北京時(shí)間 2 月 11 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，在人類(lèi)中，左撇子的比例大約為十分之一，是名副其實(shí)的少數(shù)。但毫無(wú)疑問(wèn)的是，從亞原子粒子到生命本身，宇宙其實(shí)很青睞“左撇子”。事實(shí)上，如果沒(méi)有這種基本的不對(duì)稱性，宇宙將會(huì)是一個(gè)非常不一樣的地方 —— 平淡無(wú)奇，大部分空間充滿了輻射，而且沒(méi)有恒星、行星或生命。盡管如此，物理科學(xué)中盛行著一種將事物在數(shù)學(xué)上推向完美的美學(xué)，這種完美就表現(xiàn)為對(duì)稱性。而且，我們往往會(huì)迷失在一個(gè)虛假的二元性問(wèn)題中，必須選擇陣營(yíng)：你是選擇支持“一切都是對(duì)稱的”，還是選擇做一個(gè)不完美的標(biāo)新立異者？
反物質(zhì)：物理學(xué)家為什么喜歡對(duì)稱？
我們都喜歡濟(jì)慈的名言“美即真理，真理即美”。但如果你堅(jiān)持將濟(jì)慈所說(shuō)的“美”與數(shù)學(xué)對(duì)稱性等同起來(lái)，將其作為尋找自然法則，即“真理”—— 比如在理論物理學(xué)中很常見(jiàn)的定律 —— 的途徑，就會(huì)遇到某些麻煩。這種將對(duì)稱與“真理”聯(lián)系在一起的方式，使得我們?cè)谖锢韺W(xué)中用來(lái)描述宇宙的數(shù)學(xué)方法需要反映出數(shù)學(xué)上的對(duì)稱性：宇宙呈現(xiàn)美麗的對(duì)稱性，而我們用來(lái)描述宇宙的方程必須揭示這種對(duì)稱之美。只有這樣，我們才能接近真理。
引用偉大的物理學(xué)家保羅?狄拉克的話：“在方程中包含美，比進(jìn)行合適的實(shí)驗(yàn)更為重要。”如果是其他不太知名的物理學(xué)家說(shuō)過(guò)這句話，他們可能會(huì)被同事們嘲笑，被認(rèn)為是柏拉圖主義者，或者是庸人。但狄拉克和他那些建立在對(duì)稱概念上的美麗方程，確實(shí)預(yù)言了反物質(zhì)的存在，即每一個(gè)物質(zhì)粒子（如電子和夸克）都有一個(gè)伴生的反粒子。這是一項(xiàng)驚人的成就，將對(duì)稱性的數(shù)學(xué)運(yùn)算應(yīng)用到一個(gè)方程中，引導(dǎo)人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)完整的平行物質(zhì)領(lǐng)域。難怪狄拉克如此忠誠(chéng)于“對(duì)稱之神”，是它引導(dǎo)他的思想取得了這一驚人的發(fā)現(xiàn)。
請(qǐng)注意，反物質(zhì)其實(shí)并沒(méi)有像聽(tīng)上去的那么古怪。反物質(zhì)粒子在引力場(chǎng)中并不會(huì)上升，只是它們的一些物理性質(zhì)發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，最顯著的便是電荷。因此，帶負(fù)電荷的電子的反粒子就叫做正電子，帶正電荷。
人類(lèi)的存在歸功于不對(duì)稱
在這里，我們遇到了一個(gè)狄拉克并不了解的問(wèn)題。支配自然界基本粒子行為的物理定律預(yù)言，物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)當(dāng)同樣豐富；也就是說(shuō)，它們應(yīng)該以 1：1 的比例出現(xiàn)。一個(gè)電子應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)一個(gè)正電子。然而，如果現(xiàn)實(shí)中存在這種完美的對(duì)稱性，那么在大爆炸后的幾分之一秒內(nèi)，物質(zhì)和反物質(zhì)就應(yīng)該湮滅，變成輻射（主要是光子）。但事實(shí)并非如此。大約十億分之一的物質(zhì)粒子作為多余的部分存留了下來(lái)。這意義重大，因?yàn)槲覀冊(cè)谟钪嬷锌吹降囊磺?—— 星系及其內(nèi)部的恒星，行星及其衛(wèi)星，地球上的生命，以及各種物質(zhì)團(tuán)塊，包括有生命的和沒(méi)有生命的 —— 都來(lái)自這些過(guò)剩的物質(zhì)。這就是物質(zhì)與反物質(zhì)之間基本的不對(duì)稱。
與人們所期待的宇宙對(duì)稱性之美相反，科學(xué)家們?cè)谶^(guò)去幾十年的研究表明，自然法則并不同樣適用于物質(zhì)和反物質(zhì)。究竟是什么機(jī)制創(chuàng)造了這種微小的物質(zhì)過(guò)剩？這種最終導(dǎo)致我們存在的不完美，是粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)中最重大的未決問(wèn)題之一。
在物理學(xué)中，有一種量子操作可以將物質(zhì)粒子轉(zhuǎn)化為反物質(zhì)粒子。這種運(yùn)算被稱為“電荷共軛”，用大寫(xiě)字母 C 來(lái)表示。C 對(duì)稱即電荷共軛對(duì)稱，表述的是物理定律在電荷共軛轉(zhuǎn)換中的對(duì)稱性。物理學(xué)家觀測(cè)到的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱意味著自然界并不呈現(xiàn)電荷共軛對(duì)稱：在某些情況下，粒子和它們對(duì)應(yīng)的反粒子不能相互轉(zhuǎn)化。具體來(lái)說(shuō)，C 對(duì)稱在弱相互作用（即弱核力，是導(dǎo)致放射性衰變的力）中被破壞了，而電磁力、引力和強(qiáng)相互作用等現(xiàn)象都遵守 C 對(duì)稱。中微子是所有已知粒子中最奇怪的一種，被稱為“幽靈粒子”，因?yàn)樗軌蛟诓皇芨蓴_的情況下穿過(guò)物質(zhì)（每秒大約有一萬(wàn)億個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子穿過(guò)你的身體）。
想要了解為什么中微子違反了 C 對(duì)稱，我們還需要了解一種稱為“宇稱”（parity）的內(nèi)在對(duì)稱，用字母 P 來(lái)表示?！坝罘Q變換”可以將一個(gè)物體變成它的鏡像。例如，你的身體就不是宇稱不變的；你的鏡像心臟位于右側(cè)。對(duì)于粒子而言，宇稱與它們的自旋方式有關(guān)。但是，粒子是量子物體，這意味著它們的自旋不是任意的。它們的自旋是“量子化的”，只能以幾種方式旋轉(zhuǎn)。對(duì)于電子、夸克和中微子這樣的基本粒子，自旋是與質(zhì)量、電量一樣的內(nèi)稟性質(zhì)。我們說(shuō)它們的自旋量子數(shù)為 1/2，意即可以是 + 1/2 或-1/2，這兩個(gè)選項(xiàng)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。一個(gè)很好的理解方法是彎曲你的右手，大拇指朝上；逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎孕槙r(shí)針?lè)较騽t為負(fù)自旋。
對(duì)一個(gè)左手性的中微子應(yīng)用 C 運(yùn)算，應(yīng)當(dāng)會(huì)得到一個(gè)左手性的反中微子。沒(méi)錯(cuò)，即使中微子這樣的電中性粒子，也有其對(duì)應(yīng)的反粒子，也是電中性的。問(wèn)題是，自然界中并沒(méi)有左手性的反中微子。我們只觀察到左旋中微子。弱相互作用 —— 中微子唯一能感覺(jué)到的相互作用（除了引力）—— 違反了電荷共軛對(duì)稱。這給執(zhí)迷于對(duì)稱之美的人提出了難題。
CP 破壞：非對(duì)稱獲勝
讓我們更進(jìn)一步。如果我們將 C（電荷對(duì)稱）和 P（宇稱）同時(shí)應(yīng)用于一個(gè)左旋中微子，應(yīng)該會(huì)得到一個(gè)右旋的反中微子：C 使中微子變?yōu)榉粗形⒆?；P 使左旋中微子變?yōu)橛倚形⒆?。沒(méi)錯(cuò)，反中微子是右手性的。弱相互作用分別違反了 C 對(duì)稱和宇稱，但顯然滿足了 CP 對(duì)稱組合的運(yùn)算。在實(shí)踐中，這意味著左手性粒子的反應(yīng)應(yīng)該與右手性反粒子的反應(yīng)以相同的速度發(fā)生。所有人似乎都松了一口氣。人們希望大自然在所有已知的相互作用中都是 CP 對(duì)稱的。對(duì)稱之美回來(lái)了。
這種興奮并沒(méi)有持續(xù)太久。1964 年，詹姆斯?克羅寧和瓦爾?菲奇在一個(gè) K 介子衰變的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了 CP 對(duì)稱破壞的跡象。本質(zhì)上，K 介子及其反粒子并不像 CP 對(duì)稱理論預(yù)測(cè)的那樣以相同的速率衰變。物理學(xué)界震驚了。對(duì)稱之美再一次消失了，而且直到今天仍沒(méi)有恢復(fù)。CP 破壞是自然存在的事實(shí)。
如此多的不對(duì)稱
CP 破壞有著更深層和更神秘的含義：粒子也會(huì)選擇一個(gè)首選的時(shí)間方向。時(shí)間的不對(duì)稱性 —— 宇宙膨脹的標(biāo)志 —— 也發(fā)生在微觀層面上。這一發(fā)現(xiàn)意義重大。
此外，還有另一個(gè)關(guān)于不對(duì)稱的重要事實(shí)。生命也是“手性的”：從變形蟲(chóng)到葡萄，從鱷魚(yú)到人類(lèi)，所有生物體內(nèi)都具有左旋的氨基酸和右旋的糖分子。在實(shí)驗(yàn)室里，我們將左旋分子與右旋分子以 50：50 的比例混合，但自然界中看到的情況并非如此。生命幾乎一邊倒地偏好左旋氨基酸和右旋糖分子，究竟為何如此，目前尚不得而知。
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