4.对称的绝对性与相对性原理与CPT联合对称.docx

对称的绝对性、相对性原理与CPT联合对称

现代物理学认为任何服从相对论和量子力学的理论必须服从CPT联合对称.换言之，如果同时用反粒子来置换粒子，去镜像和时间反演，则宇宙的行为必须是一样的.克罗宁和费兹指出，如果仅仅用反粒子来取代粒子，并且采用镜像，但不反演时间方向，则宇宙的行为不保持不变.所以物理学定律在时间方向颠倒的情况下必须改变——它们不服从T对称.这些都说明了对称的相对性与绝对性原理的正确.

首先被打破的是P守恒.1956年前后，在对最轻的奇异粒子衰变过程的研究中遇到了所谓"θ-τ疑难"．1956年李政道和杨振宁分析了与θ-τ疑难有关的全部实验和理论工作之后指出，这个疑难的关键在于认为在微观粒子的运动过程中宇称是守恒的．他们指出，在强相互作用和电磁相互作用过程中宇称守恒是得到了实验的判定性检验的，但是在弱相互作用过程中宇称守恒并没有得到实验的判定性检验．李政道和杨振宁提出，这个疑难产生的原因在于弱相互作用过程中宇称可以不守恒．他们进一步建议可以通过钴60的衰变实验来对这一点进行判定性检验．1957年吴健雄等精确地进行了这个实验，证实了他们的理论.P宇称在强相互作用和电磁相互作用过程中是守恒的，但是在弱相互作用过程中不守恒.但是当时认为，即使在弱相互作用中，在正反粒子变换（C）和空间反射（P）变换两个变换联合变换（即CP变换）时，物理规律仍然是不变的.1964年，芝加哥大学的克罗宁（JamesW.Cronin，1931-）和美国新泽西州普林斯顿大学的菲奇（ValL.Fitch，1923-）及合作者克里斯坦森（JamesH.Christenson）和特莱（ReneTurley）在美国布鲁克海文国家实验室做的实验首先发现弱相互作用中两起破坏CP守恒（CPviolation）的事例.他们用这个实验室的交变梯度同步加速器，从加速器射出的能量为30GeV的质子束轰击铍靶，他们研究中性K-介子衰变，观测结果发现CP守恒破坏.进一步的研究表明，弱相互作用中CP破坏的部分只占千分之二．以后CP破坏在K-介子衰变还观测到，但是直到2001年才在另外一个粒子（B介子）中观测到.这是在斯坦福大学线性加速器的BaBar检测器做出来的（美国、英国、德国、加拿大、中国、俄国、法国、意大利、挪威九个国家，73个机构，600多个人，一千二百吨重）.B介子和反B介子比质子重5倍，瞬间存在（10^－12秒），BaBar上观测到了B介子和反B介子的差别.费米实验室、日本国家高能加速研究实验室也有类似发现.为什么在弱相互作用中会有CP破坏，为什么CP破坏的部分只占千分之二，CP破坏的机理，是现代物理研究的重要课题之一.还有一个更联合的守恒：CPT守恒，即在正反粒子变换、空间反射变换、时间反演变换的联合作用之下，满足因果关系和自旋统计关系的点粒子的运动规律是不变的.

在微观粒子的弱相互作用中，空间反演不变，时间反演不变和正负电荷反演不变不再成立.杨振宁（C.N.Yang）讲：“宇称不守恒难以发现的原因有三个方面.第一，一般认为几何的对称是无条件的、绝对的，原子、分子和核物理中的空间——时间对称的精确性使这一观念更加强烈.第二，宇称选择规则，在核物理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β衰变中借助于宇称选择原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.第三，宇称仅在弱相互作用中不守恒的观念当时尚未诞生.”这段话充分说明了对称的绝对性与相对性原理的正确性，因为根据诺特定理宇称不守恒意味着镜像不对称.美国人詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇又发现Ｋ介子衰变过程违背宇称和电荷联合对称法则.对称、破缺与美的关系从信息观点看就是：形象所包含的信息太多或太少都不美，对称减少信息，破缺增加信息.巧妙地搭配二者，恰到好处就是美.例如连续对称的自发破缺伴随出现Goldstone粒子，零质量的规范场量子“吃”掉了场量子而带有质量，即Higgs场，因入的非阿贝尔规范场在理论上成功地解决了规范场量子的质量问题、重正化问题，而且在此基础上统一了弱相互作用和电磁相互作用，解释了电磁作用的长程性和弱相互作用的短程性，但是Higgs粒子尚未观察到，目前建造更大的加速器的主要目的就是为了发现Higgs粒子.由于时间、宇称和电荷作为一个整体被认为应该守恒，物理学家们曾猜想说，时间在特定情况下会违背对称性.欧洲核子中心的成果首次证实了这一猜想.