对称性与守恒定律

电荷共轭(C,charge conjugation)

/ see (the letter C) /

设想有一个神奇按钮,把每个粒子都换成它的反粒子:每个电子变成正电子,每个质子变成反质子,每个夸克变成反夸克,同时让其他一切——位置、运动、自旋——原封不动。这种交换叫做电荷共轭,用字母 C 表示。它翻转电荷的符号,也翻转每一个区分粒子与反粒子的标号,把一个由物质构成的世界变成一个由反物质构成的世界。

如果物理规律在交换后的世界里与在我们这里表现得完全一样,C 就是一个对称性。对于电磁力和强相互作用,这在极高精度上成立:一个完全由反物质搭建的实验,会遵从与物质版本相同的电学规则和核结合规则。你可以把 C 理解为在问:'如果我用反粒子重新搭建整个过程,它会以同样的方式展开吗?'对于物理学的大部分内容,诚实的回答是:会。

但弱相互作用公然破坏 C 对称性,这是二十世纪物理学真正令人惊讶的发现之一。弱相互作用对物质和反物质区别对待——比方说,它产生的中微子总是朝一个方向自旋,而它们的反中微子镜像则朝另一个方向自旋,所以单单把粒子换成反粒子,并不会给出一个弱相互作用允许的过程。因此 C 不是一条严格的自然律。物理学家通常把它与宇称(镜像翻转)配成组合的 CP,弱相互作用对 CP 的尊重要紧密得多,不过即便 CP 也被轻微破坏——这条线索或许与宇宙为何含有物质有关。

光子是自己的反粒子,所以在 C 下它仍是光子——它是 C 的本征态;物理学家说它的本征值为 C = -1,意思是光子的状态在 C 下要乘上一个负号(若为 C = +1 才是真正保持不变)。仅这一事实就禁止 C = +1 的中性 π 介子主要衰变成三个光子而非两个——电磁学的 C 对称性直接内建进了这个预言。

电磁学的 C 对称性决定了哪些光子衰变是允许的。

C 不是自然界的严格对称性:弱相互作用强烈地破坏它。只有 CPT 这个组合被认为是严格的,所以不要以为把物质换成反物质总能让物理保持不变。

又称
C symmetryC电荷共轭对称電荷共軛對稱