【薛饿】反物质中出了一个叛徒

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我们先想一个问题，当我们谈论“物质”和“反物质”，或者谈论其他熟知的一些物理定律的时候，本质上是在谈“什么”？

 

对称

往天上扔一个球，球飞到一定高度就会落下来，这是因为能量守恒：动能和势能加起来总和不变。

在物理学家看来，之所以会有能量守恒，是因为物理定律的方程具有“时间平移不变性” —— 说白了，就是物理定律不随时间发生改变。数学家管不变性叫“对称性”，我们也可以说，是数学描述的时间“对称性”，决定了能量守恒。

1915年，德国女数学家艾米·诺特（EmmyNoether）证明，我们数学结构中的每一个连续的对称性都通往一个物理守恒定律，某些量会因此而永远守恒。

物理学家尤金·维格纳进一步发现，“对称性”还描述了粒子所拥有的所有量子性质，包括质量和自旋，所带电荷……至少在我们自己的这个宇宙，对称性的研究，揭示了哪些“东西”可以存在于其中。

人们越来越清楚地认识到，几乎所有的物理定律都来自对称性。诺贝尔物理学奖获得者菲利普·安德森（PhilipW.Anderson）甚至说：“说物理学家研究的是对称性，一点也不夸张。”

 

对称“危机”

 “物质”和“反物质”，就如同镜中的“自己”。

如果我们照镜子，镜中人突然走了出来，那么这你和ta，必然有相同的地方（比如体重相同，都有两条胳膊两条腿一个眼睛……），但同时也会有些“不同”（左右颠倒，前后颠倒），你们是对称的。

过去的观点，普遍认为我们这个宇宙的物理规则是完全“对称”的，也就是守恒的。即使发生空间的反演变换，物理法则也不会改变。即便我们发现某些地方 “不对称”了，我们也要找到一些其他“方法”去维持“对称”的理念，大概可以这么办：

某天在梦中，你和自己的镜中人见面，突然发现自己明明有两条胳膊，可镜中的自己却只有一条胳膊，于是你对镜中人说：“诶诶？怎么回事？咱俩这样可不对称了啊！这可还行？”，镜中人笑了笑说：“莫慌，虽然我只有一条胳膊，但是我有两个心脏啊，满打满算，里外里咱俩其实还是‘对称的’ ”。

这种“思想”在物理学的世界，也适用。

物理学家把空间的通过“上下左右前后变化”后保持的“对称”，叫做“宇称对称性”，简称“P”对称。但随着基本粒子研究的发展，我们发现了“P对称不守恒”的粒子——这是一件很郁闷的事情，就如同你发现镜中的自己，缺了一条胳膊那样郁闷。于是科学家想要找到其他的“对称”，去弥补P对称的破缺。

于是“C对称”来了。C对称，就是粒子和反粒子之间的转换，所产生的对称性（也叫作电荷共轭）。

为了维护“对称的信念”，科学家就构想了一套理论：虽然P对称发生了破缺，但只要与C对称组合起来——如果在数学上说的通，就依然可以维持“对称”的守恒。这就是“CP对称”。

可惜，“CP对称”这颗物理学家的定心丸没吃多久。1964年，研究者发现一种叫做“K介子”的粒子，在变化过程中，发生了CP不对称的情况（CP对称性破缺），虽然这种现象出现的概率只有千分之一，但足以证明了“CP对称性”依然不是真正的对称，这在全世界范围引发了巨大轰动。

 

“反物质团灭”的另一种诠释

为什么今天这个世界完全是由“物质”构成的，而不是“反物质”——这个问题本质上就是“对称”问题。

是什么原因，让宇宙诞生过程中的某个节点，发生了某些破坏对称性的事件？之后产生了蝴蝶效应般的涟漪，最终导致反物质团灭。本期视频节目，只是解释这种“十亿分之一不对称性'的猜想之一。

“对称”这个问题看似没什么重要的，但对于科学家，是一个关乎自然秩序的重大问题。换句话说，只要能解释“CP对称性破缺”的问题，不仅可以挽救科学家的信念，同时也很有可能揭开反物质消失的秘密。

小林诚和其师兄益川敏英给出了一个答案。他俩均为土生土长的日本科学家，2008年，他俩与南部阳一郎共同获得了诺贝尔物理学奖。小林诚和益川敏英提出了“小林－益川理论”，认为造成上述现象的原因是：夸克的反应衰变速率不同。

 

小林诚与师兄益川敏英

 

夸克的三代兄弟

我们都知道，物质是由各种“基本粒子”构成的。

人类已知构成“常规物质”的基本粒子包括“夸克”和“轻子”两大类：夸克又分为“上夸克”和“下夸克”，轻子分为“电子”和“中微子”。

 

 

但这还并不是全部，除了这四个粒子，还有一些粒子位于其他列。除了质量更大之外，每一列的粒子都和第一列很像（具有相同的特性，比如电荷和力的相互作用）。每一列都是一代，人们已经列出了三代。每一行，就像是三胞胎亲兄弟一样，除了体重，其他都一样。

 

每行的兄弟之间，胖瘦（质量）不同——更胖意味着，可以减肥“衰变”成为更轻的弟弟。

除了兄弟之间可以跨代转换，在宇宙诞生时期，温度极高，不同种类的粒子之间也会发生“互相转化”，（比如，夸克和中微子也会互相转换），而这些基本粒子可都是构成物质的基本元素。所以，“小林－益川理论”核心思想是说，在宇宙初期混乱的“变来变去”时代，因为“三代夸克兄弟彼此减肥（衰变）速率”不同，造成了某些变化的“不同步”，最终导致了“CP对称性破缺”——而这，也很可能是反物质被团灭的另外一种视角。

更关键的一点在于， “小林－益川理论” 还预言了夸克有且只有 “三代，6种”——只有这样，才能解释“CP对称性破缺”。

 

为什么只有“三代”兄弟

为什么是三代夸克，而不是两代？为什么必须是“三代”，才能造成“CP对称性破缺”？

如果我们在空间设置两个点，那么连接这两点，能画出一条直线。如果增加到三个点，就能画出三角形这样的平面图形了。

CP对称性是基本粒子所表现的对称性之一。C对称作用下，生成反粒子，就像粒子在“照镜子”，如果镜中的新粒子，“在数学上”计算出与原来的粒子没有本质区别。那么CP对称性就是守恒的。若出现差异，就意味着发生了“CP对称性破缺”。

由两个点连接而成的直线即使镜像翻转后看上去也和原来一样，两者并没有什么区别，因此可以说它处于对称性守恒的状态。

 

然而，当点的数量变成三个时，我们不仅能画出直线，还能画出三角形。除了等腰三角形和等边三角形这类特殊三角形外，三角形基本上不具有对称性。

也就是说，如果沿着一个对称轴镜像翻转三角形，得到的新三角形无法和原来的三角形重合，二者是有区别的——就好像你的左手和右手互为镜像，看上去是一对儿，但其实是无法重合的。在这种情况下，对称性是不守恒的。

大体说来，CP对称性也会出现类似的情况。如果夸克只有两代共四种，那么就像两点确定一条直线那样，CP对称性是无法发生破缺的。但是，如果夸克有三代共六种，那么就像由三个点可以确定一个三角形那样，可以发生CP对称性破缺。“小林－益川理论” 提到夸克三代兄弟因为胖瘦（质量）不一，所以“减肥”的速度也不同，这种减肥“速度差异”，就可以理解为“三角形的三条具有长度差异的边”。

 

而实际上，研究者已经通过实验证明了的确存在三代共六种夸克，也由此确认了CP对称性会出现不守恒的情况——正是因为这个原因，我们也认为今天的宇宙中仅留存下粒子，而反粒子几乎团灭，也应该与“CP对称性破缺”有关。

 

 参考文献：

• 《镜中的宇宙》[日] 村山齐
• 《强力与弱力》[日] 大栗博司
• 《物质的秘密》[法] 埃蒂安·克莱恩
• 《WE HAVE NO IDEA》[巴拿马] 豪尔赫·陈 / [美] 丹尼尔·怀特森

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“首尾相接” 的宇宙

这是希腊神话中的衔尾蛇。这条蛇在吞食自己的尾巴时，躯体会呈现为圆环状，它仿佛象征着和谐的宇宙。如果将蛇头比作整个宇宙，蛇尾比作基本粒子，那么宏大的宇宙和基本粒子的微观世界就可以像衔尾蛇吞食着自己的尾巴那样衔接在一起。我们的世界或许也是这样的结构，即宏大的宇宙与微小的基本粒子衔接在一起，相互影响，彼此成就。

如果你对基本粒子的“宇宙世界”感兴趣，可以再去看看这本《物质的秘密》。法文原版畅销十年，长居法国亚马逊科普畅销榜首。作者用生活化的例子讲述了微观世界的物理现象，难度适宜，穿插的文学哲学艺术历史典故，却又暗藏玄机。

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