對稱性與守恆定律

電荷守恆(electric-charge conservation)

拿氣球在頭髮上摩擦,它就帶上了電荷——但這電荷不是憑空造出來的,而是從頭髮上蹭下來的,於是頭髮帶上了相反的電荷。房間裡電荷的總量並沒有改變。這就是電荷守恆,它是全部物理學中最堅不可摧的規則之一:在任何過程裡,你一開始擁有的總電荷都等於結束時的總電荷。

電荷分正負,相加時像一張資產負債表,正負會部分抵消。在一次粒子反應裡,你把進來的一切和出去的一切的電荷各自加總,兩個總和必須分毫不差地相等。關鍵在於,電荷仍然可以以粒子形式出現和消失——一個高能光子(電荷為零)可以變成一個電子(電荷 -1)和一個正電子(電荷 +1),看似從光裡造出了電荷。但新生的電荷大小相等、符號相反,所以總和依然為零,和之前一樣。你絕不可能造出一個沒有夥伴的孤立電荷。

就所有測量而言,電荷守恆是嚴格成立的,而且它直接編織進了電磁學理論:根據諾特定理,它來自電磁場的一種深層對稱性。還有一個漂亮的推論——因為電荷永遠不會消失,所以最輕的帶電粒子,也就是電子,永遠不會衰變。根本沒有更輕的東西能承接它的電荷,所以它必定永生。實驗證實電子是穩定的,其壽命遠遠超過宇宙的年齡。

在貝塔衰變中,一個中子(電荷 0)變成一個質子(+1)、一個電子(-1)和一個反微中子(0)。衰變後的電荷相加是 +1 減 1 加 0,等於 0——正是我們一開始的中性電荷。

中子衰變成對地產生電荷,總量始終保持為零。

電荷守恆是嚴格的,且與一種規範對稱性相連,這使它比重子數或輕子數那類只是觀測到、並未有深層保證的規則更為牢靠。它正是電子絕對穩定的原因。

又稱
charge conservationconservation of charge电荷守恒電荷守恆