从原子到万物

私有资料 2017-02-17

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亲爱的曼娜斯小姐：

我该把菜往哪个方向传呢，是左还是右？

文雅的读者：

菜盘子应该从左往右。

一个原子由一个致密的原子核（由质子和中子构成）和一个围绕着中央核的电子云组成。原子核是由强核力束缚在一起的，类似于引力把恒星和行星束缚在一起，你会认为它基本上是圆形的。但这并不总是对的，因为物理学家发现有一些原子核并不是对称的，而是呈梨形的，比如钡-144。听起来好像基本理论物理学又要受到挑战了，但其实这或许是一个好消息，因为它也许可以帮助物理学家解释宇宙学中的一个大难题！

艾米·诺特解释了自然界中守恒定律和对称性的关系。她的定律是现代物理学的重要基石。

在20世纪初，艾米·诺特发现了基本物理学定律和对称性有关。她把连续对称性和守恒定律连接了起来，例如，一个系统对于空间平移的不变性（物理定律不随空间中的位置而变化）给出了动量的守恒定律。诺特定理优雅地描述了这一关系，并且是许多现代物理理论的基础。诺特展现给我们的一些最强大的对称是那些跟空间和时间相联系的对称。

举个例子，镜像对称，也被称为宇称不变性。当你照镜子的时候，镜中的你跟现实中的你正好左右相反。如果你举起右手，镜像中的你就会举起左手。镜中的你心脏在右侧，身上的表针逆时针走。现在想象有一个镜像宇宙，在这个宇宙中所有的东西都是相反的。在这个宇宙的我们都是左边驾驶的，太阳会打西边升起，从东边日落等等。但基本上没有任何其它东西会改变，事实上我们只要把左边和右边的概念对换一下就会跟我们身处的这个宇宙没有任何区别。

至少，这种情景在宇称守恒的前提下是正确的。在大多数情况下，自然并不区别左和右，宇称是守恒的。但是1950年代中期，物理学家发现了一些“奇异粒子”，某些粒子在它们的衰变方面有令人困惑的性质。这样的困境直到1956年才得以解决，那个时候杨振宁和李政道提出了一个在当时看来是惊世骇俗的建议：宇称不守恒！

泡利：“我不相信，上帝是个弱的左撇子。我准备拿一大笔钱打赌，实验一定会得出对称的结果。”

他们建议研究一个自旋的放射性原子核。我们知道在放射性原子核中，原子核是有一定的几率发生衰变的，并且由弱相互作用决定。衰变的原子核会放出一个电子和一个中微子，后者在实验中观察不到。因此科学家必须把目标集中在高速飞出的电子上。假定电子沿核自旋方向射出。如果宇称守恒，电子应该在核自旋方向和相反方向有相同的射出几率。在真实实验中涉及许多原子核，我们会观察到从许多衰变中射出的电子，看看它们是否偏爱哪个方向。如果在我们的世界中，电子更多沿核自旋的方向射出，而镜中世界则会观察到电子更多沿核自旋的反方向射出，因此我们就可以得出结论：自然破坏宇称不变性。

吴健雄的实验。（? Wikipedia）

1956年的时候，吴健雄通过观察钴-60原子的放射性衰变，发现电子主要从一个特定方向射出。她验证了杨振宁和李政道的理论：在弱相互作用中宇称不守恒。可想而知，这个消息在当时让物理界同行都目瞪口呆！

（这听起来是一个并不困难的实验，但当时吴健雄遇到的实验难题是没有人能够提供给她一个自旋的原子核。因为实验样品中的巨大数量的原子核在不同的方向上转动。只有设法把这些核自旋排列好来，实验才能奏效。在室温下，原子在永久的热激发中振动，所有以核自旋排列好了很快又都指向不同的方向。因为，她只能在低温下进行实验以使热激发最小。吴健雄最终克服了重重难关，证明了宇称不守恒，自然第一次把她的“手征”呈现在这位伟大的女士面前。）

另一个对称是跟电磁荷有关的。在我们的宇宙中，质子带有正电荷，而电子带有负电荷。电荷对称关心的是如果电荷对换了会发生什么。我们知道粒子和它的反粒子有完全相同的质量，但电荷却相反。通过一个电荷共轭的操作，相当于在一个物理过程中把所有的粒子用相应的反粒子替代。就和想象镜中的世界一样，我们也可以想象一个由反物质构成的反世界。根据电荷共轭对称推断，我们的世界和反世界的物理定律应该完全一样。到1956年，不同的实验中已经验证了电荷共轭不变性。但是宇称既然被破坏了，物理学家不免要问，电荷共轭不变性是否也会被破坏。

中微子（红）的螺旋性，永远是左手的；而反中微子（蓝）永远是右手的。（? Universe Review）

事实证明，电荷对称也是可以破坏的，也跟弱相互作用有关，特别是中微子。虽然中微子并不具有电荷，但它们却具有螺旋性。给定一个沿直线运动的自旋的粒子，我们可以问，前面所定义的自旋方向是沿运动方向呢还是与它相反？如果一个粒子的螺旋性是右手征的那么自旋方向与运动方向相同。从实验中表明，中微子有一个奇怪的性质：它永远是左手的。根据电荷共轭不变性推断，反中微子也应该是左手的，但是通过实验观察反中微子发现，它确实右手的。弱相互作用也破坏电荷共轭不变性。

所有的中微子都是左手的，没有右手中微子的存在。所有的反中微子都是右手的，没有左手的反中微子存在。（? E. Siegel）

宇称和电荷共轭都被破坏了，那么有没有这样一种可能性：如果我们能够建造一个魔镜，它不仅能反射左和右，还能把粒子变成反粒子，那么自然有没有可能在宇称（P）和电荷共轭（C）的联合操作下不变。好景不长，在1964年的时候科学家也找到了CP被破坏的证据。

一个逆时针转的介子（左上）衰变并往北射出电子。在P变换下（右上），介子顺时针衰变并往北射出电子；在C变换下（左下），逆时针转的反介子衰变并往北射出电子；在CP联合变化下（右下），该粒子变成顺时针的反介子衰变，并往北射出电子。（? E. Siegel）

所以，这跟梨形的原子核有什么关系？原子核一直被认为只有三种形状：球形，铁饼形，或橄榄球形，原子核的形状是由发生在质子和中子间的各种相互作用决定的。它们三者之间有一个共同点就是它们是对称的，并且它们都是CP对称的。换句话说，如果那些相互作用是CP对称的，就不会有梨形的原子核。因此通过研究像钡-144这种奇异原子核，我们可以得知关于CP对称如何被破坏的线索。

那么，这跟一开始提到的宇宙大难题有什么关系？记住，电荷共轭对称是跟物质和反物质相联系的。由于电荷是守恒的，每当在一些物理过程中产生了粒子，相应地反粒子也应该产生。在大爆炸后，宇宙应该产生等量的物质和反物质。但是，在138亿年后的今天，宇宙却充满了物质，我们几乎没看到有什么是由反物质构成的。物质和反物质的不对称性的起源是宇宙学中最大的难题之一。虽然CP破坏被提出来解释为什么物质比反物质多，但是目前的理论并不足够解释今天我们所看到的物质的量。如果我们能够从梨形原子核中窥探到隐藏在CP破坏背后的秘密，就能合理的解释万物为何存在。