同位旋（isotopic spin）是強子的基本性質之一，是表征自旋和宇稱相同、質量相近而電荷數不同的幾種粒子歸屬性質的量子數。
同位旋是一個抽象的概念，是為了解釋已經觀察到的實驗事實(即強力的電荷無關性)而人為地引進的一種量子數。這個概念由海森伯格（Werner Karl Heisenberg）于1932年提出。海森堡發現，在強相互作用中交換質子和中子是對稱的，這種對稱性被稱作同位旋對稱性。用同位旋對大量強子進行分類，用強作用下同位旋守恒定律討論粒子的相互作用和轉化，這在實驗上已經表明，從20世紀50年代起同位旋概念就擴展到粒子物理學領域了。到1954年2月，楊振寧和賴特·米爾斯完成了推廣規范不變性的工作，撰寫了著名的論文《同位旋守恒和同位旋規范不變性》。
同位旋對稱性在粒子物理與核物理的發展中曾經起到非常重要的作用。在此之后，這一對稱性成為是核物理和強子物理研究的基本概念和基本研究手段之一。
定義
同位旋是強子的基本性質之一，是表征自旋和宇稱相同、質量相近而電荷數不同的幾種粒子歸屬性質的量子數。
同位旋是在原子核和基本粒子研究中引入的一個特殊量子數。最初因為中子和質子的質量以及它們在原子核中的性質都十分相近，所以把它們看作是同一種基本粒子，稱為“核子”的兩個不同荷電狀態，以不同的同位旋量子數互相區別。后來這概念又推廣到介子等其他基本粒子，并且建立了一條“同位旋守恒定律”，即微觀粒子系統在強相互作用過程中，其同位旋量子數之矢量和前后保持不變。
目前，同位旋守恒被看作強子的相互作用中更為普遍的味守恒中的一種。一個粒子的同位旋可以通過它所包含的上夸克和下夸克的數量來計算。
在數學上，如果指定質子基態和中子基態為二維空間中的單位基，那么中的變換將混合質子和中子態，由于群結構相同，因此可以照搬角動量理論的所有結果。選擇“同位旋”這個名稱是為了顯示數學的相似性和物理含義的不同（這個術語起源于“同位素的”自旋）。
研究進展
同位旋概念的提出
二十世紀初，人們認識到原子由原子核與核外電子組成，而原子核由質子 () 和中子 () 兩種核子組成。實驗發現質子和中子的質量差非常小，例如現代的測量表明中子質量 () 與質子質量 () 之比是。中子和質子都是強相互作用粒子，而這兩者的質量又相差很小。
1932 年，海森伯格意識到，在強相互作用的現象中，質子和中子很難區分。具體一些說，如果在強相互作用中交換質子和中子，除了因為電荷導致的效應外，看不出區別。如果把一個物理過程中的中子代換成質子、質子代換成中子，則通過代換得到的新物理過程與之前的物理過程具有幾乎相同的散射截面等物理性質。也就是說，在強相互作用中交換質子和中子是對稱的，這種對稱性被稱作同位旋對稱性。由此，海森堡提出了同位旋的概念。
海森堡根據電子自旋在空間中有兩種取問的概念提出了一種類似的描述核子兩重態的方法，他設想核子有一個“同位空間”，這個同位空間不是普通的空間而是各個方向代表不同電荷狀態的“空間”。如采用粒子的同位旋矢量來描述這種狀態，那么同位旋矢量在同位空間中的取向是量子化的。
同位旋守恒定律
同位旋守恒定律，即微觀粒子系統在強相互作用過程中，其同位旋量子數之矢量和前后保持不變。質子和中子的質量差別很小，它們的能量差別也很小，可以認為這一微小差別是由于它們的帶電性質不同所引起的。由于核力與核子是否帶電無關，因此，對于核力而言，中子和質子處于完全相同的地位。可以認為質子和中子不過是同一種粒子（核子）處于兩種不同的狀態而已。類似地，也可以把看成一種粒子的三種不同的狀態，這通常稱為強子的多重態（multiplet）。
為了描述強子的多重態，特引入同位旋量子數和它的分量，定義同位旋是一個性質與角動量類似的矢量，并規定共個值，分別對應粒子的一種狀態。例如，核子有質子和中子兩種狀態，故所以和，通常指定質子的，而中子的。由此，也可以得到的值分別是-1，0和1。
在認識到質子和中子等強子都是由夸克構成之后，才認識到同位旋的本質是由于和夸克的質量小（因此差別小），再把它們所帶的電荷差別略去，所導致的對稱性和對應的量子數。真實物理世界中，和夸克的質量和電荷都有差別，因此同位旋對稱性是近似的；同位旋的破壞是和夸克的質量差和電磁作用引起的。
強子的同位旋是由它們的組分夸克的同位旋按一定的規則組合（C-G系數）而成的。夸克是同位旋的兩重態。質子（）和中子（）的同位旋是由夸克組分中的，構成同位旋單態，即中子的同位旋就是夸克的同位旋，質子的同位旋就是夸克的同位旋。
實驗表明，強相互作用過程中，同位旋和它的分量都守恒；電磁相互作用過程中，不守恒但守恒；弱相互作用過程中和它的分量都不守恒。該規律被稱為同位旋守恒定律（law of conservation of isobaric spin）。
同位旋守恒和同位旋規范不變性
之后，經過10余年的不懈努力，到1954年2月，楊振寧和賴特·米爾斯完成了推廣規范不變性的工作，撰寫了著名的論文《同位旋守恒和同位旋規范不變性》。
同年4月，他們寫了一份摘要，提交給在華盛頓哥倫比亞特區舉行的美國物理學年會。這份摘要，就是后來的《同位旋守恒和一種推廣的規范不變性》。其中，闡述了他們的動機和目標：與電荷守恒相類似，同位旋守恒表明了存在著一個基本的不變性定律，在前一種情形里，電荷是電磁場的源；在這種情形中的一個重要的概念是規范不變性，它與下列三點緊密相連：1.電磁場的運動方程；2.流密度的存在；3.在帶電場和電磁場之間可能有的相互作用。他們嘗試了將這個規范不變性的概念推廣應用到同位旋守恒上，結果發現有可能實現同一個十分自然的推廣。
因為，規范不變性思想的推廣，結果應是強相互作用的一個完整理論，并以同位旋為造成這一強相互作用的“荷”，而新發明的規范場則為“粘膠”，起著電磁場在電動力學中所起的那種作用。
同位旋概念的擴展
海森伯格的核結構模型至少存在這樣三個問題：(1)衰變核所發射的電子為什么不是核的組分之一。 (2)所謂“無自旋電子"究竟是什么東西。 (3)同種核子相互作用靠什么來傳遞。
關于第一個問題，1934年的費米理論能作出完美的回答。粒子和中微子是核衰變過程中產生的，如同原子發光而光子并非原子的組分一樣，電子也不是核的組成部分。伊戈爾·塔姆（Tamm）和伊凡寧科曾經設想，中子和質子的相互作用靠交換電子、中微子產生，而伽莫夫（Gamow）、J.H.泰勒（Teller）和溫采爾（Wenlzel）提出同種核子通過交換正負電子對或正反中微子對可以產生相互作用。這些想法既能回答上述的兩個問題，又能滿足核力的電荷無關性的要求。但是，理論計算表明，靠交換輕子提供如此強的核力是遠不夠的。盡管如此，這些工作還是值得一提的，因為在這樣的理論框架中，把輕子對換成介子構成了介子場論，凱默在這方面做了有效的工作。
1935年，湯川預言了帶電介子的存在，它們傳遞核子之間的相互作用。兩年后安德遜（Anderson）和奈德麥義爾（Neddermayer）發現子，因質量相近被誤認為湯川粒子。于是湯川理論被廣泛地研究，并提出應存在中性介子傳遞同種核子間的作用。貝特（Bethe）選取中性介子場（即標量介子場）定性地解釋了核力的短程性和電荷無關性；之后，為表示核力與自旋有關，又選取了標量場論的方案。
1947年鮑威爾（Powell）發現帶電介子，1950年中性介子的存在也被證實。因為介子有三種不同的帶電狀態，所以，其同位旋量子數等于1。實驗證實介子存在，這對湯川理論是一個有力的支持。核力的介子場論成為解決核力本性的一個方向，介子和核子都是第一代粒子的成員，這兩類粒子的根本區別之一就在于同位旋不同。用同位旋對大量強子進行分類，用強作用下同位旋守恒定律討論粒子的相互作用和轉化，這在實驗上已經表明，從20世紀50年代起同位旋概念就擴展到粒子物理學領域了。
最強同位旋混雜現象
2022年，中國科學院近代物理研究所的科研人員及其合作者依托蘭州重離子加速器大科學裝置開展了質子滴線核磷衰變性質的高精度測量，發現了衰變中最強同位旋混雜現象。
在同位旋嚴格對稱的情況下，衰變中恩里科·費米躍遷僅布居至同位旋相似態。然而，同位旋對稱性破缺會導致費米躍遷強度劈裂，不僅布居到同位旋相似態， 也會布居到同位旋相似態附近的激發態。此前，實驗上僅發現幾例這種同位旋混雜的現象，同位旋混雜矩陣元均小于，理論上也基本能解釋這些現象。
近代物理所核物理中心研究人員基于蘭州重離子加速器放射性束流線（）開展了奇特原子核磷的延遲雙質子發射的關聯測量，首次發現硅同位旋相似態附近的兩個高激發態和。
基于高精度的實驗數據，研究人員得到硅同位旋相似態與高激發態的同位旋混雜矩陣元為，是目前實驗上發現的β衰變中最強同位旋混雜現象，其背后的物理成因可能是弱束縛或者大形變效應。然而，針對磷衰變的各種理論模型計算得到的同位旋混雜矩陣元均小于，遠小于實驗值。該實驗結果對現有理論研究提出強有力挑戰，將推動原子核相互作用力相關理論的發展。
研究影響
同位旋對稱性在粒子物理與核物理的發展中曾經起到非常重要的作用。在此之后，這一對稱性成為是核物理和強子物理研究的基本概念和基本研究手段之一。
海森伯格的同位旋是典型的現象學研究的結果。他提出的規則基于現象，是對現象的抽象。這個規則并不是 “現象背后的原因”，而僅僅是對 “現象運作的模式” 的一個抽象表達。
楊振寧對同位旋對稱性的成功印象深刻，他試圖找到能夠理解強相互作用的原理，他把電磁相互作用中的規范對稱性推廣到同位旋，在上世紀五十年代提出了基于同位旋對稱性的非尼爾斯·亨利克·阿貝爾規范理論，即楊-米爾斯理論。這個理論雖然沒有立即獲得成功，但是在后來的發展中，科學家們認識到粒子物理的大廈可以建筑在楊-米爾斯規范理論的原理之上，楊-米爾斯理論因此成為物理學的一個基本原理。
類似現象理論
同位旋相似態
核子數相同（稱為同質素），自旋、宇稱相同，同位旋相同，只有不同的能級。又稱同位旋多重態。
對于具有電荷無關性的強相互作用，質子和中子是完全相同的，可以把它們看成是一種粒子——核子的兩種狀態。質子和中子的這種內部對稱性質可以用同位旋（一種與普通空間中的自旋類似的內部對稱量子數）來描述：核子的同位旋，沿第三軸的分量工，可取和，分別對應質子和中子，或者說，質子和中子是一個同位旋二重態。
與在普通空間的轉動不變性保證能級與角動量的第三分量取值無關類似，強相互作用在同位旋空間的轉動不變性將導致能級與同位旋的第三分量取值無關。因此核力的電荷無關性是強相互作用的同位旋轉動不變性的結果。同位旋轉動不變性保證同位旋守恒。由于與電荷有關，電磁相互作用不具有同位旋空間的轉動不變性，因此破壞同位旋守恒。同一同位旋多重態中的質量差異是由電磁作用引起的。
弱同位旋
弱同位旋（weak-isospin），是1965年由溫伯格和薩拉姆首先在弱電統一模型中引入的概念。弱相互作用在粒子本身某一抽象空間——弱同位旋空間中具有一種對稱性，即SU(2)對稱性。弱同位旋是這一抽象空間中的變量。
參與弱相互作用的粒子具有弱同位旋量子數，構成一定的弱同位旋多重態。如左旋的中微子和左旋電子是弱同位旋量子數為的二重態的兩個分量，右旋電子是弱同位旋量子數為零的單態。
核同位旋
1937年，美國物理學家尤金·維格納進一步用這個理論來描述原子核的同位旋屬性。實驗表明，核子之間的作用力主要是核力，它近似地與核子所帶電荷無關，即質子和質子、中子和中子，以及質子和中子之間的核力是相同的，這說明就核力的性質而言，質子與中子之間沒有區別。因此，把質子和中子看成同一種粒子（核子）的兩種不同狀態。為區別它們，引入了一個新的算符，代表核子的同位旋矢量，其量子數為。
中子和質子同位旋相同，但同位旋第三分量不同，中子的，質子的，具有對稱性。同位旋矢量是可以相加的，因此，一個原子核的總同位旋矢量為組成該原子核的質子和中子的同位旋矢量之和，即，第三分量。一個原子核的質子數為，中子數為，質量數為，其同位旋第三分量。因此，同一種核素的不同能態都具有相同的同位旋值。但是，原子核同位旋量子數的取值范圍為。
參考資料 >
【科學網】科學家發現最強同位旋混雜現象.近代物理研究所官網.2024-06-05
科學家發現最強同位旋混雜現象.中國科技網.2024-05-31
術語在線.術語在線.2024-04-22
近物所在原子核同位旋對稱性破缺實驗研究中有新發現----中國科學院.中國科學院.2024-04-22
物理學的現象學.中科院物理所.2024-04-22
Werner Heisenberg. Physics Book.2024-04-22
同位旋 - 《中國大百科全書》第三版網絡版.中國大百科全書.2024-04-22
同位旋相似態 - 《中國大百科全書》第三版網絡版.中國大百科全書.2024-04-22
核同位旋 - 《中國大百科全書》第三版網絡版.中國大百科全書.2024-04-22