维格纳关于对称性思想的应用及其意义

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维格纳关于对称性思想的应用及其意义

作者：赵旭

来源：《教育界·下旬》2018年第01期

【摘要】维格纳因发现基本粒子的对称性及支配质子与中子相互作用的原理，于1963年获得了诺贝尔物理学奖。他基于对称性问题的研究形成的独特而深刻的哲學见解，对对称性的扩展和重新解释做出了历史性贡献，对于解读对称性的物理学及哲学意义有着重要而深远的影响。

【关键词】维格纳；对称性；群论；量子力学；哲学意义

尤金·保罗·维格纳（Eugene Paul Wigner， 1902-1995），美籍匈牙利人，20世纪杰出的物理学家之一。在他的科学文献中，对称性扮演了核心的角色。特别是他在量子力学中关于对称性和不变性原理方面的开创性工作。

一、维格纳将对称性应用于量子力学

（一）1927年，维格纳首先用对称性成功地分析了原子光谱，发现了宇称守恒定律

宇称是描写微观粒子在空间反演下变换性质的物理量，记为P，有奇偶之分。如果在空间反演下描述某一粒子的波函数保持不变，则该粒子具有偶宇称；如果改变符号，则为奇宇称。粒子系统的总宇称等于各个粒子宇称的乘积，还要乘上轨道运动的宇称。宇称守恒定律表明，粒子或粒子系统在相互作用前后的总宇称不变，它反映了物理规律在空间反演下的对称性。

维格纳在解释拉波特选择定则时提出了“宇称守恒”的观点。1924年，拉波特在研究铁原子辐射的光谱后，发现铁原子具有两类不同的能级，即奇能级和偶能级。在通过单光子的吸收或发射而发生的能级跃迁中，一个奇能级总是改变到一个偶能级，或者反过来，处在偶能级的电子只会跃迁到奇能级。当时的拉波特并没有解释为什么会存在这一选择定则。

1927年，维格纳用严格的推导证明了由拉波特揭示的实验规律是原子内部的电磁力具有

左右对称的结果。由此，维格纳引入“宇称”的概念，并完成了《量子力学中的守恒定律》这一论文。用宇称守恒来分析原子光谱，拉波特总结的规律就很容易得到解释。因为原子内部的电磁相互作用力是左右对称的，原子的各个能级都有确定的宇称。同时光子的宇称确定为奇的（-1）。如果初态原子处于宇称为奇（-1）的能级状态，当其吸收或发射光子跃迁到末态后，总宇称为原子末态能级的宇称与光子宇称的乘积，这个乘积数也必须为奇（-1）。由光子的宇称为奇（-1）可知，原子的末态能级宇称为偶（+1）。这正是实验观察到的情况。由于宇称守恒定律用于分析原子光谱的成功，后来被进一步应用于原子核物理和粒子物理中，在大量现象中宇称守恒的讨论都取得了很大的成效。直到1956年李政道、杨振宁提出弱相互作用过程中宇称不守恒，这一定律的局限性才被揭示。