對稱性與守恆定律

選擇定則(selection rules)

在你能想到寫下來的所有反應中,大多數從不發生。一個重粒子原則上有數不清的更輕組合可以衰變成,可它只挑其中寥寥幾種,對其餘的完全置之不理。選擇定則就是關於自然允許哪些過程、禁止哪些過程的實用速記。它們是把門人,在你還沒算出被允許的過程有多大可能之前,就先說「這個衰變允許,那個不允許」。

選擇定則不過是把守恆律和對稱性當作一張核對清單來用。一個過程要能發生,所有守恆量的總和必須在兩邊相等:能量、動量、角動量、電荷、重子數、輕子數,以及——對相關的力而言——味量子數和分立的宇稱。只要其中任何一項不平衡,這個反應就被嚴格禁止,無論你供給多少能量。若一切都平衡,反應就被允許(儘管它仍可能因別的原因而罕見)。例如,會改變總電荷的過程絕對被禁止;會改變奇異數的過程對強交互作用被禁止,但對弱交互作用被允許。

選擇定則是抽象的對稱性原理在實驗室裡兌現為日常預言的方式。它們解釋了為什麼某個粒子有它特定的衰變產物而非別的,以及為什麼有些衰變快(強交互作用滿足所有規則),有些慢(它們需要弱交互作用,因為必須改變某個味)。它們還有程度之分:像電荷守恆那樣鐵板釘釘的規則永不能被打破,而與近似對稱性相連的「近似」選擇定則可以偶爾被違反,產生罕見但真實的衰變。一旦發現某個過程打破了一條本應嚴格的選擇定則,那將是新物理的發現。

一個中性 π 介子(不含奇夸克,奇異數為 0)在極短的一瞬裡衰變成兩個光子,因為快速的強交互作用和電磁力能辦到。一個中性 K 介子(奇異數為 1)活得久上數十億倍,因為它的衰變必須改變奇異數——這對強交互作用被禁止,於是它只能等候緩慢的弱交互作用。

一個衰變需要哪種力決定了它的快慢,而選擇定則決定了哪種力能辦到。

選擇定則說的是一個過程允不允許,而非它發生得多頻繁——一個被允許的衰變仍可能因動力學原因而罕見。而「被禁止」的牢靠程度,只取決於其背後的對稱性:近似對稱性給出可以彎折的規則,嚴格對稱性給出絕對成立的規則。

又稱
selection rule选择规则選擇法則