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 粒子物理行(十六)電荷守恆與規範對稱

粒子物理行(十六)電荷守恆與規範對稱

相信任何一個學過物理的人都學過電荷守恆定律—封閉系統內的總電荷隨時間不變,即電荷不能被創造或消滅。例如,電子\(e^−\) 帶負電荷 \(−e\)(\(e\) 為質子電荷),反電子 \(e^+ \) 帶正電荷 \(+e\),兩者可碰撞而互相湮滅,變成兩顆光子(圖一)。在這過程中,初態總電荷為 \(−e + e = 0\),終態總電荷也為零(光子不帶電荷),因此這過程符合電荷守恆定律,並且確實在實驗中被觀察到。至今,物理學家並未在實驗中發現電荷守恆定律被違反。因此,我們有理由相信電荷守恆定律是被嚴格遵守的基本物理定律。我們很自然會問:「為何電荷守恆?」在第二章,我們知道守恆定律與物理定律的對稱性有關。例如,能量守恆是基於物理定律在時間平移下的不變性,即物理定律不分時間;動量守恆是基於物理定律在空間平移下的不變性,即物理定律不分位置;角動量守恆是基於物理定律在空間旋轉下的不變性,即物理定律不分方向。我們可以問:「電荷守恆是基於某種物理定律的對稱性嗎?」從現代物理學的角度看,答案是肯定的。可是,有別於能量、動量和角動量守恆所對應的時空對稱,電荷守恆所對應的對稱與時空對稱無關,是一種獨立於時空對稱的內在對稱,稱為規範對稱(gauge symmetry)。在現代物理學裏,規範對稱被視為比電荷守恆更基本的原理,因為電荷守恆只是規範對稱所蘊含的眾多結果之一。
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