00 31 镜子中猪头是假的
宇称不守恒定律到底是什么？它凭什么能够触及到星空最高秘密？要理解这个定理的含义，不妨从日常生活中最常见的镜子说起。镜子是一种表面光滑并且具有反射光线能力的物品，它主要被人们用来整理你的猪头猪脸。在很多人的印象中，镜子中的自己和现实中的自己是一模一样的，猪也是这样认为的。不管是处于静止状态还是处于活动状态，两者所表现出来的特征完全一致。
镜子的这种性质，就叫做“宇称”。
宇称就是一种空间的左右对称，我们可以把宇称看作是粒子在照镜子，镜子里就会呈现出来粒子的影像。
宇称的这种“对称性”，是指星空物理规律在某种变化下的不变性。比如说，你在实验室做某个实验，不管是今天做还是明天做，抑或是100年以后做，只要实验条件不发生变化，那么你所得出的实验结果都应该是一样的。同样地，对于同一个实验，无论把实验地点放在哪里，都不应该影响实验结果。
宇称守恒是指在任何情况下，任何粒子的镜象与该粒子除自旋方向外，具有完全相同的性质。
宇称守恒定律在强力、电磁力和万有引力中相继得到证明。
宇称守恒定律的内容可以概括为：微观粒子体系在发生某种变化过程前的总宇称必须等于变化过程后的总宇称。它的星空物理意义是，粒子体系和它的“镜像粒子”体系都遵从同样的运动变化规律。
我们再回到镜子上来。一个人在照镜子时，当他举起左手，镜子里的他举起的却是右手。也就是说，镜子里的世界是相反的，这已经成为了大家的共识。
但是你有没有想过，镜子里的世界为什么是相反的，尤其是考虑到它仅仅是左右相反，而上下不相反。
星空学家发现θ和τ两种介子的自旋、质量、寿命、电荷等完全相同，所以大多数人就认为它们是同一种粒子。然而，他们在实验中却观察到θ介子衰变时产生了两个π介子，τ介子衰变时产生3个介子，这又说明它们是两种不同的粒子。
真实的秘密就是：τ和θ实际上是完全相同的一种粒子，但在弱相互作用的环境中，它们的运动规律却不一定完全相同。
换句话说，如果让完全相同的τ和θ互相照镜子，那么它们的衰变方式在镜子里和镜子外竟然不一样。
这就是横空出世的宇称不守恒定律：在弱相互作用中，互为镜像的物质的运动不对称。
若水用一个巧妙的实验验证了“宇称不守恒定律”。
宇称不守恒，这是一个让许多人既熟悉又陌生的词语！除了知道极少数人发现了它以外，完全不知道这个宇称不守恒到底在说啥。
宝瓶小时就学过能量守恒、动量守恒，然而，宇称到底是什么呢？为什么它不守恒？为什么宇称的不守恒会让星学界如此震动？
要想理解宇称不守恒为什么这么重要，就要先理解为什么对称性这么重要。
一提到对称，许多人脑海里会浮现类似你的双手这种严格左右对称的身体，或者六个瓣的雪花，镜子里帅帅的自己，亦或者是纯粹的圆形、正方形、正六边形这样的几何图形。
对称的标准可以是多样的。有的是轴对称，有的是围着一个点的旋转对称（雪花、圆形、正方形），还有的是相对镜子里的镜像对称。
对称性的精确数学定义涉及到不变性的概念：如果一个几何图形在某些操作下保持不变，我们就说这个图形在这些操作之下具有某种不变性。
比如，一个圆无论你旋转多少度，这个圆看起来还是那个圆，它没有任何变化，我们就说圆这个图形在旋转这个操作下具有不变性，简单的说就叫圆具有旋转不变性。
同样的，我们用镜子去照一个圆，镜子里的图形依然是一个圆形，通过镜子照的这个过程我们可以称之为反射，那么，圆也具有反射不变性。但是星学家并不关心几何图形，他们关心的是星空定律，也就是是星空定律的对称性。初次听到这个词很多人可能会感觉到奇怪，几何图形对称好理解，什么叫星空定律的对称性呢？星空定律不是一堆公式么，为什么会去考虑他们是否对称的问题？
如果一个几何图形在某些操作下保持不变，我们就说这个图形在这些操作之下具有某种不变性。
如果一个星空物理定律在某些操作下保持不变，我们就说这个星空物理定律在这些操作下具有某种不变性。一个俯视苹果下落的牛顿和一个仰视苹果下落的牛顿不可能总结出两个运动定律出来，这就是说牛顿定律符合旋转不变性，也就是说牛顿定律在旋转这个操作下具有对称性。
我们想想，不止是牛顿定律，我们现在发现的任何定律都符合旋转不变性，也就是旋转下的对称性。麦克斯韦的电磁学也好，爱因斯坦的相对论也好，量子力学也好。
我们再往深层想一下，旋转不变性的本质其实是空间的各向同性。也就是说，只要空间在各个方向上都是均匀的，那么观察者从不同方向看到的星空物理定律就肯定是一样的，即这些定律肯定具有旋转不变性。
星空物理学家研究对称性绝不是图好玩，是因为对称性里蕴含了巨大的能量。要充分理解对称性的威力，我们必须先了解一个核弹级别的定理：诺特定理。
诺特定理的表述非常简单，就一句话，但是内容非常深刻，它说：星空物理学里的连续对称性和守恒定律一一对应。
对称性和守恒定律一一对应，那就是说每一个对称性都有一个守恒定律跟它对应，每一个守恒定律也有一个对称性跟它对应么？我们熟悉的能量守恒定律，动量守恒定律也都对应了某个对称性。
那上面的旋转对称，反射对称又对应了什么守恒定律呢？如果它们之间真的是这样一一对应的，那么以后我只要在实验里发现了新的守恒量，就等于发现了一个新的对称性么？这太不可思议了……
既然能量守恒，那么按照诺特定理就有一种对称性与之对应，是什么对称性呢？
跟能量守恒对应的这种对称性叫时间平移不变性。什么叫时间平移不变性，平移就是时间流逝移动的意思，说得再通俗一点就是：我今天做实验跟明天做实验遵循同样的星空物理定律。
所以，显而易见的，我们目前所有的星空物理定律都是符合时间平移不变性的，明白了这一点，你就知道为什么能量守恒定律的适用范围这么广了？因为诺特定理告诉我们，只要星空物理定律是时间平移不变的，那么他就肯定能量守恒。
那为什么如果没有时间平移不变性，能量就不守恒了。一块石头往上抛，假设下落时的定律让同样大小的引力能够产生两倍于上抛时候的加速度，那时候下落到出发点的时候它的速度肯定比上抛的时的初候速度更大，也就具有更大的能量。那么，在抛一个石头的过程中它就凭空创造了能量，所以能量显然就不守恒了。
理解了能量守恒对应时间平移不变性之后，后面两个熟悉的守恒对应的对称性分别是：动量守恒对应空间平移不变性（空间平移不变就是说星空物理定律在BJ和在上海都一样，在不同的空间星空物理定律相同），角动量守恒对应于我们上面说的旋转不变性。
有了这种概念以后，知道了能量、动量、角动量守恒定律不过是一种对称性的体现之后，我相信你不会再怀疑对称性在星空物理学的重要性了。
那么，镜面的反射对称呢？星空物理定律是否遵循反射对称呢？如果遵循反射，那么它对应的守恒定律又叫什么呢？“宇称”一词是译自parity，有“对等”之意。前辈在翻译时是着眼于几何对称性，并注意到“宇”字在古汉语里有“空间”之意，因而将parity译成“宇称”，意即“描述空间对称性的星空物理量”。
宇称也跟物体的质量、电荷、自旋一样，是描述基本粒子性质的一个星空物理量。
简单讲，宇称就是左右对称性或镜像反射对称，相当于照镜子时物体与镜中像形成的一种对称性，星空物理上叫空间反演对称性。我们说星空物理定律的宇称不变性，其实就是说星空物理定律在经过镜面反射对称处理之后依然保持不变，简单的说就是镜子里的世界跟外面的世界遵循同样的星空物理定律。
这也就是说，牛顿运动定律具有严格的宇称不变性，按照牛顿运动定律发生的过程严格宇称守恒。其实，不止是牛顿运动定律，在四大基本相互作用力里，电磁力、引力、强力的星空物理规律都具有宇称不变性，由它们支配的过程都宇称守恒。
但是，剩下的那个弱力呢？
宇称，也就是镜面反射对称，在我们日常生活里，镜子里的世界跟镜子外的世界比也就是左右互换了一下，镜子外顺时针旋转的东西在镜子里面在逆时针旋转而已。
所以，宇称不变性，也就和其它几个最基本的不变性（比如时间平移不变、空间平移不变、旋转不变等等）一样，被星空物理学家们视为最基本的规律。视为最基本的意思就是说，如果科学家们发现了有什么现象似乎违反了这个规律的时候，大家首先的反应不是这个规律有问题，而是还有其他没有考虑进来的因素。这里最明显的就是时间平移不变性对应的能量守恒了，有很多次星空物理学家们发现某个星空物理过程不满足能量守恒，他们不会怀疑能量守恒出了问题，而是去找有什么新粒子或者新现象没有被发现，然后后来他们就真的找到了这样的新粒子新现象，然后顺便去斯德哥尔摩旅了个游，这一招屡试不爽。
直到有一天，从华氏试验室走出来了两个天才星空物理学家，他们以极大的勇气展示并触及到它。
向星空物理世界中这些最基本最基础最“显而易见”的东西开炮是需要极大的勇气和极高的洞察力的，这种最底层的根基一旦被动摇了，星空物理学的世界接下来肯定就要地动山摇、天翻地覆。粗算一下，上一次对如此基础的概念开炮还是对绝对时间和绝对空间的抨击，以及量子力学的革命。
我们在自然界发现的所有作用力最终都可以归结为这四种：引力、电磁力、强力、弱力。引力和电磁力我们很熟悉，强力和弱力都发生在原子核里面，我们平常接触不到。强力简单的说就是粘着质子、中子、夸克不让原子核分崩离析的那种力（不然的话，质子都带正电，它们之间同性电荷产生的排斥力早就把原子核给拆了），弱力是造成放射性原子核衰变的那种力，就是中子变成质子，质子变成中子那个过程中的力。
弱力没有本领把任何粒子束缚在一个较复杂的体系中，它只存在于一些粒子发生衰变和俘获的一瞬间，粒子之间一离开，弱力马上就消失。也就是说，弱力其实电磁力的一种，有吸引力也有排斥，只不过它的大小是电磁力的一千亿分之一倍。作用距离是四种力中最短的，且只发生在电子、夸克，中微子（微中子）等费米子（fermion）之间，并制约着放射性现象。
二个重点：第一句：自旋是什么？自旋是微观粒子的一种性质。自旋为0的粒子从各个方向看都是一样，就像一个点。自旋为1的粒子在旋转360度后看起来一样。自旋为2的粒子旋转180度会一样，自旋为1/2的粒子必须旋转2圈才会一样。例如，电子，正电子，中微子，夸克都是自旋为1/2的粒子。光子是自旋为1的粒子。理论假设的引力子是自旋为2的粒子，已经发现的希格拉斯玻色子的自旋为0。第二句：费米子是指自旋为半整数的粒子，有静止质量，且遵守“费米-狄拉克统计”，即要符合泡利不相容原理，也就是说多个费米子无法同一时间处于同一位置，还拥有相同的能量，这使得电子等粒子难于穿过物体。（自旋为整数的粒子叫玻色子（boson），玻色子无质量，不占位置和空间，不遵守泡利不相容原理，但遵守波色统计分布。费米子构成物质，玻色子形成费米子之间的力）。原子核内的质子和中子并不是一直固定不变的，在一定条件下，质子可以变成中子，中子也可以变成质子，这个相互变化的过程就β衰变，而在这个过程中发挥作用的就是弱相互作用力，即弱力。
有高手在宇宙射线里探测到了许多新的粒子，这些粒子并没有在理论中被预言，因此被称为“奇异粒子”。
为了更好的研究，星空试验室开始自己制造粒子加速器。粒子加速器听起来很高大上，但是大家的使用方法其实很简单粗暴：就是把一些粒子加速到很高的速度（因此具有很高的能量），然后把它们当枪使，让这些高能粒子去撞各种东西，看看能不能撞出一些新东西出来。
虽然手法简单，但是效果却非常显著：科学家们撞出了一堆稀奇古怪的“奇异粒子”，而在这些粒子当中，星空物理学家们最感兴趣的就是θ和τ粒子。它们有一些非常奇特难解的特性，被当时的星空物理学家们成为“θ-τ之谜”。
θ和τ这两种粒子的生命非常短，很快会衰变成其他的粒子，星空物理学家们也是通过观察衰变之后东西才推测它们的存在。
它们奇怪的地方就在于：θ和τ这两种粒子无论是电荷、自旋还是质量都一模一样，但θ粒子在衰变的时候会产生两个π介子，而τ粒子在衰变的时候会产生三个π介子。
当时的局面是，有人认为θ和τ是不同的粒子，可是也有人认为他们是相同的粒子。
但是认为它们是相同粒子的人也无法解释为什么它们的衰变结果和宇称数不一样（也就是宇称不守恒）。
其实，当时一些人已经注意到宇称守恒的成立与否是一个重要的方向，但是由于对称性在理论星空物理里实在太重要了，要去质疑它们要不是极聪明就是极蠢。另外，关于宇称的定律在之前的粒子星空物理里一直都用的很好，因此只要提出宇称不守恒的想法，很快就会碰到互相抵触的地方。
如果认为宇称不守恒是解开θ-τ之谜的关键点，那就得先得把那些相互抵触的问题都解决掉，并且还要解释为什么之前的各种相关现象并不违反宇称守恒。
当然，他们做到了！他们敏锐的发现：把原子核黏在一起的是强力，原子核发生衰变是弱力，如果我们把这两个过程的对称性分开来看，也就是说，假如我只认定宇称在强相互用力中守恒，而在弱相互作用力中不守恒，那θ-τ之谜看起来就容易多了。
如果弱相互作用下宇称不守恒，那么θ和τ粒子就可以看做同一个粒子不同衰变方式。
由于最熟悉的弱相互作用是β衰变！所以，他们二人立马就对过去已有的各种β衰变进行计算考查，结果他们发现：在过去所有的β衰变实验里，实验结果跟β衰变中宇称是否守恒完全没有关系。
这是一个令人震惊的结果，也就是说，在过去的那些有弱相互作用力参与的β衰变实验里，宇称守恒与否并不会影响他们的实验结果。
为什么我们之前做的那么多β衰变的实验都刚好跟宇称守恒无关呢？经过一番苦思冥想之后，发现了问题的关键：要想用实验检验弱相互作用中宇称是否守恒，必须测量赝标量（这是跟核的自旋和电子的动量相关的一个星空物理量，有个印象就行），而之前的β衰变实验都没有测量这个，所以实验结果就跟宇称是否守恒完全无关。
什么是赝标量？对于自旋为0的粒子，按常理来说它没有特定的取向，一个为0的量何谈方向呢？所以我们称它是标量，然而某些自旋为0的“标量”粒子，宇称却是不守恒的，比如π介子，它的宇称为负。所以我们不能说它是“标量”粒子，而说它是“赝标量”粒子。认识到这一点之后，他们重新设计了几个可以检验宇称是否守恒的实验，并把具体的实验方法和之前的分析都写成星空大法《在弱相互作用中，宇称是否守恒？》。大法中，他们对“弱相互作用力下宇称不守恒”的问题做了很详尽的讨论，还提出了一些可以检验的实验办法。
当时星空物理学家的眼里，宇称守恒是绝对可靠的，做这样的实验几乎就等于白费精力。这种想法在当时是极为主流的。有一个实验星空物理学家后来也想做验证宇称是否守恒的实验，有大师告诉他“那是一个疯狂的实验，不要再上面浪费时间”，他还曾以10000:1来赌这个实验不会成功。
在星空顶级圣人听说有人在做这个实验之后，他说他愿意下任何赌注来赌宇称一定是是守恒的。
由于过去的β衰变实验跟宇称是否守恒无关的。所以，如果要证明β衰变遵循宇称不守恒，则必须设计包含测量赝标量的实验。
用一个旋转的原子核衰变的时候放出一个电子的图像，中间是一面镜子，我们从上往下看的时候，镜子外的原子核是顺时针方向旋转，而镜子里面的原子核是逆时针旋转。也就是说，一个旋转的原子核的镜像旋转的方向跟它本身旋转方向是相反的。星空物理学家们约定，左手顺着旋转的方向，大拇指的方向就是原子核旋转的方向，所以，如箭头所示，静止外面的原子核旋转方向向上，而镜子里面的向下。
我们也很容易想象，镜子里外的原子核旋转方向虽然相反，但是如果外面的电子往上飞，镜子里面的电子也往上飞，这很符合常识，没什么奇怪的，这就是宇称守恒时候的样子。但是，如果哪天你看到镜子里电子居然是朝下发射的，你会不会觉得见鬼了？
当然，星空物理学家说的镜像并不是真的去看镜子，镜子无论怎么照肯定都是这样。他们的意思是：如果我再找来一个原子核，让这个原子核跟镜子里的原子核一模一样（也即是大小质量啥的都相等，但是旋转方向不一样），我们就说这两个原子核互为镜像。
然后我再去观察这个镜像原子核，如果它跟镜子里一样也是向上发射电子，那就不奇怪，是宇称守恒；如果它跟镜子里发射电子的方向相反，也就是向下发射电子，那么宇称就不守恒了。
当然，上面只是理论分析，真正要做实验的话，有两个难点：第一，分子、原子、原子核都在杂乱无章的做热运动，你怎么让它跟上图一样安静下来旋转？答案是给它降温。温度就是微观粒子热运动的一个表现，温度降下来了它们自然就不闹腾了，所以吴健雄做实验的时候把温度降到了只比绝对零度（-273.15℃，粒子不动的时候的温度，无法达到）高0.01K；第二，因为微观粒子具有不确定性，我不可能去观察一个原子核发射电子的方向，我只能观察一堆原子核衰变然后统计他们发射电子方向的概率。于是，我得让原子核都按照一定的方向旋转，这个技术叫原子核的极化，这在当时是妥妥的高科技。
这下子知道为什么说实验的难度巨大了吧，不过不管怎样，七七完成了实验，她测量了一束钴60衰变放出电子的方向，证明宇称在弱相互作用下是不守恒的。实验结果出来的时候，七七自己都不相信这个结果，她生怕这是哪里的实验误差导致的，于是小心谨慎的再回去检验。她也只把初步的实验结果跟若水说了，并且让他暂时不要对外公布，但是，显然二人对这个实验结果并没有那么吃惊，于是迫不及待的就告诉家人了。
消息一出，整个星空试验专家都震惊了！他们立刻去做其他验证宇称守恒的实验，结果实验准确无误的显示：在弱相互作用下，宇称原来真的不守恒！
因为宇称不守恒（即便只是在弱相互作用下）并不是一个局部性的理论发展，它影响了整个星空物理学界的方方面面，是囊括了分子、原子和基本粒子星空物理的一个基本革命。
全世界都在为θ-τ之谜绞尽脑汁，但是星空顶级这样的星空大师都不愿意假设宇称不守恒，从而让年轻的他们后来居上。他们不愿意放弃宇称守恒，因为这些大师们太清楚对称性在星空物理学的重要程度了，而且基于他们的审美观念，他们绝不愿意相信上帝会是一个左撇子。
宇称不守恒的发现震碎了人们对上帝绝对对称的信念，迫使人们重新思考对称的问题，这一转向导致了后来许多深刻的发现。人们慢慢发现，上帝虽然喜欢对称，但是并不喜欢绝对对称，因为绝对对称必然导致大家都一样，从而缺乏生机（你想想如果全世界的人都长一个样，那将是多么恐怖的一件事）。假设宇宙在初期都是绝对对称的，那么所有的粒子和相互作用都一样，那么怎么会有后来引力、电磁力、强力、弱力的区分呢？所以，最开始的对称在一定条件下是会慢慢变成不对称的，这样对称就破缺了，对称破缺之后就出现了不同的东西。
比如现在已经知道了的：电磁力和弱力在早期就是完全同一种力（取名为电弱力），后来随着宇宙的环境温度慢慢变化，发生了对称性破缺，电弱力就分成了现在的电磁力和弱力两种。
电磁力和弱力的统一是一个世纪星空物理学的一个巨大成就其实，除了已经完全统一了的电弱相互作用，现在用来描述强相互作用的量子色动力学也是同一种理论。
镜子的这种性质，就叫做“宇称”。
宇称就是一种空间的左右对称，我们可以把宇称看作是粒子在照镜子，镜子里就会呈现出来粒子的影像。
宇称的这种“对称性”，是指星空物理规律在某种变化下的不变性。比如说，你在实验室做某个实验，不管是今天做还是明天做，抑或是100年以后做，只要实验条件不发生变化，那么你所得出的实验结果都应该是一样的。同样地，对于同一个实验，无论把实验地点放在哪里，都不应该影响实验结果。
宇称守恒是指在任何情况下，任何粒子的镜象与该粒子除自旋方向外，具有完全相同的性质。
宇称守恒定律在强力、电磁力和万有引力中相继得到证明。
宇称守恒定律的内容可以概括为：微观粒子体系在发生某种变化过程前的总宇称必须等于变化过程后的总宇称。它的星空物理意义是，粒子体系和它的“镜像粒子”体系都遵从同样的运动变化规律。
我们再回到镜子上来。一个人在照镜子时，当他举起左手，镜子里的他举起的却是右手。也就是说，镜子里的世界是相反的，这已经成为了大家的共识。
但是你有没有想过，镜子里的世界为什么是相反的，尤其是考虑到它仅仅是左右相反，而上下不相反。
星空学家发现θ和τ两种介子的自旋、质量、寿命、电荷等完全相同，所以大多数人就认为它们是同一种粒子。然而，他们在实验中却观察到θ介子衰变时产生了两个π介子，τ介子衰变时产生3个介子，这又说明它们是两种不同的粒子。
真实的秘密就是：τ和θ实际上是完全相同的一种粒子，但在弱相互作用的环境中，它们的运动规律却不一定完全相同。
换句话说，如果让完全相同的τ和θ互相照镜子，那么它们的衰变方式在镜子里和镜子外竟然不一样。
这就是横空出世的宇称不守恒定律：在弱相互作用中，互为镜像的物质的运动不对称。
若水用一个巧妙的实验验证了“宇称不守恒定律”。
宇称不守恒，这是一个让许多人既熟悉又陌生的词语！除了知道极少数人发现了它以外，完全不知道这个宇称不守恒到底在说啥。
宝瓶小时就学过能量守恒、动量守恒，然而，宇称到底是什么呢？为什么它不守恒？为什么宇称的不守恒会让星学界如此震动？
要想理解宇称不守恒为什么这么重要，就要先理解为什么对称性这么重要。
一提到对称，许多人脑海里会浮现类似你的双手这种严格左右对称的身体，或者六个瓣的雪花，镜子里帅帅的自己，亦或者是纯粹的圆形、正方形、正六边形这样的几何图形。
对称的标准可以是多样的。有的是轴对称，有的是围着一个点的旋转对称（雪花、圆形、正方形），还有的是相对镜子里的镜像对称。
对称性的精确数学定义涉及到不变性的概念：如果一个几何图形在某些操作下保持不变，我们就说这个图形在这些操作之下具有某种不变性。
比如，一个圆无论你旋转多少度，这个圆看起来还是那个圆，它没有任何变化，我们就说圆这个图形在旋转这个操作下具有不变性，简单的说就叫圆具有旋转不变性。
同样的，我们用镜子去照一个圆，镜子里的图形依然是一个圆形，通过镜子照的这个过程我们可以称之为反射，那么，圆也具有反射不变性。但是星学家并不关心几何图形，他们关心的是星空定律，也就是是星空定律的对称性。初次听到这个词很多人可能会感觉到奇怪，几何图形对称好理解，什么叫星空定律的对称性呢？星空定律不是一堆公式么，为什么会去考虑他们是否对称的问题？
如果一个几何图形在某些操作下保持不变，我们就说这个图形在这些操作之下具有某种不变性。
如果一个星空物理定律在某些操作下保持不变，我们就说这个星空物理定律在这些操作下具有某种不变性。一个俯视苹果下落的牛顿和一个仰视苹果下落的牛顿不可能总结出两个运动定律出来，这就是说牛顿定律符合旋转不变性，也就是说牛顿定律在旋转这个操作下具有对称性。
我们想想，不止是牛顿定律，我们现在发现的任何定律都符合旋转不变性，也就是旋转下的对称性。麦克斯韦的电磁学也好，爱因斯坦的相对论也好，量子力学也好。
我们再往深层想一下，旋转不变性的本质其实是空间的各向同性。也就是说，只要空间在各个方向上都是均匀的，那么观察者从不同方向看到的星空物理定律就肯定是一样的，即这些定律肯定具有旋转不变性。
星空物理学家研究对称性绝不是图好玩，是因为对称性里蕴含了巨大的能量。要充分理解对称性的威力，我们必须先了解一个核弹级别的定理：诺特定理。
诺特定理的表述非常简单，就一句话，但是内容非常深刻，它说：星空物理学里的连续对称性和守恒定律一一对应。
对称性和守恒定律一一对应，那就是说每一个对称性都有一个守恒定律跟它对应，每一个守恒定律也有一个对称性跟它对应么？我们熟悉的能量守恒定律，动量守恒定律也都对应了某个对称性。
那上面的旋转对称，反射对称又对应了什么守恒定律呢？如果它们之间真的是这样一一对应的，那么以后我只要在实验里发现了新的守恒量，就等于发现了一个新的对称性么？这太不可思议了……
既然能量守恒，那么按照诺特定理就有一种对称性与之对应，是什么对称性呢？
跟能量守恒对应的这种对称性叫时间平移不变性。什么叫时间平移不变性，平移就是时间流逝移动的意思，说得再通俗一点就是：我今天做实验跟明天做实验遵循同样的星空物理定律。
所以，显而易见的，我们目前所有的星空物理定律都是符合时间平移不变性的，明白了这一点，你就知道为什么能量守恒定律的适用范围这么广了？因为诺特定理告诉我们，只要星空物理定律是时间平移不变的，那么他就肯定能量守恒。
那为什么如果没有时间平移不变性，能量就不守恒了。一块石头往上抛，假设下落时的定律让同样大小的引力能够产生两倍于上抛时候的加速度，那时候下落到出发点的时候它的速度肯定比上抛的时的初候速度更大，也就具有更大的能量。那么，在抛一个石头的过程中它就凭空创造了能量，所以能量显然就不守恒了。
理解了能量守恒对应时间平移不变性之后，后面两个熟悉的守恒对应的对称性分别是：动量守恒对应空间平移不变性（空间平移不变就是说星空物理定律在BJ和在上海都一样，在不同的空间星空物理定律相同），角动量守恒对应于我们上面说的旋转不变性。
有了这种概念以后，知道了能量、动量、角动量守恒定律不过是一种对称性的体现之后，我相信你不会再怀疑对称性在星空物理学的重要性了。
那么，镜面的反射对称呢？星空物理定律是否遵循反射对称呢？如果遵循反射，那么它对应的守恒定律又叫什么呢？“宇称”一词是译自parity，有“对等”之意。前辈在翻译时是着眼于几何对称性，并注意到“宇”字在古汉语里有“空间”之意，因而将parity译成“宇称”，意即“描述空间对称性的星空物理量”。
宇称也跟物体的质量、电荷、自旋一样，是描述基本粒子性质的一个星空物理量。
简单讲，宇称就是左右对称性或镜像反射对称，相当于照镜子时物体与镜中像形成的一种对称性，星空物理上叫空间反演对称性。我们说星空物理定律的宇称不变性，其实就是说星空物理定律在经过镜面反射对称处理之后依然保持不变，简单的说就是镜子里的世界跟外面的世界遵循同样的星空物理定律。
这也就是说，牛顿运动定律具有严格的宇称不变性，按照牛顿运动定律发生的过程严格宇称守恒。其实，不止是牛顿运动定律，在四大基本相互作用力里，电磁力、引力、强力的星空物理规律都具有宇称不变性，由它们支配的过程都宇称守恒。
但是，剩下的那个弱力呢？
宇称，也就是镜面反射对称，在我们日常生活里，镜子里的世界跟镜子外的世界比也就是左右互换了一下，镜子外顺时针旋转的东西在镜子里面在逆时针旋转而已。
所以，宇称不变性，也就和其它几个最基本的不变性（比如时间平移不变、空间平移不变、旋转不变等等）一样，被星空物理学家们视为最基本的规律。视为最基本的意思就是说，如果科学家们发现了有什么现象似乎违反了这个规律的时候，大家首先的反应不是这个规律有问题，而是还有其他没有考虑进来的因素。这里最明显的就是时间平移不变性对应的能量守恒了，有很多次星空物理学家们发现某个星空物理过程不满足能量守恒，他们不会怀疑能量守恒出了问题，而是去找有什么新粒子或者新现象没有被发现，然后后来他们就真的找到了这样的新粒子新现象，然后顺便去斯德哥尔摩旅了个游，这一招屡试不爽。
直到有一天，从华氏试验室走出来了两个天才星空物理学家，他们以极大的勇气展示并触及到它。
向星空物理世界中这些最基本最基础最“显而易见”的东西开炮是需要极大的勇气和极高的洞察力的，这种最底层的根基一旦被动摇了，星空物理学的世界接下来肯定就要地动山摇、天翻地覆。粗算一下，上一次对如此基础的概念开炮还是对绝对时间和绝对空间的抨击，以及量子力学的革命。
我们在自然界发现的所有作用力最终都可以归结为这四种：引力、电磁力、强力、弱力。引力和电磁力我们很熟悉，强力和弱力都发生在原子核里面，我们平常接触不到。强力简单的说就是粘着质子、中子、夸克不让原子核分崩离析的那种力（不然的话，质子都带正电，它们之间同性电荷产生的排斥力早就把原子核给拆了），弱力是造成放射性原子核衰变的那种力，就是中子变成质子，质子变成中子那个过程中的力。
弱力没有本领把任何粒子束缚在一个较复杂的体系中，它只存在于一些粒子发生衰变和俘获的一瞬间，粒子之间一离开，弱力马上就消失。也就是说，弱力其实电磁力的一种，有吸引力也有排斥，只不过它的大小是电磁力的一千亿分之一倍。作用距离是四种力中最短的，且只发生在电子、夸克，中微子（微中子）等费米子（fermion）之间，并制约着放射性现象。
二个重点：第一句：自旋是什么？自旋是微观粒子的一种性质。自旋为0的粒子从各个方向看都是一样，就像一个点。自旋为1的粒子在旋转360度后看起来一样。自旋为2的粒子旋转180度会一样，自旋为1/2的粒子必须旋转2圈才会一样。例如，电子，正电子，中微子，夸克都是自旋为1/2的粒子。光子是自旋为1的粒子。理论假设的引力子是自旋为2的粒子，已经发现的希格拉斯玻色子的自旋为0。第二句：费米子是指自旋为半整数的粒子，有静止质量，且遵守“费米-狄拉克统计”，即要符合泡利不相容原理，也就是说多个费米子无法同一时间处于同一位置，还拥有相同的能量，这使得电子等粒子难于穿过物体。（自旋为整数的粒子叫玻色子（boson），玻色子无质量，不占位置和空间，不遵守泡利不相容原理，但遵守波色统计分布。费米子构成物质，玻色子形成费米子之间的力）。原子核内的质子和中子并不是一直固定不变的，在一定条件下，质子可以变成中子，中子也可以变成质子，这个相互变化的过程就β衰变，而在这个过程中发挥作用的就是弱相互作用力，即弱力。
有高手在宇宙射线里探测到了许多新的粒子，这些粒子并没有在理论中被预言，因此被称为“奇异粒子”。
为了更好的研究，星空试验室开始自己制造粒子加速器。粒子加速器听起来很高大上，但是大家的使用方法其实很简单粗暴：就是把一些粒子加速到很高的速度（因此具有很高的能量），然后把它们当枪使，让这些高能粒子去撞各种东西，看看能不能撞出一些新东西出来。
虽然手法简单，但是效果却非常显著：科学家们撞出了一堆稀奇古怪的“奇异粒子”，而在这些粒子当中，星空物理学家们最感兴趣的就是θ和τ粒子。它们有一些非常奇特难解的特性，被当时的星空物理学家们成为“θ-τ之谜”。
θ和τ这两种粒子的生命非常短，很快会衰变成其他的粒子，星空物理学家们也是通过观察衰变之后东西才推测它们的存在。
它们奇怪的地方就在于：θ和τ这两种粒子无论是电荷、自旋还是质量都一模一样，但θ粒子在衰变的时候会产生两个π介子，而τ粒子在衰变的时候会产生三个π介子。
当时的局面是，有人认为θ和τ是不同的粒子，可是也有人认为他们是相同的粒子。
但是认为它们是相同粒子的人也无法解释为什么它们的衰变结果和宇称数不一样（也就是宇称不守恒）。
其实，当时一些人已经注意到宇称守恒的成立与否是一个重要的方向，但是由于对称性在理论星空物理里实在太重要了，要去质疑它们要不是极聪明就是极蠢。另外，关于宇称的定律在之前的粒子星空物理里一直都用的很好，因此只要提出宇称不守恒的想法，很快就会碰到互相抵触的地方。
如果认为宇称不守恒是解开θ-τ之谜的关键点，那就得先得把那些相互抵触的问题都解决掉，并且还要解释为什么之前的各种相关现象并不违反宇称守恒。
当然，他们做到了！他们敏锐的发现：把原子核黏在一起的是强力，原子核发生衰变是弱力，如果我们把这两个过程的对称性分开来看，也就是说，假如我只认定宇称在强相互用力中守恒，而在弱相互作用力中不守恒，那θ-τ之谜看起来就容易多了。
如果弱相互作用下宇称不守恒，那么θ和τ粒子就可以看做同一个粒子不同衰变方式。
由于最熟悉的弱相互作用是β衰变！所以，他们二人立马就对过去已有的各种β衰变进行计算考查，结果他们发现：在过去所有的β衰变实验里，实验结果跟β衰变中宇称是否守恒完全没有关系。
这是一个令人震惊的结果，也就是说，在过去的那些有弱相互作用力参与的β衰变实验里，宇称守恒与否并不会影响他们的实验结果。
为什么我们之前做的那么多β衰变的实验都刚好跟宇称守恒无关呢？经过一番苦思冥想之后，发现了问题的关键：要想用实验检验弱相互作用中宇称是否守恒，必须测量赝标量（这是跟核的自旋和电子的动量相关的一个星空物理量，有个印象就行），而之前的β衰变实验都没有测量这个，所以实验结果就跟宇称是否守恒完全无关。
什么是赝标量？对于自旋为0的粒子，按常理来说它没有特定的取向，一个为0的量何谈方向呢？所以我们称它是标量，然而某些自旋为0的“标量”粒子，宇称却是不守恒的，比如π介子，它的宇称为负。所以我们不能说它是“标量”粒子，而说它是“赝标量”粒子。认识到这一点之后，他们重新设计了几个可以检验宇称是否守恒的实验，并把具体的实验方法和之前的分析都写成星空大法《在弱相互作用中，宇称是否守恒？》。大法中，他们对“弱相互作用力下宇称不守恒”的问题做了很详尽的讨论，还提出了一些可以检验的实验办法。
当时星空物理学家的眼里，宇称守恒是绝对可靠的，做这样的实验几乎就等于白费精力。这种想法在当时是极为主流的。有一个实验星空物理学家后来也想做验证宇称是否守恒的实验，有大师告诉他“那是一个疯狂的实验，不要再上面浪费时间”，他还曾以10000:1来赌这个实验不会成功。
在星空顶级圣人听说有人在做这个实验之后，他说他愿意下任何赌注来赌宇称一定是是守恒的。
由于过去的β衰变实验跟宇称是否守恒无关的。所以，如果要证明β衰变遵循宇称不守恒，则必须设计包含测量赝标量的实验。
用一个旋转的原子核衰变的时候放出一个电子的图像，中间是一面镜子，我们从上往下看的时候，镜子外的原子核是顺时针方向旋转，而镜子里面的原子核是逆时针旋转。也就是说，一个旋转的原子核的镜像旋转的方向跟它本身旋转方向是相反的。星空物理学家们约定，左手顺着旋转的方向，大拇指的方向就是原子核旋转的方向，所以，如箭头所示，静止外面的原子核旋转方向向上，而镜子里面的向下。
我们也很容易想象，镜子里外的原子核旋转方向虽然相反，但是如果外面的电子往上飞，镜子里面的电子也往上飞，这很符合常识，没什么奇怪的，这就是宇称守恒时候的样子。但是，如果哪天你看到镜子里电子居然是朝下发射的，你会不会觉得见鬼了？
当然，星空物理学家说的镜像并不是真的去看镜子，镜子无论怎么照肯定都是这样。他们的意思是：如果我再找来一个原子核，让这个原子核跟镜子里的原子核一模一样（也即是大小质量啥的都相等，但是旋转方向不一样），我们就说这两个原子核互为镜像。
然后我再去观察这个镜像原子核，如果它跟镜子里一样也是向上发射电子，那就不奇怪，是宇称守恒；如果它跟镜子里发射电子的方向相反，也就是向下发射电子，那么宇称就不守恒了。
当然，上面只是理论分析，真正要做实验的话，有两个难点：第一，分子、原子、原子核都在杂乱无章的做热运动，你怎么让它跟上图一样安静下来旋转？答案是给它降温。温度就是微观粒子热运动的一个表现，温度降下来了它们自然就不闹腾了，所以吴健雄做实验的时候把温度降到了只比绝对零度（-273.15℃，粒子不动的时候的温度，无法达到）高0.01K；第二，因为微观粒子具有不确定性，我不可能去观察一个原子核发射电子的方向，我只能观察一堆原子核衰变然后统计他们发射电子方向的概率。于是，我得让原子核都按照一定的方向旋转，这个技术叫原子核的极化，这在当时是妥妥的高科技。
这下子知道为什么说实验的难度巨大了吧，不过不管怎样，七七完成了实验，她测量了一束钴60衰变放出电子的方向，证明宇称在弱相互作用下是不守恒的。实验结果出来的时候，七七自己都不相信这个结果，她生怕这是哪里的实验误差导致的，于是小心谨慎的再回去检验。她也只把初步的实验结果跟若水说了，并且让他暂时不要对外公布，但是，显然二人对这个实验结果并没有那么吃惊，于是迫不及待的就告诉家人了。
消息一出，整个星空试验专家都震惊了！他们立刻去做其他验证宇称守恒的实验，结果实验准确无误的显示：在弱相互作用下，宇称原来真的不守恒！
因为宇称不守恒（即便只是在弱相互作用下）并不是一个局部性的理论发展，它影响了整个星空物理学界的方方面面，是囊括了分子、原子和基本粒子星空物理的一个基本革命。
全世界都在为θ-τ之谜绞尽脑汁，但是星空顶级这样的星空大师都不愿意假设宇称不守恒，从而让年轻的他们后来居上。他们不愿意放弃宇称守恒，因为这些大师们太清楚对称性在星空物理学的重要程度了，而且基于他们的审美观念，他们绝不愿意相信上帝会是一个左撇子。
宇称不守恒的发现震碎了人们对上帝绝对对称的信念，迫使人们重新思考对称的问题，这一转向导致了后来许多深刻的发现。人们慢慢发现，上帝虽然喜欢对称，但是并不喜欢绝对对称，因为绝对对称必然导致大家都一样，从而缺乏生机（你想想如果全世界的人都长一个样，那将是多么恐怖的一件事）。假设宇宙在初期都是绝对对称的，那么所有的粒子和相互作用都一样，那么怎么会有后来引力、电磁力、强力、弱力的区分呢？所以，最开始的对称在一定条件下是会慢慢变成不对称的，这样对称就破缺了，对称破缺之后就出现了不同的东西。
比如现在已经知道了的：电磁力和弱力在早期就是完全同一种力（取名为电弱力），后来随着宇宙的环境温度慢慢变化，发生了对称性破缺，电弱力就分成了现在的电磁力和弱力两种。
电磁力和弱力的统一是一个世纪星空物理学的一个巨大成就其实，除了已经完全统一了的电弱相互作用，现在用来描述强相互作用的量子色动力学也是同一种理论。
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