拜 介 子 、 了 介子的存在有联系 自李政道 、 杨振宁发现宇 称在弱相互作用中不守恒以来 , 已有近 年的历史 , 接着又发现了电荷共扼 、 时间反演对称性的失效 , 但 对不守恒的原因仍一无所知 杨振宁教授的这两篇文 章给了我们十分有益的启示 如同许多科学领域有难 题一样 , 物理世界的奇妙 , 也仍有待我们去探索 黄河是中华民族的摇篮 , 《黄河下游河道变 迁 与 治黄经验初探》一文对二 、 三千年来黄河河道的 变 迁 情况 、 原因 , 历代治黄的经验 、 教训 , 以及今后治黄 方略作了较全面的介绍 大熊猫是我国的珍贵动物 , 但是生育力不强一如 何做好大熊猫的繁殖工作 , 是一个应该关心的问题 , 《大熊猫发情期中 的特异表现与排卵的关系》一 文介绍了雌性大熊猫在性行为高潮期间尿 中 排 出 的 卜 有特异性的增大 , 并与性交时间密切吻合 , 可 据以快速而准确地判断雌性大熊猫的排卵时间 我国 科学工作者的这一成果为大熊猫的人工授精提供了一 个方法 冠心病目前仍属医学上的疑难病症之一 本期所 刊《冠心病与化学防治问题 》一文的作者 , 通过测定血 液的 值 , 提出了一个关于粥状动脉硬化的胆固醇 的 “载体说 ” , 值得深入探讨 本刊 卷 期曾载《数理语言学 》译稿一篇 , 作者 系该学科开创者和权威之一 , 但写作年代较早 近年 来数理语言学发展迅速 , 成果累累 , 特约请戚雨村 、 徐振远二同志撰写《数理语言学浅说 》一文 , 结合我国 语言实际 , 再作进一步的介绍 , 借以概见数理科学向 人文科学渗透的一个方面 金属或合金由于腐蚀而在经济上所造成的损失是 巨大的 因此 , 控制腐蚀 , 已成为一门日益受到重视 的科学 《腐蚀电化学》一文 , 从该学科的概貌 、 特点 以及 目前发展的趋势 , 作了较全面的介绍和探讨 等离子体有高温和低温之分 , 当温度 低 于 护 时 , 气体只部分电离 , 这就是部分等离子体 , 也称低 温等离子体 《低温等离子体的应用 》一文介绍了低温 等离子体在发电 、 冶炼 、 研制优质材料等方面的应用 全息存储是解决情报资料缩微存储和 自动检索的 一种好方法 , 《情报资料的全息存储和检索 》对此作了 介绍 某些无色透明的晶体在一定条件下会有颜色 这 种现象称为附加赋色 《色心晶体机理 》对赋色的机理 及其理论处理的方法作了较详尽的综述 一 卷 期 确多 余 志