对称性与守恒定律

对称性与守恒定律是粒子物理学和核物理学的组织原则，它们将自然的各种不变性与守恒量以及基本力的结构联系起来。

Definition

对称性与守恒定律是指物理定律在某种变换下不变性意味着存在一个守恒量的原则；连续对称性产生能量、动量和电荷的守恒，而离散和内禀对称性则支配着粒子的分类和允许的跃迁。

Scope

本领域涵盖了诺特定理所体现的对称性与守恒之间的深层联系、产生基本相互作用的规范对称性，以及电荷共轭、宇称和时间反演的离散对称性。它讨论了弱相互作用中宇称和电荷-宇称联合对称性的惊人破缺、CPT定理，以及诸如同位旋和味等分类强子的近似对称性。

Sub-topics

• CP破坏
• 离散对称性：C、P和T
• 规范对称性与诺特定理
• 同位旋和味对称

Core questions

• 自然的每种连续对称性如何对应一个守恒量？
• 规范对称性如何决定基本相互作用的形式？
• 为什么弱相互作用会破坏宇称，甚至联合电荷-宇称对称性？
• 哪些近似对称性组织了强子的谱？

Key concepts

• 连续对称性和离散对称性
• 诺特定理
• 规范对称性
• 电荷共轭、宇称和时间反演
• CPT定理
• 同位旋和味对称性

Key theories

诺特定理

诺特证明，物理系统作用量的每一个连续对称性都对应一个守恒量，将时间平移与能量联系起来，空间平移与动量联系起来，内禀相位对称性与电荷联系起来。

弱相互作用中的宇称破缺

吴健雄及其合作者的实验表明，β衰变区分左右，证明弱相互作用不守恒宇称，这与长期以来的假设相反。

Clinical relevance

对称性原理决定了哪些粒子反应和衰变是允许的或被禁止的，支撑着标准模型的整个规范结构，而观测到的电荷-宇称联合对称性的微小破缺是解释宇宙中物质多于反物质的关键因素。

History

埃米·诺特于1918年确立了对称性与守恒之间的基本联系，对称性成为20世纪物理学的核心组织原则。李政道和杨振宁提出并由吴健雄于1957年证实的弱相互作用中宇称破缺的发现，推翻了镜像对称性的假设，而后来观测到的电荷-宇称破缺则深化了离散对称性在粒子物理学中的作用。

Key figures

• Emmy Noether
• Chien-Shiung Wu
• Tsung-Dao Lee
• Chen-Ning Yang

Seminal works

• noether1918
• wu1957

Frequently asked questions

诺特定理说了什么？

诺特定理指出，物理系统的每一个连续对称性都对应一个守恒量。例如，物理学在时间平移下的不变性意味着能量守恒，而在空间平移下的不变性意味着动量守恒。

自然界的所有对称性都是精确的吗？

不是。有些对称性是精确的，例如联合CPT对称性，而另一些则只是近似的或被破坏的。弱相互作用破坏宇称和联合电荷-宇称对称性，而同位旋只是强相互作用的近似对称性。