電荷共軛(C,charge conjugation)
/ see (the letter C) /
設想有一個神奇按鈕,把每個粒子都換成它的反粒子:每個電子變成正電子,每個質子變成反質子,每個夸克變成反夸克,同時讓其他一切——位置、運動、自旋——原封不動。這種交換叫做電荷共軛,用字母 C 表示。它翻轉電荷的符號,也翻轉每一個區分粒子與反粒子的標號,把一個由物質構成的世界變成一個由反物質構成的世界。
如果物理規律在交換後的世界裡與在我們這裡表現得完全一樣,C 就是一個對稱性。對於電磁力和強交互作用,這在極高精度上成立:一個完全由反物質搭建的實驗,會遵從與物質版本相同的電學規則和核結合規則。你可以把 C 理解為在問:「如果我用反粒子重新搭建整個過程,它會以同樣的方式展開嗎?」對於物理學的大部分內容,誠實的回答是:會。
但弱交互作用公然破壞 C 對稱性,這是二十世紀物理學真正令人驚訝的發現之一。弱交互作用對物質和反物質區別對待——比方說,它產生的微中子總是朝一個方向自旋,而它們的反微中子鏡像則朝另一個方向自旋,所以單單把粒子換成反粒子,並不會給出一個弱交互作用允許的過程。因此 C 不是一條嚴格的自然律。物理學家通常把它與宇稱(鏡像翻轉)配成組合的 CP,弱交互作用對 CP 的尊重要緊密得多,不過即便 CP 也被輕微破壞——這條線索或許與宇宙為何含有物質有關。
光子是自己的反粒子,所以在 C 下它仍是光子——它是 C 的本徵態;物理學家說它的本徵值為 C = -1,意思是光子的狀態在 C 下要乘上一個負號(若為 C = +1 才是真正保持不變)。僅這一事實就禁止 C = +1 的中性 π 介子主要衰變成三個光子而非兩個——電磁學的 C 對稱性直接內建進了這個預言。
電磁學的 C 對稱性決定了哪些光子衰變是允許的。
C 不是自然界的嚴格對稱性:弱交互作用強烈地破壞它。只有 CPT 這個組合被認為是嚴格的,所以不要以為把物質換成反物質總能讓物理保持不變。