导读:在《揭示宇称变换的真面目》一文中,我们明确指出:现有理论中的宇称变换,并不是空间反演下的波函数变换,它其实只是检测波函数“奇偶性”的简单操作而已。我们在文中坦陈,我们面临一个不容回避的挑战性课题: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又到底是什么?并且承诺“将撰另文加以讨论”。
如今面世的本文,就是我们言而有信交出的原创性答卷。我们先是亮出自己找到的波函数变换公式;再是提出一个检验上述公式是否成立的试金石,并给出我们的检验结果:我们的波函数变换公式,能够成立。而宇称变换公式,则被再一次证伪。
文中不得不援用的13个公式,相信高中的理科学生应该能看懂。
我们曾经提到过,空间反演的同义词,叫做左右变换。对一般读者来说,“空间反演”显得专业、抽象,而“左右变换”则比较接地气。事实上,一个人只要去照镜子,就会对左右变换产生形象化的亲身体悟:明明自己是用右手在刷牙,而镜子里的“自己”却共时地用其左手在刷牙。在本文的论述中,我们用左右变换来替代空间反演,祈望能有助于读者对文本的阅读和理解。
我们知道,在高中数学教科书中,有关于空间坐标平移变换和旋转变换的内容。而左右变换,则是空间坐标的另一种变换——反射变换,它与镜像反映实质上是一回事[1]。反射变换的一般形式,可用矢径r的变换表示如下:
(1)
人们进行坐标变换,自然不是在玩数学游戏,而是为了探究物理规律的各种对称性。式(1)所示的左右变换,就是奔研讨左右对称性而去的。如同空间坐标的平移和旋转变换那样,左右变换也会导致各种物理量的相应变换,其中包括量子世界中的重要物理量——波函数的变换。现有理论中的“宇称变换”公式,就被称为“左右变换下物理量变换”的通用公式;其中的重头戏,则是微观粒子或粒子体系波函数之变换。
不过,在《揭示宇称变换的真面目》[2]一文中,我们明确指出:现有理论中的宇称变换,其实并不是左右变换下的波函数变换,它只是检测波函数“奇偶性”的简单操作而已。我们并且坦陈,我们面临一个不容回避的挑战性课题:左右变换下,波函数究竟该如何变换?正确的波函数变换公式又到底是什么?
在《空间反演下的物理量变换与左右对称性》[3]这篇论文中,我们已经给出了自己独立探索的结果。在我们的专著《物理学分立对称性新论》[4]中,我们又做了重申。我们在本文中要做的,是推介我们的上述原创性成果:我们将首先亮出自己找到的波函数变换公式,再是公示一个检验上述公式是否成立的试金石,并报告我们的检验结果。
在写作这篇推介文章的过程中,出乎我们意料的是,我们居然又有了喜人的新斩获。现在,本文中“我们找到的波函数变换公式”,已不是载于文献[3]和[4]中的公式,而是刚刚新鲜出炉的公式。
一、我们找到的波函数变换公式
我们独立探索的着眼点是:一般情况下,波函数乃是复数。那么,左右变换会对复数造成影响吗?如果有影响,又将体现在哪里?
为了写作此文,我们重温了一本大学教科书——《复变函数》[5]。我们在浏览复数的四种表示法时[6],突然顿悟到:如果从复数的矢量表示法着手,就能简洁明快、单刀直入地找到波函数的变换公式。
常用的复数表示法,叫做点表示法:任一复数
与一对有序实数x、y相对应,故对于平面上给定的直角坐标系,可用坐标为 (x , y) 的点来表示这一复数。x轴称为实轴,y轴称为虚轴,两轴所在的平面称为复平面或z平面。而复数的矢量表示法是:复数z还能用复平面上从原点指向点(x , y) 的矢量来表示(图1)。矢量的长度称为z的模或绝对值,记作
(2)
图1 复数
的矢量表示法
复数z既然是矢量,那么在左右变换下,它的变换关系就与式(1)所示的坐标变换关系相同,即有
.
(3)
这就是说,左右变换把任一复数z变换成其相反数-z。
由此立马可知,作为矢径r和时间t 的函数的任一波函数
,将在左右变换下作如下变换:
.
(4)
这里,我们要破例提一下空间反演;空间反演的英文表达是:Space Inversion,我们取其首字母S作为算符标识,以算符
表示上述变换:
.
(5)
我们把算符
郑重地命名为波函数的左右变换算符,而式(5)就是我们找到的左右变换下的波函数变换公式。
现在,很有必要把宇称变换公式重述如下:
(6)
式(6)为现有理论中的左右变换下的波函数变换公式。不过,式中的宇称算符
,不光仅对波函数适用,它更是左右变换下通用的物理量变换算符;其功能是:把物理量函数中的空间坐标改变符号,从而实现对该物理量的“变换”。
式(5)与式(6)看上去差别不大,但实质上截然不同。此刻,两个公式面临一场真假美猴王般的对决:左右变换下的波函数变换,究竟是由算符
来表征,还是由算符
来表征?式(5)与式(6),到底哪个为真家伙?哪个又是冒牌货呢?
二、一块检验真假的试金石
所幸的是,我们很快就找到了一块试金石,那就是:微观粒子在空间各处的几率分布函数w(r,t)。w(r,t)可是一个响当当的标量,它在左右变换时保持不变:
.
(7)
让我们先来看看,采用我们的式(5)作为波函数的变换公式时,w(r,t)是否果然为标量。
对于一个粒子而言,表征波之强度的波函数模的平方,与t时刻在空间r处单位体积内发现粒子的几率成正比[7];而对于归一化的波函数,则比例系数为+1,即有
.
(8)
由上式可知,在左右变换下,w(r,t)将作如下变换
.
(9)
对式(5)来说,式(9)中的
就是-
。显然,我们总有
,
(10)
即总有
.
(11)
式(11)雄辩地表明,从我们的式(5)出发,粒子的几率分布函数w(r,t)的确是标量,它在左右变换下持守金刚不败之身。
一句话,我们的波函数左右变换算符
,经受住了试金石的检验。
接着让我们来看看,人们采用大名鼎鼎的式(6)时,w(r,t)是否为标量。
对式(6)来说,式(9)中的
乃是
。我们要问:人们能总有
(12)
吗?即人们总能得到式(11)吗?
显然,人们不是总能得到式(11)。对于具有“奇偶性”的波函数:
, (13)
人们的确能有式(12),从而得到式(11)。而对于非“奇”非“偶”之波函数,人们就只能徒呼无奈,无从觅得式(12)、无法得到式(11)了。
这就是说,在宇称变换下,粒子在空间各处的几率分布函数w(r,t)一般地不能保持不变,w(r,t)也就随之失去了作为标量的资格。
一句话,现有理论中的波函数左右变换算符
,不能经受住试金石的检验。
一经检验,真假立判。我们的判词是:
- 宇称算符
被再一次证伪[8],足见其肯定是冒牌货,不能表征左右变换下的波函数变换。在以后的文章中,我们还将作一个系统性说明:对左右变换下的所有物理量变换,宇称算符
均不能加以表征。
2、经受住检验的、我们原创的波函数左右变换算符
,就是左右变换下的波函数变换算符。
多少年来,物理学界一直没有人从名闻遐迩的式(6)出发,去具体推导一下粒子几率分布函数w(r,t)的变换;多少年来,人们一直将宇称变换这个冒牌货,认作左右变换下的波函数变换及物理量变换[9][10][11]——不能不说,这是一个颇为奇葩的理性迷误,令人费解,让人长叹。
2025年12月12日 初稿于北京家中
2025年12月16日 定稿于北京家中
参考文献与注释:
[1]镜像反映,是空间坐标反射变换的另一种形式;它与左右变换之间,仅差一个空间坐标的旋转变换。
[2]江棋生. 揭示宇称变换的真面目. 2025年11月23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. 空间反演下的物理量变换与左右对称性[ OL]. 序号1513,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,2010.09.10.
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,2022:128-129,132,144.
汉斯出版社关于此书的荐读网页:
https://mp.weixin.qq.com/s/2rlTYJejUuWzWJLNZV7_aQ
- 西安交大高等数学教研室. 复变函数[M]. 北京:人民教育出版社,1978:3-4.
[6]复数的四种表示法是:点表示法,矢量表示法,三角表示法和指数表示法。
[7]对处在同一状态下的大量粒子而言,波函数模的平方与t时刻在空间r处单
位体积内找到粒子的数目成正比。也就是说,在波的强度为极大的地方,找到
粒子的数目为极大;在波的强度为零的地方,找到粒子的数目为零。
[8]在文献[2]中,我们运用左右变换下正确的速度变换公式,首次证伪了宇称变换。
[9]李政道. 粒子物理和场论[M]. 济南:山东科技出版社,1996:109.
[10]赖德 L. 基本粒子与对称性[M]. 北京:科学出版社,1980:26.
[11]JACKSON J D. 经典电动力学[M]. 北京:高等教育出版社,2003:271.
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