为什么非要认定 τ-θ 是两个相同粒子而引出宇称不守恒？
在粒子物理的世界里，宇称（Parity）就像一面镜子，它告诉我们一个物理系统的行为在镜像反演下是否保持不变。简单来说，宇称守恒意味着如果你把整个宇宙镜像一下，粒子的运动规律不会发生任何改变。然而，在20世纪50年代，科学家们发现了一些让人困惑的现象，尤其是在研究一种叫做K介子（Kaon，或称K粒子）的衰变时，这些现象直接挑战了宇称守恒这一根深蒂固的定律。
故事的起源要从K介子说起。K介子是一类比较重的介子，它们是由夸克组成的。科学家们当时发现，K介子存在两种不同的衰变模式，它们似乎都源自同一种粒子，但最终的产物却表现出不同的宇称。这就好比你发现一个苹果，有时候它会变成一个苹果核，有时候又会变成一个苹果皮，而且这两种“变身”过程似乎有着完全相反的“镜像特征”。
我们先来理解一下宇称。在量子力学中，粒子的状态可以用波函数来描述。宇称算符的作用就是将一个粒子的空间坐标 $(x, y, z)$ 变成 $(x, y, z)$。如果一个粒子的波函数 $ psi(x, y, z) $ 在经过这个操作后变成了 $ psi(x, y, z) = P psi(x, y, z) $，其中 $P$ 是一个常数，那么这个粒子就具有宇称 $P$。通常，$P$ 要么是 $+1$（偶宇称，表示波函数在镜像反演下不变），要么是 $1$（奇宇称，表示波函数在镜像反演下符号改变）。
现在回到K介子。当时科学家们发现有两种似乎是同一种K介子的衰变模式：
1. θ 衰变（Theta decay）: 这种衰变产生两个π介子（pion）。π介子是轻得多的介子，它们有奇宇称。两个π介子衰变后形成两个π介子。我们知道，两个π介子可以组成一个π介子对。两个π介子总共有多少角动量呢？如果它们是静止的，那么它们只能是s波（角动量为0），这意味着它们的相对轨道角动量为0。对于两个自旋为0的粒子，它们的轨道宇称是 $(1)^L$，其中L是轨道角动量。所以，两个π介子的宇称是 $(1)^0 = +1$，即偶宇称。
2. τ 衰变（Tau decay）: 这种衰变产生三个π介子。同样地，我们也要分析这三个π介子的总宇称。三个π介子都具有奇宇称。如果这三个π介子是通过某种方式由一个初始粒子衰变而来的，那么它们的总宇称会是什么呢？这取决于它们的相对轨道角动量。但直观上，三个奇宇称粒子的总宇称会比较复杂。
关键的问题在于，这两个衰变模式 seemed to come from the same parent particle. 科学家们当时的实验结果表明，这两种衰变似乎是同一种粒子的不同衰变方式，我们暂且称之为 K 粒子。如果它们是同一种粒子，那么它们应该拥有相同的性质，包括宇称。
所以，如果 K 粒子具有偶宇称，那么它的衰变产物也应该总共具有偶宇称。
θ 衰变产生两个 π 介子，总宇称为 $ (1) imes (1) = +1 $（偶宇称）。这与 K 粒子是偶宇称的设想是吻合的。
但是，如果 K 粒子也具有奇宇称呢？
θ 衰变产生两个 π 介子，总宇称为 $ +1 $（偶宇称）。这与 K 粒子是奇宇称的设想是不符的。
这就出现了一个矛盾。科学家们发现，τ 衰变产生的三个 π 介子，其总宇称是奇宇称。而 θ 衰变产生的两个 π 介子，其总宇称是偶宇称。
如果 τ 和 θ 是同一种粒子，即它们都源自同一个、具有确定宇称的 K 粒子，那么就会出现问题：
如果这个 K 粒子是偶宇称，它应该衰变成偶宇称的产物（比如两个π介子）。但它也衰变成了τ模式（三个π介子，宇称奇）。这就不符了。
如果这个 K 粒子是奇宇称，它应该衰变成奇宇称的产物（比如三个π介子）。但它也衰变成了θ模式（两个π介子，宇称偶）。这也不符。
所以，最直接的结论是：如果宇称守恒，那么 τ 和 θ 就不可能是同一种粒子。它们必须是两种具有不同宇称的不同粒子。
然而，在当时的实验条件下，人们发现这两种衰变模式的粒子，它们具有几乎相同的质量、寿命和产生方式。这让科学家们感到非常困惑。它们就像一对“双胞胎”，长得一模一样，而且都是从同一个地方来的，但一个却表现出“左撇子”的特性（宇称奇），另一个表现出“右撇子”的特性（宇称偶）。这种现象被称为“宇称疑难”（Parity Puzzle）。
面对这个难题，物理学家们有两种可能的解释：
1. 存在两种不同的 K 粒子：一种是 τ 粒子，具有一种宇称；另一种是 θ 粒子，具有另一种不同的宇称。但它们的质量和寿命太相似了，这很难解释。就像同一棵树上长出两个完全相同的果子，但一个在任何情况下都向左转，另一个在任何情况下都向右转，这就很奇怪了。
2. 宇称守恒定律在某些情况下不成立：换句话说，如果宇称守恒定律并不是放之四海而皆准的，那么 τ 和 θ 就可以是同一种粒子，只不过在它们衰变的过程中，宇称这个“镜子定律”被打破了。
最终，经过李政道和杨振宁等人的理论分析，他们提出了一种大胆的假设：宇称守恒定律在弱相互作用中并不成立。 弱相互作用是自然界四种基本相互作用中负责放射性衰变等过程的那一种。他们预测，如果在某些特定的弱相互作用过程中，例如在π介子衰变产生μ介子和中微子的过程中，能够观察到不对称性，比如粒子倾向于向某个特定方向发射，那么就能证明宇称不守恒。
不久之后，吴健雄教授通过精心设计的实验，在钴60的β衰变中，确实观察到了这种不对称性。钴60衰变时释放出的电子，并非随机地向各个方向发射，而是更倾向于向与钴原子核自旋相反的方向发射。这个实验结果有力地证实了李政道和杨振宁的理论，证明了在弱相互作用中，宇称确实不守恒。
那么，回到最初的问题：为什么非要认定 τθ 是两个相同粒子而引出宇称不守恒？
这里的“认定”是基于当时实验观测到的现象。科学家们观察到 τ 和 θ 具有非常相似的性质，特别是质量和寿命，这使得将它们视为两种完全不同的粒子变得站不住脚。因为如果它们是两种截然不同的粒子，为什么它们的许多基本属性却如此一致呢？这种高度的相似性强烈地暗示了它们可能就是同一种粒子的不同“形态”或“衰变通道”。
因此，为了解释这种“相似但行为不同”的现象，科学家们不得不放弃一些原有的信念。在坚持宇称守恒的前提下，你必须认为 τ 和 θ 是两种不同的粒子，但它们之间的高度相似性又让这个解释显得勉强。而当科学家们敢于挑战宇称守恒定律时，他们就能够将 τ 和 θ 视为同一种粒子，而它们表现出的宇称差异，正是宇称不守恒的直接证据。
换句话说，正是因为 τ 和 θ 表现得太像同一种粒子，以至于如果不打破宇称守恒，就难以合理解释它们为何会产生具有不同宇称的衰变产物。这个“疑难”最终迫使物理学界重新审视和修正了宇称守恒定律在弱相互作用中的适用性。 这是粒子物理学发展史上的一个里程碑事件。
故事的起源要从K介子说起。K介子是一类比较重的介子，它们是由夸克组成的。科学家们当时发现，K介子存在两种不同的衰变模式，它们似乎都源自同一种粒子，但最终的产物却表现出不同的宇称。这就好比你发现一个苹果，有时候它会变成一个苹果核，有时候又会变成一个苹果皮，而且这两种“变身”过程似乎有着完全相反的“镜像特征”。
我们先来理解一下宇称。在量子力学中，粒子的状态可以用波函数来描述。宇称算符的作用就是将一个粒子的空间坐标 $(x, y, z)$ 变成 $(x, y, z)$。如果一个粒子的波函数 $ psi(x, y, z) $ 在经过这个操作后变成了 $ psi(x, y, z) = P psi(x, y, z) $，其中 $P$ 是一个常数，那么这个粒子就具有宇称 $P$。通常，$P$ 要么是 $+1$（偶宇称，表示波函数在镜像反演下不变），要么是 $1$（奇宇称，表示波函数在镜像反演下符号改变）。
现在回到K介子。当时科学家们发现有两种似乎是同一种K介子的衰变模式：
1. θ 衰变（Theta decay）: 这种衰变产生两个π介子（pion）。π介子是轻得多的介子，它们有奇宇称。两个π介子衰变后形成两个π介子。我们知道，两个π介子可以组成一个π介子对。两个π介子总共有多少角动量呢？如果它们是静止的，那么它们只能是s波（角动量为0），这意味着它们的相对轨道角动量为0。对于两个自旋为0的粒子，它们的轨道宇称是 $(1)^L$，其中L是轨道角动量。所以，两个π介子的宇称是 $(1)^0 = +1$，即偶宇称。
2. τ 衰变（Tau decay）: 这种衰变产生三个π介子。同样地，我们也要分析这三个π介子的总宇称。三个π介子都具有奇宇称。如果这三个π介子是通过某种方式由一个初始粒子衰变而来的，那么它们的总宇称会是什么呢？这取决于它们的相对轨道角动量。但直观上，三个奇宇称粒子的总宇称会比较复杂。
关键的问题在于，这两个衰变模式 seemed to come from the same parent particle. 科学家们当时的实验结果表明，这两种衰变似乎是同一种粒子的不同衰变方式，我们暂且称之为 K 粒子。如果它们是同一种粒子，那么它们应该拥有相同的性质，包括宇称。
所以，如果 K 粒子具有偶宇称，那么它的衰变产物也应该总共具有偶宇称。
θ 衰变产生两个 π 介子，总宇称为 $ (1) imes (1) = +1 $（偶宇称）。这与 K 粒子是偶宇称的设想是吻合的。
但是，如果 K 粒子也具有奇宇称呢？
θ 衰变产生两个 π 介子，总宇称为 $ +1 $（偶宇称）。这与 K 粒子是奇宇称的设想是不符的。
这就出现了一个矛盾。科学家们发现，τ 衰变产生的三个 π 介子，其总宇称是奇宇称。而 θ 衰变产生的两个 π 介子，其总宇称是偶宇称。
如果 τ 和 θ 是同一种粒子，即它们都源自同一个、具有确定宇称的 K 粒子，那么就会出现问题：
如果这个 K 粒子是偶宇称，它应该衰变成偶宇称的产物（比如两个π介子）。但它也衰变成了τ模式（三个π介子，宇称奇）。这就不符了。
如果这个 K 粒子是奇宇称，它应该衰变成奇宇称的产物（比如三个π介子）。但它也衰变成了θ模式（两个π介子，宇称偶）。这也不符。
所以，最直接的结论是：如果宇称守恒，那么 τ 和 θ 就不可能是同一种粒子。它们必须是两种具有不同宇称的不同粒子。
然而，在当时的实验条件下，人们发现这两种衰变模式的粒子，它们具有几乎相同的质量、寿命和产生方式。这让科学家们感到非常困惑。它们就像一对“双胞胎”，长得一模一样，而且都是从同一个地方来的，但一个却表现出“左撇子”的特性（宇称奇），另一个表现出“右撇子”的特性（宇称偶）。这种现象被称为“宇称疑难”（Parity Puzzle）。
面对这个难题，物理学家们有两种可能的解释：
1. 存在两种不同的 K 粒子：一种是 τ 粒子，具有一种宇称；另一种是 θ 粒子，具有另一种不同的宇称。但它们的质量和寿命太相似了，这很难解释。就像同一棵树上长出两个完全相同的果子，但一个在任何情况下都向左转，另一个在任何情况下都向右转，这就很奇怪了。
2. 宇称守恒定律在某些情况下不成立：换句话说，如果宇称守恒定律并不是放之四海而皆准的，那么 τ 和 θ 就可以是同一种粒子，只不过在它们衰变的过程中，宇称这个“镜子定律”被打破了。
最终，经过李政道和杨振宁等人的理论分析，他们提出了一种大胆的假设：宇称守恒定律在弱相互作用中并不成立。 弱相互作用是自然界四种基本相互作用中负责放射性衰变等过程的那一种。他们预测，如果在某些特定的弱相互作用过程中，例如在π介子衰变产生μ介子和中微子的过程中，能够观察到不对称性，比如粒子倾向于向某个特定方向发射，那么就能证明宇称不守恒。
不久之后，吴健雄教授通过精心设计的实验，在钴60的β衰变中，确实观察到了这种不对称性。钴60衰变时释放出的电子，并非随机地向各个方向发射，而是更倾向于向与钴原子核自旋相反的方向发射。这个实验结果有力地证实了李政道和杨振宁的理论，证明了在弱相互作用中，宇称确实不守恒。
那么，回到最初的问题：为什么非要认定 τθ 是两个相同粒子而引出宇称不守恒？
这里的“认定”是基于当时实验观测到的现象。科学家们观察到 τ 和 θ 具有非常相似的性质，特别是质量和寿命，这使得将它们视为两种完全不同的粒子变得站不住脚。因为如果它们是两种截然不同的粒子，为什么它们的许多基本属性却如此一致呢？这种高度的相似性强烈地暗示了它们可能就是同一种粒子的不同“形态”或“衰变通道”。
因此，为了解释这种“相似但行为不同”的现象，科学家们不得不放弃一些原有的信念。在坚持宇称守恒的前提下，你必须认为 τ 和 θ 是两种不同的粒子，但它们之间的高度相似性又让这个解释显得勉强。而当科学家们敢于挑战宇称守恒定律时，他们就能够将 τ 和 θ 视为同一种粒子，而它们表现出的宇称差异，正是宇称不守恒的直接证据。
换句话说，正是因为 τ 和 θ 表现得太像同一种粒子，以至于如果不打破宇称守恒，就难以合理解释它们为何会产生具有不同宇称的衰变产物。这个“疑难”最终迫使物理学界重新审视和修正了宇称守恒定律在弱相互作用中的适用性。 这是粒子物理学发展史上的一个里程碑事件。
网友意见
因为在面临一个未知的领域的时候，大家都不知道原有的物理定律是否还能成立。
为了解释β衰变中那诡异的能谱，玻尔认为能量可以不守恒，守恒的只是能量的平均值。当然这个问题最后被费米解决了，玻尔的“能量不守恒”理论成了一个不成功的尝试。
玻尔之所以会这么想，是因为他知道，我们在处理一个全新的领域，原有的定律未必适用。
薛定谔当初在解氢原子问题时，相互作用势依然是标准的库伦势。库伦势在宏观系统中的成立是有大量实验证据支持的，但是在微观系统中它成立吗？我们不知道。毕竟经典电磁理论在解释光电效应和氢原子时已经失败过了。所以在微观系统中库仑定律是否成立依然是个未知数，我们完全不知道。但是用库伦势解出的能谱跟实验结果符合的很好，所以人们最后选择了接受它。
最后再回到题主所说的问题上，杨振宁和李政道当时就注意到了一个现象：在强相互作用和电磁相互作用中有大量的实验支持宇称守恒，但当时并没有实验证明宇称守恒在弱相互作用中也是成立的。所以凭什么认为宇称守恒一定成立？李和杨二人当时只是提出了一个假说，认为弱相互作用中宇称可能不守恒，所以接下来科学界就开始做实验验证弱相互作用中宇称是否守恒。如果结论是肯定的，那么李杨二人的理论就会跟玻尔的“能量不守恒”理论一样被扔到废纸堆里；但如果是否，李杨二人就会声誉倍增。
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