非常有意思的一种叫做宇称不守恒的物理现象，让好多物理概念跟数学理论构建起了深刻关联，不同的物理思想以及理论在这种物理现象里面被连接成了一个整体。笔者会于本文当中阐释一种相对简单并且容易理解的理解宇称不守恒的方法，还会阐述出这一物理现象背后内涵深刻的物理思想。关于这一主题的叙述，咱们将从诺特定理会开叙述，还有粒子的宇称与它的软弱无能用进行展开叙述，以及中微子的自转方式和宇称不守恒来一块儿完整叙述此内容此内容。
第一章：诺特定理——对称与守恒的交响曲
一个看起来十分平凡，却在物理学中至关重要的数学定理，也就是诺特定理，与"宇称"这一基本物理概念的提出有着密切关联。在介绍这个定理之前，我们先来了解一下那些基本的物理学概念，比如量子数和对称性 。
在我们身处的这个信息化程度极高的时代里，每个人都被给予了诸多各异的 “身份标签”，像姓名，指纹，长相，国籍，学历，宗教信仰等等。借助这些身份层面的标签，我们能够区分每一个不一样的人，所以可以讲如今我们置身于一个高度标签化的时代之中。
图一：每个人都被附上专属自己的标签
在其他生命体那里，同样存在这样的标签，生物学特意为区分各异的物种构建了分类系统，即“界、门、纲、目、科、属、种”，另外，“生物分类学”是专门用以寻觅能够区分不同物种的“身份标签”的学科。
如果所有的生命都存在着自身所特有的标签，那么那些并非具有生命形态的物体又该如何界定呢？也就是说，在处于粒子尺度范畴的微观世界里面，微观粒子其所谓的“身份标签”究竟具备哪些内容呢？
当人类具备探索微观基本粒子世界这件事之能力物业经理人，此时间为19世纪中后期，人们发觉，微观世界里基本粒子的种类是丰富多样的，像我们听闻过的原子，中子，质子，电子，夸克等等之类。于物理学范畴中，每一个用作区分不同粒子的那个“身份标签”，全被叫作量子数，（ ）呵。量子数的种类极为繁多，涵盖读者们熟知的质量，电荷，寿命，还有许多读者不太了解的基本粒子的自旋，宇称，轻子数等。这些量子数皆能够在实验期间被精准地测定。
图二：不同基本粒子也有不同的标签
我们今日所要介绍的“宇称”，亦是那被用于标识基本粒子身份的“标签”中的一种，每一种基本粒子皆存有宇称以做区分，其记做 π ，它仅仅取 ±1 这两个值，而其符号能够经由具体的实验予以确定。
那么，被称作“宇称”的这种量子数，是通过怎样的方式被发现的呢，它又具备怎样的魅力物理学家量子杨振宁，致使物理学界对其予以高度重视呢？
这里，我们须得提及一位德国女物理学家以及数学家，她在二十世纪的物理学和数学领域声誉颇高，名叫艾米·诺特（Emmy ，1882－1935）。她所提出的诺特定理，揭示了物理系统对称性与守恒量当中的深刻联系，该定理在现代物理学里占据着核心地位。
图三：艾米·诺特。图片来自网络
某个物理系统里，要是察觉到该系统存有某种对称性，那么必然会有一个与之对应的物理量，这个物理量于该系统而言是个守恒量，其依据的就是诺特定理，也就是说物理系统的对称性跟守恒量呈现出一一对应的关系 。
或许有些读者看到此处依旧会觉得迷茫，所以我们试着借助一些简单的例子去领会诺特定理。我们在念中学的时候学过能量守恒定律以及动量守恒定律，晓得于宇宙里能量与动量皆是守恒量。诺特女士发觉，这些守恒量均对应某一种对称性，也就是在物理系统具备某种与之相对应的对称关系。
那么，要怎么简便地去领会物理系统的“对称性”呢？举个例子，整个宇宙就是充满我们的完整物理系统，在这个物理系统里，全部物理定律都不会因时间改变而产生变化，就如牛顿时代所发现的牛顿定律跟如今我们看到的牛顿定律在形式上是一样的，这样的关系便是对称性，也就是不变性（）。我们身处的这个物理系统具备“时间对称性”，依据诺特定理，这种“时间对称性”必然对应系统里的一种守恒量，该守恒量被发现是能量 。于是，能量守恒定律具备了更为深刻的物理思想，它呈现为一种系统的对称性，是这种体现 。
图四：诺特定理恰似鹊桥那般，使得处于天各一方的两个角色，守恒量（牛郎）以及对称性（织女），二者合二为一 。
宇宙当中存在这样一个例子，物理定律在地球上也好，在其他任何地方也罢，都是普遍适用的。就像牛顿第二定律物理学家量子杨振宁，它的表现形式，不受地球上或者月亮上这些空间位置的改变而改变，不会因空间位置的变动，而出现表达上的变化，这种情况同样属于一种“对称性”，而这种特性进一步表明，物理定律在空间位置方面呈现出对称的性质。依据诺特定律，这种对称必然对应着系统之中的某一种守恒量，而这个守恒量经过发现，就是动量。拥有亲密关系的能量守恒与时间对称，以及动量守恒和空间对称，它们之间的关系都能够借助数学严密进行计算得出，（小编注：可参考文献的第20章）。
笔者注明，在物理系统里，所有物理定律皆借由数学方程予以表达，像牛顿力学存在牛顿第二定律，电磁学有麦克斯韦方程等情形，这些数学方程均含有自变量，诸如时间变量或者空间变量。对于对称性更为严谨的表述是，当这些自变量产生某种变换时（比如空间位置的平移，时间的平移），描绘此系统的方程形式维持不变（方程的协变性），此刻我们便称这个物理系统在这种变换下具备对称性。对于诺特定理需明确，也就是讲，系统体现出的一种对称性定是对应于系统当中存在的一种守恒量，于这个具体例子里头，时间所具备的平移对称性对应着系统的能量守恒，在空间方面的平移对称性对应着系统的动量守恒。
诺特定理在数学领域被予以了十分严格的证明，不过数学家们对它并未予以太多重视，然而对于物理学来讲，它具备更深层次极为重要的意义以及相当大的启发性 ，借助诺特定理我们得以了解到，我们于物理学里着手研究的诸多守恒的物理量，其本质上全然是物理系统自身所拥有的某种对称性的一种具体呈现 ，反过来进行思索，倘若我们能够寻觅到物理系统的一种全新的对称性，那么依据诺特定理，我们便能够找寻到系统的一种全新的守恒的物理量。也是因为这个原因，诺特成为了现代理论物理学的鼻祖之一。
自二十世纪中叶起始，物理学家于诺特定理的启发以及指导之下，依据物理系统各异的对称性，找到了逐个的新的物理量，由此基本粒子物理学蓬勃地发展着，开启了物理学发展的全新纪元。以下的图表以及链接文章给出了部分对称性与守恒量一一对应的关系以及理论推导。
第二章：宇称与弱相互作用
我们回到所要讨论的主题：“宇称”。
我们已然晓得它属于一种基本粒子的“量子数”，那么它的定义究竟是什么呢？事实上，在基本粒子的研究范畴，诸多“量子数”是于诺特定理的启发以及指导之下所寻得的守恒量，其中亦包含我们即将予以介绍的“宇称”。
那个在上的图就是我们于中学阶段学习过的小孔成像图，它能够把已知的图像做360度的大幅度旋转，旋转前与旋转后的世界完全是颠倒翻转的，这种把空间位置彻底翻转过来的变换便是宇称变换，我们暂且把它称作“空间翻转变化”。物理学家发觉，基本粒子的物理系统在如此的翻转变换下具备对称性，也就是说，翻转后的世界里有着和翻转前的世界一样的物理定律。这毫无疑问同样是一种对称性，所以依据诺特定律，如此这般的对称性对应于该系统的一种守恒量，物理学家把它命名为宇称。回想一下第一章所提及的内容，每一种基本粒子都存在宇称，被标记成 π ，这宇称仅仅取 ±1 这两个数值，究竟是正是负能够通过实验来予以确定（小编注：人们出于便利的缘故，取值 -1 又被称作左旋，取值 +1 称作右旋） 。
物理学家发现宇称这一物理量后，从物理直观作判断，宇称应在基本粒子物理系统里保持守恒，因这些物理系统似乎都该遵守上述“空间翻转变换”的对称性。然而在1956年，两位中国物理学家杨振宁与李政道首先于理论上提出，在弱相互作用的基本粒子反应中，宇称可能不守恒。一年后此猜测才被实验证实，杨振宁和李政道的这一工作成就了华人科学家首次获得诺贝尔奖，对当代物理学的发展也产生了深远影响。
宇称不守恒究竟是怎样的一种状况呢？，我们来先对那些涉及微观粒子相互产生作用的物理系统去做一番认识 ，。
在微观的世界当中，基本粒子（像质子，电子这样的）之间，常常会出现碰撞，散射以及衰变等粒子反应，在这些反应发生之前和之后，粒子的种类会产生变化，致使这些粒子反应的物理机制，就是这些粒子之间的相互作用，在我们之前有的科普作品里面，我们已然介绍了粒子之间的相互作用分成引力，电磁，强，弱这四种类型，这些相互任用本质上是不一样的基本力，譬如引力和电磁力：
图七：四大基本相互作用
基本粒子的反应是在微观世界里，在这个微观世界中，引力是比较微弱的，所以主要发挥作用的是后三种相互作用。我们要讲的正是有弱相互作用参与其中的基本粒子反应，李政道和杨振宁在整理之前所做的研究工作之际发现，好像并没有直接的实验证据能够去证实，在存在弱相互作用参与的粒子反应当中，宇称应该在反应前后维持守恒。凭借那时的“θ - τ疑难”，（小编注：针对θ、τ这俩量子数全然一样的粒子，竟出现了两种迥异的衰变情况），他们给出了一个推测，推测的内容是在基本粒子经历弱相互作用反应时，宇称存在不守恒的可能性，结果在一年后的1957年，有另一位身为物理学家的华人吴健雄（小编注：别被这颇具气势的名字唬住，吴健雄是位女性物理学家），借助β衰变实验证实了这一推测。β衰变是一种相当知名的基本粒子反应，其形式如下：
其中 n 是中子，p 是质子， e 是电子，
有一种中微子，它被称作反电子中微子。简单来讲，β衰变是这样一种情况，即一个中子会自行消失，接着“转变为”一个质子，一个电子以及一个中微子。β衰变属于现代物理学里极为重要的粒子反应之一，在这个反应进行的过程中，宇称被证明是不守恒的。依据诺特定律能够知道，这个粒子反应所处的物理系统不具备空间的翻转不变对称性。
那么，到底是何种缘由致使这种对称性被破坏了呢？实际上，关键的缘由在于，反应所产生的中微子 。
鉴于中微子具备的自旋特性，在进一步将这一自然神秘面纱揭开以前，我们得先弄清楚中微子究竟是什么，自旋到底是什么，还有中微子自旋呈现着怎样的特点。
第三章：中微子——宇称不守恒之谜的钥匙
我们已经知道
是一种中微子。那中微子是什么呢？
中微子是当代科学里的明星粒子，它的好些神奇特性引发了实验物理学家的高度留意，也引起了理论物理学家的高度关注，中微子具备。
三种不同的类型（如果包括反粒子
便一共有六种）。我们简单罗列部分目前对中微子的了解：
中微子属于一种“轻子”，它是基本粒子的一种类别，按照其名称含义，它们的质量全都相对而言很轻，而且在粒子反应里仅仅参与弱相互作用，却不参与强相互作用。
中微子，常被物理学家视作“幽灵粒子”，它不会衰变成别的粒子，寿命是无穷大，穿透力非常强，能持续不间断地维持（接近）光速的运动，和其他粒子的反应极度微弱，能够“来无影去无踪”，很难被直接捕捉到 。
3）中微子质量之谜，在漫长的历史进程里，物理学家秉持中微子没有质量的观点，然而，有关中微子质量的诸多问题，始终是粒子物理学界争论的核心要点。上世纪，“中微子振荡”现象被发觉，致使诸多物理学家认定中微子有质量，只是鉴于篇幅所限，本文暂且不进行这方面的探讨；。
图九：神奇的中微子
4）中微子存在着另外一种神奇的特质 ，即它们全都是“单自旋”粒子 。之前我们已然提及 ，自旋是基本粒子的别样量子数 。读者能够暂且将自旋理解成粒子于运动进程里的一种“自我内在的转动” 。我们借助像下面这样的小图纸以电子的自旋来阐释这种特性 。
对于基本粒子来讲，自旋是一种相当重要的性质，每一种基本粒子都存在一个对应自旋的值。需要着重指出的是，自旋并非粒子如同上图所呈现那般在做“自转”—— 自旋不是一种运动状态，而是微观粒子所具备的内在属性，恰似质量、电荷量这些物理量一样的，是物质生来就有的。现代物理学已然构建了这种自旋值的计算方式，不过鉴于展现出的一些性质类似于其在“自转”运动，我们暂且能够用上图标示来描绘这种粒子的内在属性。
粒子运动方向固定之后，我们得以看到，粒子存在两种不一样的旋转方式，一种是朝着“左”方旋转，另一种是朝着“右”方旋转，这两种旋转方式分别以左旋以及右旋来加以标记，并且在进行计算之际，用正数表示右旋，用负数表示左旋。多数基本粒子具备左右两种不同的自旋取值，像电子、质子以及中子的自旋皆是如此：
然而，中微子别具一格，于实验里所观测到的中微子全都是左旋的，即其取值为 -1，反之中微子全都是右旋的——取值为 +1，人们从来未曾发现过左旋的反中微子，同时也没有发现过右旋的中微子。
缘何中微子会呈现出“搞特殊化”这种情况呢，这事实上是一个尚未得到解决的谜题，主流学界存在两种不同的解释，。
1）中微子属于那种被称作“马约拉纳粒子”的粒子，这种粒子的自旋不存在左右的差异，其右旋与此同时也就是左旋，按照这样的观点来讲，中微子是能够拥有质量的。
2）中微子具有自旋单一取向这一自身特点，中微子的左旋性表明它以光速运动，且几乎无质量 。
笔者注，我们能够去做一个简易的思维实验，要是中微子的运动速度显著地慢于光速 ，那么便能够在运动着的中微子的前面以及后面分别测定它的自旋 ，这两个自旋明显是相反的方向 ，更简便地讲 ，我们能够设定两个观测的视线方向 ，分别在一个运动中的中微子的前面放置以及在其后面放置 ，那么这两个视线方向所观测到的自旋方向就是相反的 。中微子在实验里仅仅能够测出单向自旋 ，那么就能够客观地去猜测 ，中微子仅仅能够以光速运动 。
笔者将不同著作的讨论进行综合，在此情形下倾向于第二种观点，并且期望能与读者探讨交流以实现学习目的。持有这种观点还存在另一个缘由，而此缘由正是我们今天要展开讨论的内容，即中微子的单自旋性和弱相互作用里的“宇称不守恒”紧密相连，简要来讲，。
中微子的单自旋性是导致粒子反应中宇称不守恒的重要原因
在我们前文针对诺特定理展开的讨论里能得知，所说的“宇称守恒”，其实就是物理系统具备“空间翻转不变性”的一种呈现；而在粒子反应当中出现了宇称不守恒的状况，由此能够晓得，在该粒子反应的进程里，参与反应的粒子的宇称的某些特性会对“空间翻转不变性”造成破坏。这些存在弱相互作用的粒子反应多数都有中微子参与反应（就像上述的β衰变那样），中微子的单向自旋性会将这种对称性予以破坏，致使粒子反应前后宇称不守恒。于是能够看出。
中微子自旋的单向性不具有“空间翻转对称性“
简单来讲，要是给中微子施加空间翻转变换 的话，那么左旋的中微子在翻转之后就变成了所谓“右旋的中微子”，而后者在实验当中从来都没有被观测到过。中微子具有单向自旋性的观点觉得后者压根就不存在，所以说中微子的出现致使该系统并不具备“空间翻转对称性”，故而该系统里宇称也是不守恒的。以β衰变作为例子，反电子中微子。
的出现是导致宇称守恒被破坏的重要原因。
我们作如下简单小结：
在物理系统里，守恒的物理量乃是该系统具备某种对称性的一种呈现，粒子反应进程中宇称维持守恒，就是该系统拥“空间翻转对称性”（“宇称变换对称性”）的一种呈现。中微子是一种唯有参与弱相互作用的微观粒子，它拥有自旋的单向性，会对这种“空间翻转对称性”造成破坏，致使反应前后宇称不守恒。在以β衰变为实例的弱相互作用的粒子反应中，反电子中微子，。
的出现是导致宇称守恒被破坏的原因。
笔者随后补充记录，关于宇称不守恒存在诸多饶有兴味的论点，其中有一个令笔者记忆深刻，其内容为 “宇称不守恒所表述的是，能够界定绝对的左右，这是极为令人惊叹之事”（此乃杨振宁所言） 。简而言之，左与右这两种方向的差异，实际上是人们的先入之见所构成的定义，从概念角度而言极难加以区分。倘若人类与外星人展开无线电通讯交流，外星人询问 “地球的左和右是依据什么来区分的？” ，而后人类回应 “左手所在的方向即为左边，右手所在的方向便是右边” ，如此便犯了循环论证的错误。然而，宇称不守恒这一物理现象被发现了，这使得人类首次具有了从客观物理现象出发去定义区分左与右的可能性。就像我们在文中阐述的那样，中微子具有单自旋特点，这让我们能够直接将这种自旋方向界定为左旋，此定义并非以人的主观概念为先入之见，并且在宇宙任何地方都适用，外星人也能够理解。