關於對稱性和守恆定律的研究一直是物理學中的一個重要領域，對稱性與守恆定律的本質和它們之間的關係一直是人們研究的重要內容。

什麼是對稱性呢？我們可以簡單地理解為如果你對一個物體進行某些操作，在這些操作完成之後，它看起來和之前是一樣的，那麼這個物體就是對稱的。例如，球體是完全對稱的：無論你朝哪個方向轉動球體，它看起來都是一樣的。同樣地，對稱性也普遍存在於物理學定律中：物理方程在時間或空間的不同位置不會改，對稱現象是物質世界某種本質和內在規律的體現。

而什麼是守恆定律呢？守恆定律就是指在自然界中某種物理量的值恆定不變的規律。 物理定律的守恆性具有極其重要的意義，有了這些守恆定律，自然界的變化就呈現出一種簡單、和諧、對稱的關係，也就變得易於理解了。所以物理學家都迫切希望整個世界都遵循守恆性

1918年，“代數女皇”艾米·諾特發表了論文Invariante Variationsprobleme，她在論文中證明了諾特定理。諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克說：“諾特定理一直是20世紀和21世紀物理學的指路明燈。”

而在諾特定理中，諾特首次發現了物理學中守恆定律和對稱性這兩個重要概念之間的聯絡。諾特定理宣稱，每一個這樣的對稱性都有一個相關的守恆定律，反之亦然。

所以能量守恆對應時間平移不變性

，

動量守恆對應空間平移不變性

，

角動量守恆對應於旋轉不變性

。

而這個時候，物理學家提出了一個非常簡單的問題，假如說一個人站在鏡子面前，鏡子裡的你肯定是左右顛倒的，那麼如果說你動一下左腿，其實鏡子裡的你是動了一下右腿，那麼假如我左腿踢了一下足球，鏡子裡的就是右腿踢了一下足球。

物理學家就提出了疑問，鏡子裡的你踢足球的時候是否和你一樣滿足牛頓運動定律，如果也滿足牛頓運動定律，那我們按照定義就可以說牛頓運動定律在鏡面反射對稱下具有不變性，稱之為宇稱不變性。而按照牛頓運動定律發生的過程嚴格宇稱守恆。所謂“宇稱”，粗略的說，可理解為“左右對稱”或“左右交換”。

映象反射

所以在 1926 年，物理學家提出了宇稱守恆定律，並且把對稱和守恆定律的關係由經典力學進一步推廣到微觀世界。在微觀世界“宇稱守恆”就是指一個基本粒子與它的“映象”粒子完全對稱。

就和人照鏡子一樣，鏡中的影像和真實的自己除了左右顛倒之外包括容貌、裝扮、表情和動作都是一樣的。同樣，一個基本粒子與它的“映象”粒子的所有性質也完全相同，除自旋方向外它們的運動規律也完全一致，具有完全相同的性質。

而當物理研究由經典力學深入到微觀領域，物理學家發現在四大基本相互作用力裡，電磁力、引力、強力的物理規律都具有宇稱不變性，由它們支配的過程都宇稱守恆。

宇稱守恆都符合粒子的三個基本的對稱方式：

1、

一個是粒子和反粒子互相對稱，即對於粒子和反粒子，定律是相同的，這被稱為電荷（C）對稱。

2、

一個是空間反射對稱，即同一種粒子之間互為映象，它們的運動規律是相同的，這叫宇稱（P）。

3、

一個是時間反演對稱，即如果我們顛倒粒子的運動方向，粒子的運動是相同的，這被稱為時間（T）對稱。

而為了描述這種對稱性質，物理上把微觀粒子分成兩類，一類宇稱為正（+1），一類宇稱為負（-1），也可稱作奇偶，一個系統的總宇稱，就等於系統內所有粒子宇稱的乘積。而一個系統無論如何變化，不管是分裂出新粒子，還是結合成新粒子，系統變化前後的總宇稱保持不變。

我們知道，現代物理將物質間的相互作用力分為四種：引力、電磁力、強力和弱力。在強力、電磁力和引力作用的環境中，宇稱守恆理論都得到了很好的驗證：正如我們通常認為的那樣，粒子在這三種環境下表現出了絕對的、無條件的對稱。

所以科學家們自然而然也就認為弱力也對稱守恆，弱力它只作用於電子、夸克層子、 中微子等費米子，並制約著放射性現象。而對諸如光子、引子等 玻色子不起作用。弱力的作用距離比強力更短，作用力的強度也比強力小得多，但在放射現象中起重要作用，β衰變中放出電子和中微子，電子和中微子之間只有弱力作用。弱力也存在其它基本粒子之間。

我們這裡來介紹一下粒子，現今在「標準模型理論」的架構下，已知的基本粒子可以分為組成物質的費米子以及傳遞力的玻色子。

傳遞力的（規範）玻色子有四種：1傳遞電磁力的光子；2傳遞引力的引力子；3傳遞核強力的膠子（介子）；4傳遞弱力的玻色子，最後還有一種賦予所有粒子質量的希格斯玻色子（上帝粒子）。物質宇宙就是由上述這些物質性的費米子以及傳遞力的玻色子所構成。

而費米子是依隨費米-狄拉克統計、角動量的自旋量子數為半奇數（1/2，3/2…）的粒子。費米子遵從泡利不相容原理，即不能兩個以上的費米子出現在相同的量子態中。根據標準理論，費米子均是由一批基本費米子構成的，而基本費米子則不可能分解為更細小的粒子。基本費米子分為2類：夸克和輕子。而這2類基本費米子，又分為合共24種味（屬性）：

· 12種夸克：包括上夸克 （u）、下夸克 （d）、奇夸克 （s）、粲夸克 （c）、底夸克 （b）、頂夸克 （t），及它們對應的6種反粒子。

· 12種輕子：包括電子 （e-）、μ子 （μ-）、陶子 （τ-）、電中微子（νe）、緲中微子（νμ）、陶中微子（ντ），及對應的6種反粒子。

首先我們要明白一點介子是傳遞強力的，但是介子在發生衰變時是弱力在產生作用。

科學家在1956年之前發現了θ和τ 兩種介子的自旋，質量，電荷完全相同，一度以為是同一種粒子。

而澳大利亞的物理學家達利茲仔細的研究了這兩個粒子，利用當時普遍被接受的物理定律去做了一個計算分析，結果表明θ和τ的宇稱數不一樣，因此不可能是同一種粒子。θ衰變時產生兩個π介子，τ衰變時產生3個π介子，奇數個π介子的總宇稱是負的，而偶數個π介子的總宇稱是正的，如此看來又似乎不是同一種粒子。

1956年4月第六屆羅徹斯特高能核物理年會在紐約州北部羅徹斯特大學舉行，會議上討論了θ-τ的衰變中，有科學家提出宇稱是否有可能不守恆。然而當時大家都堅信宇稱守恆，所以這樣的質疑在當時被否定了。

比如曾被稱為“物理全才”、擁有神通美譽的朗道就堅信宇稱守恆，當時蘇聯物理學家沙皮羅在對介子衰變的研究中，發現了介子衰變過程中宇稱不守恆。他向朗道介紹了自己的發現．朗道過於相信自己的直覺，對此不以為然。他認為，宇稱一直是守恆的，無論是在宏觀狀態還在微觀狀態。他相信。凡是與他的物理直覺不合的想法，必定是錯誤的。所以當沙皮羅將自己的研究成果寫成論文請他審閱時．他卻連看也不看，若無其事地將它扔在一邊。

而這個時候，楊振寧和李政道關於“τ-θ之謎”的研究已經取得了進展，楊振寧和李政道在這兩種介子的時候，就首先巧妙地提出了我剛才講到的介子是傳遞強力的，但是介子在發生衰變時是弱力在產生作用。

而對於弱相互作用的研究，楊振寧並沒有直接入手，而是從β衰變展開，楊振寧和李政道發現，：在過去所有的β衰變實驗裡，實驗結果跟β衰變中宇稱是否守恆完全沒有關係。

β衰變

什麼意思呢，就是宇稱守恆不守恆都不會影響β衰變實驗，而當時的科學家因為被固有印象影響，都自動帶入了宇稱守恆。楊振寧和李政道得出結論：和一般人確信的相反，雖然在強相互作用和電磁相互作用中宇稱守恆以為實驗所證實，但是在弱相互作用過程中宇稱守恆定律僅僅是一個被推廣的 “假設”而已，並沒有被實驗證實過。

所以楊振寧和李政道就重新設計了幾個可以檢驗宇稱是否守恆的實驗，並把具體的實驗方法和之前的分析都寫進那篇非常著名的論文《在弱相互作用中，宇稱是否守恆？》中去了，然後投給了《物理評論》。但是，等論文發表的時候，論文題目卻被雜誌的編輯改成了《對於弱相互作用中宇稱守恆的質疑》，原因是編輯認為一篇論文的標題不應該是一個問句。

這篇論文在當時物理學界引起了一片轟動，“上帝之鞭”泡利就說：我不相信上帝是一個弱左撇（因為人體都是對稱的，打破了對稱，那麼人就只能變成左撇子了）。並準備投入大賭注與人打賭。費曼也堅信宇稱守恆而與人打賭，賭金50美元。另外一位著名的物理學家就更有意思了，研究晶體的布洛赫曾經說，如果宇稱不守恆，他就把自己的帽子吃掉！

這個時候泡利的學生也是物理女皇吳健雄出手啪啪打臉了自己的老師。

當時楊振寧和李政道邀請吳健雄幫他們證明弱相互作用下宇稱不守恆，吳健雄實驗的目的是檢驗鈷60原子衰變時的物理過程是否具有映象對稱性，如圖15-3a所示。實驗需要在極低溫（0。01K）的條件下進行，使用強磁場把鈷60原子核的自旋方向轉向左旋或右旋。圖15-3a中將右旋原子核的b衰變叫做“原來實驗”，左旋原子核的b衰變叫做“映象實驗”。如果b衰變中的宇稱守恆的話，預料的b射線方向在圖中應該向上。在吳健雄的真實實驗設計中，“原來”和“映象”兩個實驗同時進行，並將宇稱守恆預言的兩個b射線方向左右對稱安置。也就是說，如果宇稱守恆成立的話，實驗結果應該有左右方向相等的角分佈，否則便違背了宇稱守恆。最後的實驗結果顯示角分佈的明顯不對稱，因而證實了弱相互作用中的宇稱不守恆。1957年1月15日，《物理評論》雜誌收到了吳健雄等人實驗證明宇稱不守恆的論文

當時泡利聽到了吳健雄實驗證實宇稱不守恆的訊息，為了給自己一個臺階下，還給宇稱女士寫個訃告：

“我們傷心地宣佈，我們的朋友宇稱女士，在經歷了短暫的手術痛苦之後，於1957年1月19日去世了。”

訃告的落款是e，μ，ν，三個弱相互作用主角的符號：電子、μ 子、和中微子。

吳健雄和泡利

弱相互作用下宇稱不守恆的訊息轟動了整個物理學界，這項發現的重要性達到了什麼樣的程度呢？1957年1月釋出論文，1957年楊振寧和李政道就獲得了諾貝爾獎，創造了成果釋出獲諾將最快紀錄。

這個結論意義重大，在物理學中，時間T、宇稱P和電荷C，被認為是現代物理學的基礎，三者的守恆一直是物理學關注的物件，宇稱不守恆讓物理學家開始思考，我們理解世界的方式或許出了問題。而後來物理學家詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇，再次發現弱相互作用下宇稱和電荷的聯合對稱不守恆（CP破壞），獲得1980年的物理學諾貝爾獎。

後來人們還發現，在弱相互作用裡另外兩種重要對稱性即電荷正負對稱性C和時間反演對稱性T也不是嚴格守恆的。但是，在量子場論中可以嚴格證明，對於滿足狹義相對論的平直空間中的量子場，這三種對稱性的組合CPT 是嚴格守恆的，這被稱為CPT 定理。

簡單來說，宇稱守恆只適用於強力、電磁力和引力，不適用於弱力。很多人說：“很難想象，假若沒有楊和李等的工作，今天的理論物理會是什麼樣子”宇稱不守恆的提出對於研究宇宙的構造和物質的構造都具有不可估量的巨大意義，被認為是“科學史上的一個轉折點”。弱力作用下的宇稱不守恆，可以說是粒子世界映象宇宙的破滅記——當人在開著車的時候，在粒子世界的鏡面宇宙裡，汽車B將以完全不同的速度行駛，方向也未必一致！

正是由於物理定律存在輕微的不對稱，使粒子的電荷（C）不對稱，導致宇宙大爆炸之初生成的物質比反物質略多了一點點，大部分物質與反物質湮滅了，剩餘的物質才形成了我們今天所認識的世界。如果物理定律嚴格對稱，宇宙連同我們自身就都不會存在了——宇宙大爆炸之後應當誕生了數量相同的物質和反物質，但正反物質相遇後就會立即湮滅，那麼，星系、地球乃至人類就都沒有機會形成了。

上帝是個左撇子，造就了一個不太完美的宇宙，可證實這不完美，才讓我們的世界變得更加繽紛多彩。