导读:在《子弹飞行过程的左右不对称》[1]和《电磁相互作用的左右不对称》[2]两篇文章中,我们基于徐一鸿教授与李政道先生对“弱相互作用左右不对称”的不同分析与论证,推出了同一个惊世骇俗的结果:电磁相互作用中,居然存在左右不对称。这样一来,我们就历史性地使“弱相互作用左右不对称”与“电磁相互作用左右不对称”结成了命运共同体,它们将一对俱对,一错俱错:如果前者是一个重大的发现,那后者应是更为重大的发现。如果前者是错误的,则后者当然更是错误的。可以坦率地说,这是我们正大光明地对世界物理学界放出的胜负手。
在这篇文章中,我们将推介自己的另一项颠覆性研究成果;那就是,揭示宇称变换的真面目,给出又一个惊世骇俗的看法:所谓宇称变换,其实并不是空间反演下的波函数变换,而是检测波函数“奇偶性”的一种简单操作。故此,我们在文末放胆断言:宇称变换,实际上与左右对称毫无关涉。
1957年10月,李政道先生和杨振宁先生获得了举世瞩目的诺贝尔物理学奖。两位年轻中国人的这一旷世殊荣,使世界华人圈中不计其数的人,听闻了“宇称守恒与不守恒”的说法。然而,要懂得宇称守恒和不守恒到底是怎么一回事,则还须做一些功课。其中的第一课,当是知晓什么是宇称变换,并应知晓:先前人们对宇称变换的认知是否的的确确站得住脚。
一、现有理论中的宇称变换:空间反演下的波函数变换
在物理学分立对称性领域中,人们为了研究左右对称问题,就要实施坐标的空间反演——空间坐标的反射变换,也称左右变换(为了行文的简洁,以下我们只称空间反演),并对各种物理量进行相应的变换。空间反演下的物理量变换,乃是探讨左右对称问题的前提。当人们对左右对称的研究从经典世界进入量子世界后,就要对微观粒子或粒子体系波函数进行相应的变换,从而出现了一个颇为重要的概念——宇称变换。现有理论早已确认,宇称变换就是空间反演下的波函数变换。
那么,什么是现有理论中的宇称变换?
在多种版本的量子力学教科书中,都有关于宇称变换的定义:
假设多个粒子组成的体系的波函数为 ,现在改变波函数中所有粒子的坐标符号,即把 改为 ,时间t的符号不变,这种运算称为宇称变换。以算符表示这种运算:
(1)
人们称算符 为宇称算符。
如果有
(2)
则称该波函数具有偶宇称;如果有
(3)
则称该波函数具有奇宇称。如果上面两个式子都不成立,就称波函数没有确定的宇称。
人们认定,式(1)所表示的宇称变换,就是空间反演
(4)
下的粒子体系波函数变换。宇称算符 的两个本征值+1和1,被称为宇称量子数,+1表征波函数的偶宇称,1表征波函数的奇宇称。
上述认定,100余年来岿然不动,安于泰山。
二、我们的见解:宇称变换并不是空间反演下的波函数变换
针对上述认定,我们提出如下质疑:在空间反演下,改变物理量中的空间坐标符号,就能称作“空间反演下的物理量变换”吗?
让我们先来看看,空间反演下速度这个物理量是如何变换的。
在空间反演
下,任一矢量的变换关系与坐标的变换关系相同(详见附录),而速度v(r . t) 是矢量,因此在空间反演下,将无一例外地作如下变换:
(5)
式(5)所体现的,是“空间反演下,矢量只改变符号”的正确共识。
然而,如果我们按照宇称变换式(1)的思路和做法,那就会去改变速度的空间坐标符号,得出如下速度变换公式:
(6)
显然,式(6)要能站得住脚的前提,是对任一速度矢量 v(r . t) ,都能成立
(7)
这样,式(6)能才像式(5)一样,把任一速度矢量 v(r . t) 无一例外地改变符号,正确实现空间反演下的速度变换。
可惜的是,几乎一眼就可看出,式(7)并没有普适性,是不能无一例外地成立的。这是因为,对任一速度矢量 v(r . t) 来说,会出现三种情形;除了有![]()
这种情形,还会有
(8)
和
(9)
两种情形。显而易见,在式(8)和式(9)这两种情形下,式(7)就不能成立了。
式(7)不灵光,式(6)就站不住。因而我们有:空间反演下,速度变换公式只能是式(5),而不能是式(6)。
基于上述分析,我们的看法是:在空间反演下,改变物理量中的空间坐标符号这一操作,是不能被称作实施了“空间反演下的物理量变换”的。
基于同样的分析,通过讨论“空间反演下,被称为标量的物理量是如何变换的”这一题目,也必将得到同样的看法(读者自己可以试一下)。
我们必须在此坦言,我们找不到任何理由去接受和承认如下观点:空间反演下,唯独波函数的变换是享有特权的,可以通过“改变物理量中的空间坐标符号”来加以实现。
因此,我们的结论是:
由式(1)所表示的改变波函数空间坐标符号的宇称变换,并不是空间反演下的波函数变换。
随之,我们面临的问题将是:空间反演下,波函数究竟该如何变换?正确的波函数变换公式到底是什么?我们又该如何找到它、并用它去再次否决“宇称变换”之式(1)?应当说,这是我们不能回避的挑战性课题。对此,我们将撰另文加以讨论,此处不赘。
三、宇称变换的真面目:检测波函数“奇偶性”的简单操作
我们已经得到了一个惊人的结论:所谓宇称变换,其实并不是空间反演下粒子或粒子体系的波函数变换。
那么,在我们眼里,宇称变换究竟是一种什么变换呢?
在《质疑量子力学中的宇称守恒定律》[3]一文中,我们指出:宇称变换,充其量只是用于检测波函数“奇偶性”的一种变换而已(因多元函数不提奇偶性,故此处加了引号)。在这种变换下,我们改变波函数中所有粒子的坐标符号,即把 改为 ,而时间t的符号不变,如果有
(10)
则称该波函数为“偶函数”;如果有
(11)
则称该波函数为“奇函数”。如果上面两个式子都不成立,就称该波函数为非“奇”非“偶”函数。
而现在,我们更是认为:所谓宇称变换,其实与“变换”毫无瓜葛,它不是任何形式的变换,自然也不是空间反演下的波函数变换。所谓宇称变换,仅是检测波函数“奇偶性”的一种简单操作而已[4]。
且看我们的如下剖析——
在这里,让我们首先重温一元函数的奇偶性概念。在《高等数学讲义》(上册)[5]第189页上, 樊映川等写道:
函数的奇偶性 若函数 y=f(x) 当x 改变符号时,函数值也只改变符号,即 f(-x)= – f(x) ,此函数就叫做奇函数;若 x改变符号时,函数值不变,即 f(-x)= f(x) ,此函数就叫做偶函数。
如同函数的有界性、单值性与多值性,及函数的单调增减性是函数的特性一样,函数的奇偶性也是函数的一种特性。讨论函数的上述各种特性,均无需涉及坐标变换下函数 y=f(x) 之变换。很清楚,人们在检测一元函数奇偶性时,对函数 y=f(x) 就未作任何变换。人们所做的,仅是把- x 处的函数值 f(-x) 与x 处的函数值 f(x) 作个比较而已。例如,中学生都已熟知的正弦函数和余弦函数,分别是奇函数和偶函数:
(12)
而函数
则是非奇非偶函数,因为有
(13)
套用一元函数的奇偶性概念,我们也可以检测粒子速度 的“奇偶性”:若速度当自变量 改变符号时,函数值不变:
(14)
此速度就叫做“偶函数”;若自变量 改变符号时,函数值也只改变符号:
(15)
此速度就叫做“奇函数”。如果上面两个式子都不成立,就称该速度为非“奇”非“偶”函数。
在关于速度“奇偶性”的上述检测操作中,我们对空间坐标未作任何变换,对速度未作任何变换。我们所做的,仅是把-r 处的函数值 v(-r.t) 与 r 处的函数值 v (r.t) 作个比较而已。这种检测操作,与空间反演无涉;与空间反演下的速度变换无涉。
最后,套用一元函数的奇偶性概念,我们来给出波函数的一个特性——“奇偶性”:
若波函数
当自变量 r1改变符号时,函数值如式 (10)所示不变,此波函数就叫做“偶函数”;若自变量r1 改变符号时,函数值如式 (11)所示也只改 变符号,此波函数就叫做“奇函数”。
显然,在关于波函数“奇偶性”的检测操作中,我们对空间坐标未作任何变换,对波函数
未作任何变换。我们所做的,仅是把 -r1 处的函数值
与 r1处的函数值
作个比较而已。
所以,我们的结论是:
宇称变换有名无实,它与空间反演无涉,与空间反演下的波函数变换无涉,自然也就与左右对称毫无关涉。说白了,它仅是检测波函数“奇偶性”的一种简单操作而已。
在揭示了宇称变换的真面目后,我们的下一篇文章,自然将是:揭示宇称守恒的真面目。
作者:江棋生
2025年11月22日 定稿于北京家中
参考文献:
[1]江棋生. 子弹飞行过程的左右不对称. 初稿于2025年10月24日发布于微信 公众号“阿斗凿墙”,修改稿于2025年11月8日发布于《光传媒》和《民主中国》网刊.
[2]江棋生. 电磁相互作用的左右不对称. 2025年11月11日发布于微信公众号“阿斗凿墙”、《光传媒》和《民主中国》网刊.
[3]江棋生. 质疑量子力学中的宇称守恒定律[OL]. 序号1512,自然科学—物理学,中国预印本服务系统,国家科技图书文献中心网,2010.09.08.在网上搜索一下,就能见到这篇文章;或去我的《科学网》博客,也能找到这篇文章.
[4]江棋生. 物理学分立对称性新论[M]. 武汉:汉斯出版社,2022:132. 汉斯出版社关于此书的荐读网页:
https://mp.weixin.qq.com/s/2rlTYJejUuWzWJLNZV7_aQ
[5]樊映川等. 高等数学讲义上册[M]. 北京:人民教育出版社,1964:189.
附录
空间反演下的物理量变换
——现有理论给出的认知
1、标量、矢量和张量
空间反演下,各种物理量呈现不同的变换特性,由此可将它们分为标量、矢量和张量:
若一物理量只需一个数表达,在空间反演下数值不变,则称此量为标量,如质量、电荷、温度、标势等,它们与空间坐标的反射变换无关。
若一物理量由三个数 v1 决定,当空间反演时,其变换关系与坐标的变换关系相同,即
(1)
则称此量为(真)矢量,也称极矢量,如速度、力、电场强度等。
若一物理量由九个数决定,在空间反演下,其变换关系为
(2)
则称此量为(二阶)张量,如电磁场的张力张量。
一般地,若 阶张量 的分量按 个坐标乘积的反演规律变换,即
(3)
则为真正的张量,简称张量。
2、贋标量、贋矢量和贋张量
空间反演下,还存在贋标量、贋矢量和贋张量:
若一物理量只需一个数表达,在空间反演下其数值改变符号,则称此量为贋标量。如极矢量A、B、C的混合积
就是贋标量。又如螺旋度
也是赝标量。式中
为微观粒子的自旋算符,是矢量;而
是粒子沿动量方向的单位矢量。
若一物理量由三个数v1 决定,当空间反演时,其变换关系不再与坐标的变换关系相同,而是依下式变换
(4)
则称此量为贋矢量,也称轴矢量,如角动量、角速度、力矩、磁感应强度等。
若一物理量由九个数决定,在空间反演下,依下式变换
(5)
则称此量为(二阶)贋张量,如引力场能量-动量贋张量等。
一般地,若 阶张量 的分量按照下式变换,即
(6)
则为贋张量。
(附录内容原载《物理学分立对称性新论》第100至102页)