选择定则(selection rules)
在你能想到写下来的所有反应中,大多数从不发生。一个重粒子原则上有数不清的更轻组合可以衰变成,可它只挑其中寥寥几种,对其余的完全置之不理。选择定则就是关于自然允许哪些过程、禁止哪些过程的实用速记。它们是把门人,在你还没算出被允许的过程有多大可能之前,就先说'这个衰变允许,那个不允许'。
选择定则不过是把守恒律和对称性当作一张核对清单来用。一个过程要能发生,所有守恒量的总和必须在两边相等:能量、动量、角动量、电荷、重子数、轻子数,以及——对相关的力而言——味量子数和分立的宇称。只要其中任何一项不平衡,这个反应就被严格禁止,无论你供给多少能量。若一切都平衡,反应就被允许(尽管它仍可能因别的原因而罕见)。例如,会改变总电荷的过程绝对被禁止;会改变奇异数的过程对强相互作用被禁止,但对弱相互作用被允许。
选择定则是抽象的对称性原理在实验室里兑现为日常预言的方式。它们解释了为什么某个粒子有它特定的衰变产物而非别的,以及为什么有些衰变快(强相互作用满足所有规则),有些慢(它们需要弱相互作用,因为必须改变某个味)。它们还有程度之分:像电荷守恒那样铁板钉钉的规则永不能被打破,而与近似对称性相连的'近似'选择定则可以偶尔被违反,产生罕见但真实的衰变。一旦发现某个过程打破了一条本应严格的选择定则,那将是新物理的发现。
一个中性 π 介子(不含奇夸克,奇异数为 0)在极短的一瞬里衰变成两个光子,因为快速的强相互作用和电磁力能办到。一个中性 K 介子(奇异数为 1)活得久上数十亿倍,因为它的衰变必须改变奇异数——这对强相互作用被禁止,于是它只能等候缓慢的弱相互作用。
一个衰变需要哪种力决定了它的快慢,而选择定则决定了哪种力能办到。
选择定则说的是一个过程允不允许,而非它发生得多频繁——一个被允许的衰变仍可能因动力学原因而罕见。而'被禁止'的牢靠程度,只取决于其背后的对称性:近似对称性给出可以弯折的规则,严格对称性给出绝对成立的规则。