对称性与守恒定律

电荷守恒(electric-charge conservation)

拿气球在头发上摩擦,它就带上了电荷——但这电荷不是凭空造出来的,而是从头发上蹭下来的,于是头发带上了相反的电荷。房间里电荷的总量并没有改变。这就是电荷守恒,它是全部物理学中最坚不可摧的规则之一:在任何过程里,你一开始拥有的总电荷都等于结束时的总电荷。

电荷分正负,相加时像一张资产负债表,正负会部分抵消。在一次粒子反应里,你把进来的一切和出去的一切的电荷各自加总,两个总和必须分毫不差地相等。关键在于,电荷仍然可以以粒子形式出现和消失——一个高能光子(电荷为零)可以变成一个电子(电荷 -1)和一个正电子(电荷 +1),看似从光里造出了电荷。但新生的电荷大小相等、符号相反,所以总和依然为零,和之前一样。你绝不可能造出一个没有伙伴的孤立电荷。

就所有测量而言,电荷守恒是严格成立的,而且它直接编织进了电磁学理论:根据诺特定理,它来自电磁场的一种深层对称性。还有一个漂亮的推论——因为电荷永远不会消失,所以最轻的带电粒子,也就是电子,永远不会衰变。根本没有更轻的东西能承接它的电荷,所以它必定永生。实验证实电子是稳定的,其寿命远远超过宇宙的年龄。

在贝塔衰变中,一个中子(电荷 0)变成一个质子(+1)、一个电子(-1)和一个反中微子(0)。衰变后的电荷相加是 +1 减 1 加 0,等于 0——正是我们一开始的中性电荷。

中子衰变成对地产生电荷,总量始终保持为零。

电荷守恒是严格的,且与一种规范对称性相连,这使它比重子数或轻子数那类只是观测到、并未有深层保证的规则更为牢靠。它正是电子绝对稳定的原因。

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